基于虛擬儀器的電子實(shí)驗教學(xué)研究

李 翠，田占軍

（山東濟(jì)南職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南250000）

實(shí)驗教學(xué)是電子類課程中必不可少的環(huán)節(jié)之一，實(shí)驗儀器作為電子實(shí)驗的基礎(chǔ)工具，直接影響著學(xué)生的實(shí)驗效果。在傳統(tǒng)的電子實(shí)驗中多采用普通儀器來進(jìn)行實(shí)驗操作，前期需要采購足夠多的儀器儀表，并且在實(shí)際操作過程中實(shí)驗精度也不高，后期更需要花費(fèi)大量的人力物力來進(jìn)行維護(hù)。而虛擬儀器的使用能大大降低實(shí)驗成本，并且其實(shí)驗精度比普通儀器要高很多。利用虛擬儀器進(jìn)行電子實(shí)驗教學(xué)已經(jīng)得到我國各大高校的推廣。

1 虛擬儀器的特點(diǎn)

1．1 虛擬儀器的性能較高

虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)基礎(chǔ)是PC技術(shù)，它將PC技術(shù)的各項優(yōu)點(diǎn)盡攬其中，比如說PC技術(shù)中的優(yōu)秀處理器等，這些技術(shù)的應(yīng)用能夠使系統(tǒng)毫無壓力地高速計算一些復(fù)雜數(shù)據(jù)。

1．2 虛擬儀器的擴(kuò)展性較強(qiáng)

虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用使得電子實(shí)驗教學(xué)不再拘泥于當(dāng)前的技術(shù)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。因為虛擬儀器的軟件運(yùn)用非常靈活，用戶只需要適時更新軟件就能夠使整個系統(tǒng)得到改進(jìn)，其中的花費(fèi)卻非常少。

1．3 虛擬儀器的開發(fā)時間短

虛擬儀器技術(shù)作為一種軟件技術(shù)，它的開發(fā)非常省時。目前普通電子實(shí)驗儀器的各項功能越來越復(fù)雜，為了滿足實(shí)驗的需求，實(shí)驗操作者通常需要對整個實(shí)驗過程中所涉及到的各類儀器進(jìn)行測量，這些工作的完成耗費(fèi)了大量的時間與精力。而虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決這個問題，通過使用虛擬儀器進(jìn)行電子實(shí)驗，實(shí)驗操作者可以有效減化實(shí)驗的復(fù)雜性，大大節(jié)約了操作時間，使得實(shí)驗過程更加簡便快捷。

1．4 虛擬儀器能夠無縫集成

虛擬儀器技術(shù)擁有非常好的驅(qū)動與應(yīng)用優(yōu)化，利用虛擬儀器技術(shù)可以非常便捷地將計算機(jī)系統(tǒng)以及各類實(shí)驗儀器無縫結(jié)合在一起，讓用戶深刻體驗到極具靈活性的操作感受，多功能性的強(qiáng)大實(shí)驗內(nèi)容，對于用戶來說非常方便。

2 基于虛擬儀器的電子實(shí)驗教學(xué)的方案

2．1 以RC電路的電子實(shí)驗教學(xué)為例對教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計

RC電路是一種基本的電路單元，正確分析與掌握RC電路的充放電特性是理工科學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜的電子電路的基礎(chǔ)。一個利用虛擬儀器來進(jìn)行電子實(shí)驗教學(xué)的RC電路，能夠讓學(xué)生比較動態(tài)地觀察到RC電路的充放電全過程，并且可以根據(jù)充放電曲線得出RC電路的時間常數(shù)。

2．2 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器在實(shí)驗教學(xué)中的對比

（1）傳統(tǒng)儀器

數(shù)據(jù)的采集、儀器的控制、信號的處理與結(jié)果的表達(dá)是傳統(tǒng)實(shí)驗儀器的三大重要特點(diǎn)，而這三大重要特點(diǎn)是以電子線路來達(dá)成的，即利用硬件設(shè)備來進(jìn)行實(shí)際操作。傳統(tǒng)電子實(shí)驗儀器的功能固定方式是封裝所有軟件以及測量電路，使其形成一個完整的系統(tǒng)，然后再為用戶提供相關(guān)實(shí)驗功能，但其功能也是非常有限的。因此，利用傳統(tǒng)的電子實(shí)驗儀器能夠完成的實(shí)驗種類比較少，具有很大的局限性。而且，在運(yùn)用傳統(tǒng)的實(shí)驗儀器進(jìn)行電子實(shí)驗之前，學(xué)生必須先要透徹了解一些常用的實(shí)驗儀器，深刻掌握其使用方法與測量方法，這是開展實(shí)驗的關(guān)鍵性前提，對實(shí)驗的完成至關(guān)重要。而即使是這樣，傳統(tǒng)的電子實(shí)驗儀器功能畢竟太過單一，精確度也比較低，其實(shí)驗?zāi)Ｊ綗o法得到有效改變；具體來說，用傳統(tǒng)的實(shí)驗儀器來進(jìn)行電子實(shí)驗教學(xué)的問題在于，教師與學(xué)生需要做的工作量都非常大，教師需要對學(xué)生進(jìn)行一一指導(dǎo)，而學(xué)生也需要花費(fèi)更多地精力來做實(shí)驗準(zhǔn)備，其時間消耗比較大，麻煩也比較多。再者，購買傳統(tǒng)電子實(shí)驗儀器所需的花費(fèi)畢竟比較高，并且實(shí)驗過程中儀器還很容易遭到損壞，安全無法保證，這些問題都是制約電子實(shí)驗教學(xué)的一些重要因素，若不能得到有效解決，則會嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

（2）虛擬儀器

虛擬儀器比起普通電子實(shí)驗儀器來說，其多數(shù)功能可以不必再以傳統(tǒng)的電子線路硬件來實(shí)現(xiàn)。比如說，虛擬儀器能夠以計算機(jī)軟件作為媒介來完成傳統(tǒng)儀器中的信號處理及結(jié)果表達(dá)，以及實(shí)現(xiàn)其對儀器的控制功能。硬件與軟件是組成每一個虛擬儀器系統(tǒng)的兩大部分。首先來說硬件部分，虛擬儀器的硬件部分簡單來說就是由計算機(jī)系統(tǒng)與相關(guān)電子儀器組成的一種模塊系統(tǒng)，例如VMP綜合電子測試系統(tǒng)以及ARM嵌入實(shí)驗系統(tǒng)等都是操作很簡單的模塊系統(tǒng)，并且其配置的靈活性也非常高，最重要的是其性價比也很高，是非常值得用戶選擇的系統(tǒng)。虛擬儀器是通過相關(guān)軟件在計算機(jī)屏幕上生成各種實(shí)驗儀器，然后讓用戶進(jìn)行虛擬儀器使用。在基于虛擬儀器的電子實(shí)驗教學(xué)當(dāng)中，教師和學(xué)生可以共同配合，利用虛擬儀器中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與模擬仿真技術(shù)完成各種類型的電子實(shí)驗。其具體教學(xué)優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)：

a．虛擬儀器能夠做比較復(fù)雜的綜合性電子實(shí)驗，將其與網(wǎng)絡(luò)設(shè)施結(jié)合應(yīng)用，能夠加快新型電子實(shí)驗的實(shí)施。新型電子實(shí)驗在未來的發(fā)展不可限量，它具體指的是一種將虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起共同協(xié)作的電子實(shí)驗。新型電子實(shí)驗是運(yùn)用相關(guān)教學(xué)軟件進(jìn)行輔助，通過數(shù)據(jù)采集卡把電子實(shí)驗中所得到的各項數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機(jī)內(nèi)部，然后再以虛擬儀器進(jìn)行詳細(xì)分析與測量，最終通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施來給學(xué)生演示。

b．虛擬儀器內(nèi)部都有相應(yīng)的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，可以組成一個專門利用虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗操作的網(wǎng)絡(luò)電子實(shí)驗室，以此來方便學(xué)生在課后搭建各自的實(shí)驗系統(tǒng)，讓學(xué)生能夠充分自主地設(shè)計各種課程實(shí)驗，并進(jìn)行綜合性實(shí)驗的操作。

c．教師可以在虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)電子實(shí)驗室中設(shè)計許多教學(xué)模塊，對各種虛擬儀器的工作原理進(jìn)行深入講解，并將其相應(yīng)的操作方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，從而讓學(xué)生全面掌握與了解各項虛擬儀器的具體特性，為學(xué)習(xí)實(shí)際實(shí)驗操作打下良好的基礎(chǔ)。

d．利用虛擬儀器技術(shù)可以為學(xué)生建立起一個虛擬仿真電子實(shí)驗室。在虛擬仿真電子實(shí)驗室中，學(xué)生可以對一些電子規(guī)律進(jìn)行仿真實(shí)驗操作研究，以此來代替一部分實(shí)際的電子實(shí)驗項目。

e．以虛擬儀器進(jìn)行電子實(shí)驗教學(xué)既能夠節(jié)約成本，又能夠提高教學(xué)質(zhì)量與效率，可謂一舉多得。電子實(shí)驗的教學(xué)要把培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力與綜合素質(zhì)放在首要位置，這是進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)的根本目的。普通的電子實(shí)驗儀器以及其相關(guān)教學(xué)方法都較為陳舊落后，已不能適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)環(huán)境，這在很大程度上對學(xué)生的發(fā)展造成了制約；如今，學(xué)校利用虛擬儀器來進(jìn)行電子實(shí)驗教學(xué)，不但可以彌補(bǔ)這些不足，并且還能夠使得電子實(shí)驗教學(xué)過程更加完善，從而提高教學(xué)質(zhì)量與效率。

2．3 虛擬儀器的改進(jìn)

當(dāng)前，利用虛擬儀器進(jìn)行電子實(shí)驗教學(xué)雖然已經(jīng)有了一定的成果，但還有許多不足之處，還待相關(guān)研究工作者進(jìn)一步完善。比如，虛擬儀器在其分辨率、測量精度、動態(tài)范圍以及長期穩(wěn)定性等方面還需要改善，通過改善其相關(guān)的硬件配置使得其分辨率更高、測量精度更準(zhǔn)、動態(tài)范圍更廣以及長期穩(wěn)定性更好等，以使虛擬儀器在電子實(shí)驗教學(xué)中達(dá)到更好的教學(xué)效果。

3 結(jié)束語

基于虛擬儀器的電子實(shí)驗教學(xué)具有很高的教學(xué)效率以及很好的教學(xué)質(zhì)量，并且其操作方便、成本較低，非常適合用于各項電子實(shí)驗教學(xué)當(dāng)中。

［1］ 余金華．基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗教學(xué)研究［J］．安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2009，（06）：123－124．

［2］ 崔秀華．虛擬儀器在電路實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，2010，（12）：58－60．

［3］ 姜海波．虛擬儀器技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，210，（15）：53－54．

［4］ 王新波，朱維杰．虛擬儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，（30）：108．

［5］ 雷 敏，張躍勤，郭民利．模塊化虛擬儀器電工電子實(shí)驗平臺的建立［J］．長沙大學(xué)學(xué)報，2011，（05）：131－132．