基于虛擬儀器技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

孟濤?李琰?王猛

摘要：論述了虛擬儀器相比于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì)以及在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬儀器的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)合電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，介紹了在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中引入虛擬儀器的階段性過程與實(shí)施方案，并對(duì)預(yù)期的效果進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；電工電子

作者簡(jiǎn)介：孟濤（1980-），男，遼寧盤錦人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，工程師；李琰（1977-），男，黑龍江大慶人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，工程師。（黑龍江?哈爾濱?150001）

基金項(xiàng)目：本文系哈爾濱工業(yè)大學(xué)2010年度教學(xué)研究立項(xiàng)的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.423?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）21-0081-01

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是電工電子類課程必不可少的環(huán)節(jié)，學(xué)生只有通過足夠的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合性實(shí)驗(yàn)，才能真正理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)。儀器是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，要保證實(shí)驗(yàn)的開設(shè)質(zhì)量，就要同時(shí)購置多套先進(jìn)的儀器。一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要使用多種儀器，且不同實(shí)驗(yàn)所用儀器也不盡相同，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)所需儀器就更多。種類豐富的儀器不僅價(jià)值昂貴、體積大、占用空間多，且相互連接也十分麻煩。如何合理配置教育資源，解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)常要考慮而又傷腦筋的問題。[1，2]

1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）提出了虛擬儀器的概念。[3，4]所謂虛擬儀器實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)，由電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的、具有很好發(fā)展前景的一類新型電子儀器，它貫徹了“軟件就是儀器”的思想，通過在通用硬件平臺(tái)上設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)儀器的功能。20多年來，虛擬儀器以其優(yōu)越的特點(diǎn)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，我國(guó)對(duì)虛擬儀器的需求也在急劇地增長(zhǎng)，特別是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能的計(jì)算機(jī)技術(shù)推動(dòng)了以軟件作為核心的虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展。虛擬儀器在軍事、科研、測(cè)量以及測(cè)控等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)證實(shí)它的價(jià)值所在。[5，6]

一、虛擬儀器的特點(diǎn)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

1.虛擬儀器的特點(diǎn)

電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，大體分為四代：第一代為模擬儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表等，其基本結(jié)構(gòu)是電磁機(jī)械式的，借助指針顯示最終結(jié)果；第二代為數(shù)字化儀器，這類儀器目前相當(dāng)普及，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等，這類儀器將模擬信號(hào)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的測(cè)量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果；第三代為智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，既能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，又具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，其功能塊以硬件或固化的軟件形式存在；第四代為虛擬儀器，是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶面的軟件組成的檢測(cè)系統(tǒng)，它是一種完全由計(jì)算機(jī)來操作控制的模塊化儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器的出現(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。與傳統(tǒng)儀器相比較，虛擬儀器的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高、價(jià)格較昂貴，而虛擬儀器開發(fā)時(shí)間短、開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低、價(jià)格低廉。

（2）傳統(tǒng)儀器技術(shù)更新周期長(zhǎng)，一般為5-10年，而虛擬儀器技術(shù)更新周期短，一般僅有0.5-1年。

（3）傳統(tǒng)儀器的關(guān)鍵是硬件，而硬件比較固定且不靈活。而虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件，儀器硬件的軟件化，增強(qiáng)了儀器的靈活性和可操作性。

（4）傳統(tǒng)儀器連接的設(shè)備數(shù)量有限、功能單一、使用不便。而虛擬儀器能支持計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，具有方便、靈活的互聯(lián)能力，可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)與周邊眾多儀器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控單元測(cè)量過程和控制過程的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

2.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬儀器的意義

虛擬儀器技術(shù)是儀器技術(shù)發(fā)展的最新方向，在以硬件實(shí)驗(yàn)為主的電工電子實(shí)驗(yàn)中引入虛擬儀器無論對(duì)于學(xué)生還是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室本身都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，主要體現(xiàn)在：

（1）虛擬儀器的使用，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)成功率，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量都有所提高，設(shè)計(jì)周期縮短。在較好地掌握教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，充分發(fā)揮了個(gè)人的創(chuàng)造性。

（2）虛擬儀器的使用，可輔助實(shí)驗(yàn)室開設(shè)出更多復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，甚至一些實(shí)驗(yàn)室不具備開設(shè)條件的實(shí)驗(yàn)也可通過該方式開設(shè)出，并得到比較滿意的效果。

二、基于虛擬儀器的電工電子實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

1.階段性分析

在開展基于虛擬儀器的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，為了順利地完成教學(xué)任務(wù)和提高教學(xué)質(zhì)量，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，此類實(shí)驗(yàn)應(yīng)該分階段進(jìn)行，逐步地由淺入深展開。

第一階段：在傳統(tǒng)的基于數(shù)字化儀器的硬件實(shí)驗(yàn)中選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生在完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，再利用現(xiàn)有常用的虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中加深對(duì)虛擬儀器概念的理解，充分熟悉實(shí)際的各類電子儀器和與之相關(guān)的虛擬儀器，如虛擬示波器、虛擬信號(hào)發(fā)生器等。

第二階段：在課堂上對(duì)虛擬儀器開發(fā)軟件進(jìn)行講解，并開設(shè)相關(guān)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生充分地利用計(jì)算機(jī)軟件在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、處理、傳輸以及控制等方面的強(qiáng)大功能，在PC機(jī)上虛擬出信號(hào)發(fā)生器、虛擬示波器以及數(shù)字萬用表等，在實(shí)驗(yàn)中加深對(duì)虛擬儀器及其開發(fā)過程的掌握。

第三階段：開設(shè)以虛擬儀器為主要設(shè)備的實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，搭接適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)電路，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，利用自己開發(fā)的各類相關(guān)虛擬儀器完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，與利用已有虛擬儀器以及實(shí)驗(yàn)室中各類數(shù)字化儀器所完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，加深學(xué)生對(duì)虛擬儀器與數(shù)字化儀器各自特點(diǎn)的了解。

第四階段：在原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，增加綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生選做創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自己選題，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和特點(diǎn)自行在各類數(shù)字化儀器與虛擬儀器中進(jìn)行選擇，制定實(shí)驗(yàn)方案，編寫程序，根據(jù)需要來設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)步驟，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

第五階段：采取學(xué)生報(bào)名或者教師推薦的方式，在學(xué)生中選取部分優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)行基于虛擬儀器的創(chuàng)新項(xiàng)目學(xué)習(xí)，采用學(xué)生自選項(xiàng)目與教師指定項(xiàng)目相結(jié)合的方式，組成科研小組，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的需要，在原有的虛擬儀器模塊上進(jìn)行深入開發(fā)，真正感受到采用虛擬儀器進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)的優(yōu)勢(shì)。

2.預(yù)期效果

在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù)，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)效果、學(xué)生培養(yǎng)、教師素質(zhì)以及教學(xué)成本等方面都將起到積極的作用，具體效果如下：

（1）在實(shí)驗(yàn)效果方面，采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生將能夠更加自主地、靈活地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且在有限的時(shí)間里進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，掌握更多的知識(shí)。

（2）在學(xué)生培養(yǎng)方面，由于電工電子實(shí)驗(yàn)是專業(yè)基礎(chǔ)類課程，引入虛擬儀器技術(shù)將使得更多的學(xué)生受益，對(duì)眾多學(xué)生接下來的專業(yè)課實(shí)踐及設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具有很強(qiáng)的推動(dòng)與促進(jìn)作用。

（3）在教師素質(zhì)方面，基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教師素質(zhì)的提高。教師不僅掌握實(shí)驗(yàn)的基本原理，同時(shí)也了解了虛擬儀器的性能及其最新發(fā)展，而教師素質(zhì)的提高又進(jìn)一步有利于對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)。

（4）在教學(xué)成本方面，采用虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)將使得實(shí)驗(yàn)室在師資、設(shè)備、環(huán)境、耗材等方面的開支大幅度降低，節(jié)省的經(jīng)費(fèi)可以充分地投入到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)化，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的進(jìn)一步提高。

三、結(jié)束語

電工電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)技能的培養(yǎng)是一項(xiàng)基礎(chǔ)教學(xué)工程。隨著電工電子技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)生需要學(xué)習(xí)和掌握的知識(shí)越來越多，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式已無法滿足教學(xué)的要求。在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù)為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)新的模式。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上逐步地增加虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有助于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，是電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式發(fā)展的重要方向。

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（責(zé)任編輯：劉輝）