虛擬儀器在高等職業(yè)教育中的應(yīng)用

高曉燕　王惠貞

[摘要]虛擬儀器具有使用靈活、功能強大、性價比高等特點。將虛擬儀器應(yīng)用于高等職業(yè)教育教學(xué)和實驗中，可在提高效率、降低成本的同時提高教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]虛擬儀器職業(yè)教育

引言

高等職業(yè)教育具高等教育和職業(yè)教育雙重屬性。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是職業(yè)教育的重要組成部分，作用尤為重要。理工科專業(yè)如電子技術(shù)、測試技術(shù)、傳感器、信號分析等課程要通過安排大量的實驗來加強對學(xué)生的實踐能力培訓(xùn)。目前，我國一些高等職業(yè)院校適應(yīng)社會需求準(zhǔn)備開設(shè)或已開設(shè)了新專業(yè)，但由于經(jīng)費缺乏等原因制約了發(fā)展。

虛擬儀器引入教學(xué)

虛擬儀器Ⅵ(Virtual Instruments)是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)，采用計算機開放體系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單機測量儀器，借助計算機對各類數(shù)據(jù)進行處理、顯示和存儲。圖1為插卡式Ⅵ的實現(xiàn)原理：

儀器功能通過軟件編程實現(xiàn)，儀器界面由用戶定義，信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送入計算機，利用虛擬儀器分析、處理，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作界面上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，測量和分析結(jié)果由虛擬儀器界面讀出。用戶通過虛擬界面對儀器的操作如同操作真實儀器一樣直觀，而使用更為方便、靈活。還可以脫離硬件(數(shù)據(jù)采集卡等外設(shè))開發(fā)虛擬實驗室，將實驗放在計算機上，學(xué)生通過操作計算機完成實驗。因此，一臺虛擬儀器替代多臺傳統(tǒng)實驗儀器的功能。虛擬儀器和計算機結(jié)合，開拓了更多的功能，具有很大的靈活性。計算機不但可以對數(shù)據(jù)進行分析處理，還可編輯、存儲、打印，還可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)、應(yīng)用等連接。軟件部分價格低廉，技術(shù)更新快，大大節(jié)省開發(fā)維護費用。

虛擬儀器帶來教學(xué)革命

1.虛擬儀器提高了學(xué)生的動手能力

虛擬儀器的引入強化了模擬教學(xué)和實習(xí)教學(xué)，打破原來重理論輕實踐的教學(xué)方式，學(xué)生通過計算機即可完成理論到實踐的轉(zhuǎn)化，有助于構(gòu)建“理論一實踐(實習(xí))”一體化的教學(xué)模式，使實踐(實習(xí))教學(xué)日?；Ｍ瑫r，還提高了教學(xué)效果，使課堂教學(xué)實用化，增強了課堂教學(xué)的實用性和考試的實效性。以使用HP3562信號分析儀進行振動信號頻譜分析為例，除了硬件連接，學(xué)生需要經(jīng)過儀器測量方式、窗口、平均、頻率范圍、量程、顯示方式、坐標(biāo)等多個部分的學(xué)習(xí)才能進行頻譜分析。學(xué)生的大部分精力都用來學(xué)習(xí)儀器的使用，而不是實驗本身。通過對虛擬儀器的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在接觸真正的儀器儀表時不會由于一無所知而不知所措。虛擬儀器編程靈活，讓學(xué)生感悟和應(yīng)用最先進的技術(shù)，幫助學(xué)生感性認識和深刻理解在傳統(tǒng)電子測量教學(xué)中難以理解的概念，從而積極主動地去學(xué)習(xí)。目前高等學(xué)校課程壓縮，課時減少，學(xué)生可以用業(yè)余時間深入學(xué)習(xí)軟件，完成更多實驗。

2.虛擬儀器豐富了教學(xué)過程

利用虛擬儀器軟件可以制作示波器、邏輯分析儀、波特圖示儀、數(shù)字萬用表等多種虛擬儀器、儀表，能方便將元件選擇、算法設(shè)計、系統(tǒng)仿真等融為一體，對教學(xué)內(nèi)容進行仿真。豐富了教學(xué)手段，增強了教學(xué)效果。教師使用虛擬儀器的實時演示功能可以使理論教學(xué)中抽象的問題變得較容易理解。如《信號與系統(tǒng)》中的頻域分析部分，很多學(xué)生在一開始很難理解時域信號是如何轉(zhuǎn)換到頻域的，我使用Lab-VIEW軟件，演示了“信號分解與合成”的例子，很快解決了這個問題。另外，虛擬儀器技術(shù)將PC技術(shù)及以太網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以將來自測量或控制設(shè)備中的資料直接傳送到web網(wǎng)頁上，還可以遠程控制儀器設(shè)備。創(chuàng)建虛擬實驗室或虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室，以計算機為平臺，憑借方便、靈活的互聯(lián)能力，借助于Windows系統(tǒng)的遠程桌面、LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信功能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，在Web上發(fā)布虛擬儀器的面板，直接在本地打開并操控虛擬儀器，實現(xiàn)遠程測試等功能。

3.虛擬儀器改善了高等職業(yè)教育實驗狀況

理論課程如自動控制原理、信號與系統(tǒng)等，可以通過演示實驗讓學(xué)生直觀地了解信號或系統(tǒng)的特點，實踐型課程如數(shù)字信號處理、測試技術(shù)、傳感器等可以獲取真實的被測信號，用計算機軟件實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、顯示等功能。虛擬儀器精度高，不存在機械故障，也沒有硬件磨損。虛擬儀器的更新是通過修改程序或軟件升級實現(xiàn)的。因此，虛擬儀器又被稱為“綠色儀器”。避免了資源浪費。維護方便省力。虛擬儀器是基于計算機的，其數(shù)據(jù)分析速度、精度多有很大提高空間。實驗之余，計算機還可以做它用。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室，從而現(xiàn)實遠程測控、資源共享、數(shù)據(jù)共享，不僅可以節(jié)省大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入，而且為教學(xué)提供了一種全新的現(xiàn)代化教學(xué)手段。但是，虛擬儀器不能完全代替儀器儀表。實際儀器使用時遇到的問題諸如工作溫度、電壓等因素影響是虛擬儀器實驗遇不到的，可能會給學(xué)生日后的實際工作帶了不便，教師應(yīng)加以說明。

虛擬儀器用于教學(xué)一例

美國NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW以其易學(xué)易用、功能強大的特點被廣泛使用。圖2所示信號發(fā)生器就是用Lab-VIEW來實現(xiàn)的。

這個信號發(fā)生器可以產(chǎn)生周期信號、隨機信號和公式波形。在使用公式波形時，輸入公式就可以得到相應(yīng)的波形。對頻率、幅值等參數(shù)的設(shè)置通過上下調(diào)節(jié)按鍵實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)的輸出端得到信號。當(dāng)要求改變一起功能時，對程序作改動即可。而使用傳統(tǒng)實驗的方法，信號的產(chǎn)生和觀測要用到信號發(fā)生器和示波器兩臺儀器，其價格高達幾千甚至上萬元。

結(jié)語

利用虛擬儀器使理論教學(xué)與實踐更緊密地結(jié)合，達到到了“教”和“學(xué)”的雙贏。虛擬儀器為高等職業(yè)教育提供了廣闊的并且可以無限發(fā)展的空間，在教學(xué)和科研中多發(fā)揮著越來越重要作用，是未來實驗室的重要發(fā)展方向。

中圖分類號：G64

文獻標(biāo)識碼：A

參考文獻：

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