論高職虛擬儀器實驗室的建設(shè)與管理

肖學玲

摘 要：本文分析了虛擬儀器在實驗室中的優(yōu)點，論述了高職院校虛擬實驗室的建設(shè)、虛擬實驗室該如何進行管理，并給出了應(yīng)用示例，運用虛擬儀器構(gòu)建的實驗室為高職院校實驗室建設(shè)與發(fā)展提供了一種新的模式。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；實驗室；建設(shè)；管理

0 引言

在信息時代，計算機技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合，形成了一種新概念儀器——虛擬儀器，它從根本上更新了儀器的概念，具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)勢。實驗室反映時代的特征，時代的發(fā)展又推動實驗室的發(fā)展，數(shù)字時代的到來使實驗室走形變得虛擬化，促使其全方位的發(fā)生變化，呈現(xiàn)出虛擬儀器實驗室?；谔摂M儀器的實驗室，學生既可以在虛擬儀器上動手操作，又可自主設(shè)計實驗，且不擔心儀器的損壞，有利于培養(yǎng)學生的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。在采用虛擬儀器構(gòu)建的實驗室中，學生更易獲得相關(guān)的知識，科學的指導和敏捷的反饋。虛擬儀器實驗室的到來將改變傳統(tǒng)的實踐教學模式，虛擬實驗室是未來實驗室建設(shè)的發(fā)展方向，也帶來前所未有的發(fā)展空間。人們開始認識到虛擬實驗室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值，它除了可以輔助高校的科研工作，在實驗教學方面也具有如利用率高、易維護等等優(yōu)點。

1 基于虛擬儀器實驗室的相關(guān)概念及優(yōu)點

在配有虛擬儀器的實驗室可謂虛擬儀器實驗室。而虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的PC機儀器。它由通用個人計算機、模塊化功能硬件和相關(guān)控制軟件組成。借助于數(shù)據(jù)采集卡，將實驗數(shù)據(jù)采集到計算機內(nèi)，利用虛擬儀器進行分析、測量，操作者通過友好的圖形用戶界面和圖形化編程語言來對儀器的運行進行控制，從而實現(xiàn)對被測量信息的采集、分析、判斷、顯示、存儲以及最后數(shù)據(jù)生成。

優(yōu)點：虛擬儀器是根據(jù)測量原理采用適當?shù)男盘柗治龊吞幚砑夹g(shù)編制某種測量功能的軟件來實現(xiàn)測試的儀器，與傳統(tǒng)的實驗教學相比，利用虛擬儀器教學更好地融合了理論與實踐相結(jié)合，使學生的軟硬件技能同步提高；虛擬儀器軟硬件上模塊化的設(shè)計使學生在學習的方式上更加靈活，也較容易掌握。

2 虛擬儀器實驗室的建設(shè)

2.1 虛擬儀器實驗室的組成

虛擬儀器實驗室由硬件和軟件部件組成。從使用上講：操作者可十分精準且快速的完成對被測量數(shù)據(jù)信息的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成，而不需耗費大量時間去手動調(diào)整和計算。從構(gòu)成上講：虛擬儀器是計算機，加上相應(yīng)硬件和相關(guān)專用軟件，實現(xiàn)既有普通儀器所具備的基本功能，又有普通儀器做不到的更多特殊功能的高檔低價現(xiàn)代化儀器，其功能多樣，測量準確且易于實現(xiàn)。

2.2 虛擬儀器實驗室的配置

以電子技術(shù)實驗教學中的應(yīng)用為例來配置電子類虛擬儀器實驗室。該實驗室不僅能實現(xiàn)普通儀器的全部功能且能實現(xiàn)在普通儀器上無法實現(xiàn)的一些特殊功能。

（1）普通計算機。

（2）虛擬儀器應(yīng)用中的開發(fā)平臺。該平臺能提供圖形化界面，使用圖形化編程方式，提供大量的控件和儀器驅(qū)動程序，可直接使用。

（3）五合一虛擬儀器，虛擬電子儀器及其配套應(yīng)用軟件。該儀器可實現(xiàn)任意波形發(fā)生器、示波器、電壓表、瞬態(tài)波形記錄儀、頻譜分析儀等五種儀器的功能。

（4）電子類實驗室常用的萬用表和直流穩(wěn)壓電源等等常用設(shè)備。

通過上面這些基本配置，教師可以將先進技術(shù)帶入課堂，能對學生進行基礎(chǔ)性的實驗教學，也可進行設(shè)計性、綜合性和開發(fā)性實驗教學。老師和學生通過對各虛擬面板的操作即可完成所有的電子技術(shù)類實驗。學生在動手操作過程中，也不會因一時誤操作而損壞儀器，從而使學生大膽實驗，大膽創(chuàng)新，也增強了學生自主學習的興趣，促進學生動手能力和創(chuàng)新意識，還可減少實驗數(shù)據(jù)測量中的造成人為誤差，提高實際測量的精準度，增加單位時間內(nèi)完成的實驗項目，不但實驗效率高且實驗教學質(zhì)量好。目前虛擬儀器的出現(xiàn)不但給儀器儀表和測試領(lǐng)域帶來了深刻的變革，也給高職院校的工科類實驗室建設(shè)注入了新活力。通過實踐證明，進入虛擬儀器實驗室教學比普通實驗室教學效果要好很多。

2.3 建設(shè)虛擬儀器實驗室的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的實驗室相比，虛擬儀器實驗室優(yōu)勢很多，現(xiàn)從教學方面來考慮只說以下兩大優(yōu)勢：

（1）大量減少建設(shè)實驗室的資金投入。

計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，數(shù)字信號處理技術(shù)進步很快，實現(xiàn)各種信號處理功能的軟件算法精度變得越來越高，速度也是越來越快，而采用虛擬儀器建設(shè)的實驗室能在一臺計算機上就可以實現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀等儀器的功能，在實際操作中用軟件算法替代傳統(tǒng)的電子線路、實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種信號處理功能乃至更多的特殊功能，而傳統(tǒng)儀器購置費用高，維護費用也高，還需要耗費大量的人力物力，建設(shè)虛擬儀器實驗室可大大節(jié)約購買各種設(shè)備的費用，故減少了建設(shè)實驗室的資金投入。

（2）良好的人機界面，可操作性強，教學效果好。

對于利用計算機來管理儀器的虛擬儀器，根據(jù)實踐項目的需要能重新定義各種常用設(shè)備，如需進行測量溫度時虛擬儀器就是溫度計，如需進行測量萬用表實現(xiàn)的功能時，它可轉(zhuǎn)變成萬用表。在實際使用中不僅具有良好的人機界面，且操作性很強。學生在實驗過程中可以隨時對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、處理、觀察和分析實驗結(jié)果，對操作不當之處能立馬改正，同學們也愿意去動手動腦操作，從而提高了學生的實驗興趣，達到了實驗教學的效果。

虛擬儀器實驗室的開發(fā)具有眾多優(yōu)勢，作為走在時代最前沿的教育工作者，應(yīng)積極地把虛擬化技術(shù)運用到實驗室開發(fā)中，把握時代脈搏，發(fā)揮虛擬儀器實驗室在新時代教學和科研中的巨大作用。

3 虛擬儀器實驗室的管理

3.1 定期對實驗室進行維護和升級。

虛擬儀器是采用應(yīng)用程序?qū)C機與相關(guān)硬件模塊結(jié)合起來的一種新型的儀器系統(tǒng)，通過軟、硬件的配合實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能。它充分利用具有強大數(shù)據(jù)處理能力計算機系統(tǒng)，以特定的軟件算法代替相應(yīng)的電子線路。若市場出現(xiàn)新的教學儀器，而虛擬儀器當前不能實現(xiàn)其功能，則需操作者對現(xiàn)有儀器進行維護、擴展和升級，從而達到不需購置新設(shè)備卻能滿足教學所需。

3.2 開放式管理，擴大教學規(guī)模。

虛擬儀器實驗室完全能實行開放式的管理，學生通過業(yè)余可進虛擬儀器實驗室進行實驗操作，指導老師通過計算機監(jiān)控學生的實驗過程。這種開放室管理方式既能使實驗室資源充分利用，也能滿足學生求知欲望；既大量節(jié)省了的購置設(shè)備費，也緩解了實驗室的不足問題，無形中提高了實驗室的利用率，也擴大了實踐教學規(guī)模。從學校資財投入方面、教師管理方面、實驗室的利用方面和學生學習方面來說都是完全有利的。

3.3 網(wǎng)絡(luò)化的管理，用技術(shù)提升管理服務(wù)。

隨著科技的發(fā)展，虛擬儀器可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測試系統(tǒng)，也能構(gòu)建比較復雜的測試系統(tǒng)，還能進行過程監(jiān)控及故障診斷。將虛擬儀器技術(shù)與Internet技術(shù)結(jié)合在遠程教育中的運用，這種管理方式深受管理者和師生滿意。

虛擬儀器技術(shù)結(jié)合多媒體、數(shù)字化校園網(wǎng)等計算機技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)代化的教學手段。使用虛擬儀器技術(shù)進行實驗教學能提高同學們實踐動手的興趣、勇于大膽創(chuàng)新能力、降低建設(shè)實驗室成本且能達到很好的教學效果等頗多益處。伴著虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展，虛擬儀器實驗室的使用價值不可估量。

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基金項目：本文系長江職業(yè)學院校級科研項目“基于虛擬儀器技術(shù)的實驗教學改革研究”階段性研究成果（項目編號：2012X002）。