| 摘 要: 本文介紹了虛擬儀器及其技術(shù)在學(xué)校教學(xué)、科研和實驗中的運用及前景,探討了將虛擬儀器及技術(shù)與仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合進行更具交互性和可操作性的計算機模擬仿真以及小組遠程協(xié)作實驗,為遠程教育的實驗教學(xué)提供一種全新的解決方案。
虛擬儀器及技術(shù)
隨著低成本高性能的計算機資源普及運用,數(shù)字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)80年代末美國研制成功虛擬儀器,代表了儀器發(fā)展的一種新方向。虛擬儀器是計算機技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式,它通常是由個人計算機、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機結(jié)合構(gòu)成,使計算機成為一個具有各種測量功能的數(shù)字化測量平臺。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板,完成對數(shù)據(jù)的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。
虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一是應(yīng)用軟件,儀器的主要功能多是由軟件來體現(xiàn)的,所謂“軟件即儀器”。通過虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,如NI美國國家儀器公司公司的LabView、LabWindows及Agilent公司的VEE等圖形化、交互式的編程設(shè)計環(huán)境,使用者無需軟件專業(yè)背景,在幾天培訓(xùn)后即可根據(jù)圖標(biāo)用鼠標(biāo)自行編程設(shè)計測量儀器和測量程序,有Windows經(jīng)驗的使用者更容易掌握。由于它提供了大量虛擬儀器面板設(shè)計用開關(guān)、按鈕、旋鈕、表頭等面板組件以及用于數(shù)據(jù)采集、儀器通信與控制系統(tǒng)、建立網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)分析等的程序庫,其編程效果是常規(guī)編程方法效率的幾十倍。
用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤操作虛擬儀器就象操作傳統(tǒng)的電子測量儀器一樣,但與傳統(tǒng)的儀器相比,其主要優(yōu)點是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計儀器系統(tǒng),以滿足不同的要求。
此外,也可利用諸如NI的fieldpoint軟件做分布測試,它對整個網(wǎng)絡(luò)來說是一個測量節(jié)點,從這些測量節(jié)點所得出的測量信息共享,利用虛擬儀器的開發(fā)平臺、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)或電子表格如NI的LabView、和Microsoft的Excel等,對信息進行分析和構(gòu)成一個新的系統(tǒng),使信息系統(tǒng)與測量系統(tǒng)無縫地連接起來,對數(shù)據(jù)的分析、處理、交換更加方便。
由于虛擬儀器具有的許多優(yōu)勢,且價格不斷下降,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信和科學(xué)研究等眾多方面得到了廣泛的應(yīng)用。如果我們不局限于將虛擬儀器僅僅當(dāng)作測量分析儀器,從更多方面分析虛擬儀器及虛擬儀器技術(shù)的話,可以發(fā)現(xiàn),虛擬儀器系統(tǒng)及技術(shù)在學(xué)校教育特別是在計算機輔助教學(xué)方面可以發(fā)揮更多的作用。下面,就具體問題進行分析介紹。
虛擬儀器在學(xué)校教育方面的運用及前景
1、 虛擬儀器作為測量分析儀器在教學(xué)、科研中的運用
高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校,教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備,特別是實驗教學(xué),每種儀器都必須配置多套,而且有的儀器設(shè)備價格昂貴,因此儀器設(shè)備所需投資巨大,一般學(xué)校很難滿足,造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響教學(xué)科研。
如果運用虛擬儀器系統(tǒng),情況就大不一樣了。使用虛擬儀器不但可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入,而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率。
2、虛擬儀器技術(shù)在儀器設(shè)備使用實驗教學(xué)中的運用
實驗教學(xué)是許多專業(yè)必須進行的一項教學(xué)活動。掌握測量儀器和設(shè)備的操作使用方法是每個學(xué)生進行科學(xué)實驗基本前提。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進行實際的操作使用,隨之而來的問題是教師的工作量很大而很難對所有學(xué)生進行指導(dǎo),既影響教學(xué)效果又容易造成儀器損壞。運用CAI教學(xué)軟件輔助實驗教學(xué),能較好克服存在的部分困難。但是,由于電子技術(shù)實驗教學(xué)方面的CAI軟件還很少,而且功能不強,交互性、操作性和界面的真實程度較差,適應(yīng)范圍窄,在一定程度上限制了教師和學(xué)生使用的積極性。
如果用虛擬儀器開發(fā)平臺如LabWindows開發(fā)各種不帶相關(guān)功能硬件的“虛擬儀器”（真正的虛擬儀器是由計算機、軟件、功能硬件組成的,為了與之區(qū)分,故用引號）,不但簡單易行,且交互性、可操作性和真實感與實際的虛擬儀器基本相同。由它們組成一個個虛擬實驗室,讓學(xué)生先在虛擬實驗室通過對“虛擬儀器”的模擬操作使用,全面了解和掌握各種虛擬儀器的使用方法和操作要點,為實際使用虛擬儀器設(shè)備和傳統(tǒng)的實驗儀器設(shè)備打下較好的基礎(chǔ),既可降低教師的勞動強度,減少儀器設(shè)備的損壞,又可以提高實驗教學(xué)質(zhì)量與效果。以儀器的學(xué)習(xí)與使用的實驗教學(xué)為例,根據(jù)實際使用的虛擬儀器設(shè)備,將各種虛擬儀器及工作原理、操作使用方法設(shè)計成獨立的教學(xué)模塊,共同組建一個基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室。
3、虛擬儀器技術(shù)與計算機模擬仿真技術(shù)結(jié)合在CAI和科研中的運用
將虛擬儀器技術(shù)和計算機模擬仿真技術(shù)通過數(shù)據(jù)交換共享結(jié)合起來建成虛擬仿真實驗室,對一些科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律進行仿真實驗,能夠代替部分實際實驗項目供教師和學(xué)生進行教學(xué)與研究。學(xué)生利用計算機模擬仿真軟件對實驗進行模擬仿真,仿真的結(jié)果通過虛擬儀器系統(tǒng)進行觀察、分析、處理。由于仿真軟件和虛擬儀器均具有人機交互能力,這樣在這個虛擬的交互式仿真世界,給人創(chuàng)造一種近乎進行真實實驗的感覺。
以電子技術(shù)教學(xué)為例,利用電路系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件如PSPICE、Systemview等能夠完成與電子技術(shù)相關(guān)專業(yè)的多數(shù)電路與系統(tǒng)仿真實驗。當(dāng)對電子電路或系統(tǒng)進行仿真時,如需要運用虛擬儀器進行分析,虛擬儀器通過數(shù)據(jù)接口接收需要處理顯示的數(shù)據(jù),進行實時的分析處理、并生動直觀地顯示出數(shù)據(jù)、波形、圖像和分析處理的結(jié)果,如學(xué)生對結(jié)果不滿意,可以修改電路或調(diào)整電路參數(shù),很快就能得到新的結(jié)果。
4、虛擬儀器技術(shù)與Interent技術(shù)結(jié)合在遠程教育中的運用
利用Internet資源和技術(shù),如ASP（Active server pages,動態(tài)服務(wù)器主頁）、Socket(套接字)等,將Internet與虛擬儀器結(jié)合起來,可以為遠程教育中實驗教學(xué)這一公認(rèn)的難題提供一種全新的解決方案。
一是將Internet與上述的虛擬仿真實驗室組成一個基于Web的虛擬實驗室,使遠端的學(xué)員可以不受地域、時間的限制,通過Internet利用瀏覽器在自己的計算機上進行各種虛擬實驗,學(xué)習(xí)掌握各種虛擬儀器的工作原理及操作使用方法。
二是將實際的虛擬儀器與Internet結(jié)合組成遠程虛擬儀器系統(tǒng),將中心實驗室的虛擬儀器和遠端學(xué)員計算機上的“虛擬儀器”通過Internet聯(lián)系起來,建成網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)。這種方式由于只需傳送小量的數(shù)據(jù)與文本,完全能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下進行,從而為遠程教育如電大、網(wǎng)校解決實驗教學(xué)難的問題提供一種全新的解決方案。
結(jié)束語
虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過十幾年發(fā)展,而今正沿著總線與驅(qū)動程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺圖形化和硬件模塊的即插即用方向前進,以開放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善,加上計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展,建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種功能強大、性能優(yōu)良的先進儀器將層出不窮,價格也會越來越低,使用虛擬儀器進行研究、設(shè)計、測試將成為一種趨勢,同樣,虛擬儀器及技術(shù)也將成為學(xué)校未來教學(xué)科研的重要方法和手段,特別是在理工科學(xué)校其應(yīng)用前景非常廣闊。
參考文獻：
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