虛擬儀器在中職藥理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王晉蕊，韓本高

（許昌學(xué)院醫(yī)學(xué)院，河南許昌461000）

虛擬儀器在中職藥理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王晉蕊，韓本高

（許昌學(xué)院醫(yī)學(xué)院，河南許昌461000）

當(dāng)前中職學(xué)校滯后的實驗室建設(shè)和傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式已無法滿足藥理人才培養(yǎng)要求。通過對當(dāng)前中職學(xué)校實驗教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查研究，嘗試將虛擬儀器應(yīng)用于藥理實驗教學(xué)中，構(gòu)建基于虛擬儀器的生理信號模擬與采集系統(tǒng)。實踐證明，將虛擬儀器應(yīng)用于實驗教學(xué)中可以提高實驗教學(xué)質(zhì)量，對培養(yǎng)中職生實踐和創(chuàng)新能力起到積極作用。

虛擬儀器；藥理；實驗教學(xué)

創(chuàng)新精神和實踐能力是中職教育競爭的核心。實驗是一種重要的教學(xué)手段。通過實驗，既可寓教于樂，又可提高學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力，加深其對所學(xué)知識的理解。所以，改革實驗教學(xué)方法、提高實驗教學(xué)質(zhì)量顯得尤為重要。然而，由于資金匱乏等原因，各中職學(xué)校藥理實驗室建設(shè)相對落后。滯后的實驗條件和死板的教學(xué)模式嚴(yán)重制約了實驗教學(xué)發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量提高，改革傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式迫在眉睫[1]。虛擬儀器是解決這一問題的有效途徑[2～4]。利用軟件來打造屬于學(xué)生個人的特色實驗室，可為不同的實驗教學(xué)提供個性化解決方案，實現(xiàn)一個平臺多種應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力以及實踐能力。另外，利用LabVIEW可視化技術(shù)建立直觀的人機界面，可對學(xué)生開展形象直觀的教學(xué)，使實驗過程變得有趣，獲得最佳實驗教學(xué)效果。

1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)與特點

虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)[5]如圖1所示，主要由計算機、虛擬儀器軟件（LabVIEW）、輸入輸出（I/O板卡）設(shè)備組成。利用計算機強大的圖形和數(shù)據(jù)處理功能，構(gòu)建自定義虛擬儀器面板，以軟件（VI）代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對分析儀器的控制、數(shù)據(jù)分析處理和顯示輸出功能。

圖1 虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)

虛擬儀器功能的實現(xiàn)主要依賴于軟件設(shè)計[5]，可由用戶自定義，徹底顛覆了傳統(tǒng)儀器功能由廠家定義的模式。只需要少量的附加硬件（如數(shù)據(jù)采集卡），用戶就可以動手自定義儀器功能，增加其適應(yīng)性，進(jìn)而延長其生命周期，同時降低設(shè)備維護(hù)成本。虛擬儀器的特點[6]主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）針對性強，系統(tǒng)成本低。利用軟件即儀器的思想及通用硬件，可構(gòu)造多種具有針對性的測試分析儀器，系統(tǒng)功能具有靈活、高效、開放、低成本特點。還可通過計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)虛擬儀器分布式共享，充分發(fā)揮儀器的使用價值，避免重復(fù)建設(shè)。

（2）可操作性強，運用靈活。計算機具有較強的圖形、數(shù)據(jù)處理能力，儀器面板可由用戶自定義，方便直觀，易于操作。測試分析結(jié)果可打印或通過網(wǎng)絡(luò)共享，從而提高了實驗平臺信息化程度，使儀器操作變得簡易、有趣。

（3）技術(shù)更新速度快。虛擬儀器的核心是軟件。用戶可根據(jù)實際需求，將信號處理算法、人工智能等新技術(shù)、新思想應(yīng)用于軟件設(shè)計，使虛擬儀器的功能水平處于領(lǐng)先地位。

2 虛擬儀器在中職藥理實驗教學(xué)中的應(yīng)用分析

2.1 當(dāng)前中職藥理實驗教學(xué)存在問題分析

（1）教學(xué)模式陳舊，創(chuàng)新源動力不足。中職醫(yī)藥類學(xué)校實驗教學(xué)仍沿用傳統(tǒng)模式，實驗課程設(shè)計局限于簡單的理論驗證和實驗?zāi)７?，無法激起學(xué)生興趣、發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新能力、調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。

（2）實驗室建設(shè)落后，重復(fù)建設(shè)多。中職學(xué)校辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，辦學(xué)經(jīng)費嚴(yán)重不足，加上實驗設(shè)備價格高、更新速度快，導(dǎo)致實驗設(shè)備更新嚴(yán)重滯后于學(xué)科發(fā)展水平。因此，實驗教學(xué)出現(xiàn)了很多問題，如有些實驗因無法配齊所需儀器，實驗課由學(xué)生做、教師看，變成了教師做、學(xué)生看，實驗課形同虛設(shè)；有些實驗設(shè)備隨著科技發(fā)展已被淘汰，但由于缺乏經(jīng)費而無法采購。另外，學(xué)校對實驗教學(xué)重視不足，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃管理，導(dǎo)致實驗室重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象屢見不鮮。

（3）學(xué)生基礎(chǔ)差，實驗操作困難多。多數(shù)藥理實驗涉及各類電子儀器的使用，如示波器、鎖相放大器等。中職生由于知識水平局限，操作實驗設(shè)備困難重重。學(xué)生將主要精力集中在儀器操作上，而不是藥理實驗現(xiàn)象觀察、分析上，導(dǎo)致實驗效果不佳。

2.2 在藥理實驗教學(xué)中引入虛擬儀器的意義

（1）通過自定義虛擬實驗平臺，革新實驗教學(xué)模式，引入創(chuàng)新動力。虛擬儀器以儀器=AD/DA+CPU+軟件的模式打造全新的個人實驗分析處理系統(tǒng)，從而形成滿足不同實驗需求的統(tǒng)一方案。通過學(xué)生動手自定義虛擬實驗平臺，可提高學(xué)生對整個實驗過程的理解和認(rèn)知，開發(fā)學(xué)生綜合思維能力。通過對實驗過程的設(shè)計，可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。

（2）降低實驗成本，提高實驗效率，優(yōu)化資源利用?；谔摂M儀器的實驗平臺盡可能使用通用硬件，各種儀器的差異主要在于軟件方面，這樣可充分發(fā)揮計算機強大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能，創(chuàng)造出功能更強的儀器。在藥理實驗室中，可通過虛擬儀器替代或拓展分析測量儀器設(shè)備的大部分功能，組建虛擬儀器實驗平臺。學(xué)生只需購置新的板卡或設(shè)計新的軟件，就能形成新的儀器設(shè)備。這樣增加了實驗設(shè)備中軟件部分的工作量，使儀器功能的開發(fā)主要取決于軟件的設(shè)計周期，可縮短實驗設(shè)備更新周期，降低實驗設(shè)備更新維護(hù)成本。通過儀器網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)，充分利用校外資源，這對于中職師資建設(shè)和實驗室硬件建設(shè)都具有很大的實際意義[7]。

（3）圖形化開發(fā)環(huán)境，方便學(xué)生理解掌握。虛擬儀器常用的開發(fā)環(huán)境是LabVIEW，又稱為G語言，它盡可能利用人們所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，是一種圖形化的編程語言。這種語言是以流程圖或框圖的形式開發(fā)虛擬儀器，開發(fā)過程簡單而又充滿樂趣。LabVIEW提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，使學(xué)生可以像搭積木一樣，根據(jù)不同實驗需要在計算機上構(gòu)建現(xiàn)代測試測量平臺。

3 虛擬儀器在藥理實驗教學(xué)中的應(yīng)用實例

藥理實驗中經(jīng)常涉及生理信號檢測分析，這一過程涉及電子技術(shù)、計算機技術(shù)與信號采集處理等多種基礎(chǔ)理論知識，學(xué)生理解困難。我們利用NI-PCI 6221數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合Lab－VIEW軟件編程，構(gòu)建一個生理信號模擬與采集系統(tǒng)，具體過程如下。

美國麻省理工學(xué)院提供的研究心律失常的數(shù)據(jù)庫MITBIH中有大量免費的人體生理數(shù)據(jù)[8，9]。如圖2所示，通過LabVIEW編程讀取并解碼這些數(shù)據(jù)文件，可直接在波形圖表中模擬顯示多種人體生理信號。如果將數(shù)據(jù)通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡（NI-PCI 6221 DAQ卡）進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，即可模擬產(chǎn)生腦電、心電、呼吸、肌電、血壓、體溫等多種人體生理電信號。產(chǎn)生的人體生理電信號可再次通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，進(jìn)入計算機后供學(xué)生分析處理，進(jìn)一步加深學(xué)生對人體生理電信號獲取分析過程的理解。圖3即根據(jù)MIT-BIH數(shù)據(jù)庫模擬輸出的心電信號。

圖2 基于虛擬儀器構(gòu)建的生理信號模擬與采集系統(tǒng)框圖

圖3 模擬心電信號

這套實驗系統(tǒng)具有以下特點：

（1）實驗成本低、效率高、通用性強。這套人體生理信號模擬與采集系統(tǒng)的硬件由一塊同時具有A/D和D/A功能的數(shù)據(jù)采集卡（NI-PCI 6221）和一臺通用計算機組成。數(shù)據(jù)采集卡的價格大約在幾千元，而電腦現(xiàn)已普及，學(xué)生可利用自己的電腦來完成，成本低且具有更強的通用性。

（2）實驗過程自定義，利于學(xué)生創(chuàng)新。實驗系統(tǒng)的核心是軟件（由LabVIEW編寫的VI程序），學(xué)生可根據(jù)自己的構(gòu)思獨立完成軟件編程，開發(fā)具有新功能的虛擬儀器。

（3）實驗過程簡單易學(xué)，趣味性強。無論是圖形化編程環(huán)境還是集成化數(shù)據(jù)采集卡都易學(xué)易用，無需豐富的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識便可輕松完成。通過搭積木式的軟件編程，實現(xiàn)寓教于樂。這套系統(tǒng)在實驗教學(xué)中取得了很好的效果，教學(xué)反映良好。

4 小結(jié)

實踐證明，在中職藥理實驗教學(xué)中引入虛擬儀器，不僅能夠降低實驗成本、提高實驗效率，還能使實驗教學(xué)緊跟學(xué)科發(fā)展、與最新科技緊密結(jié)合。這種實驗教學(xué)模式可有效促進(jìn)師生教學(xué)互動，給學(xué)生極大的參與感，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力有很大幫助。隨著時代發(fā)展，中職學(xué)校實驗教學(xué)改革任重而道遠(yuǎn)，中職學(xué)校如何培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才仍需不斷努力探索。

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[2]裘偉延.基于LabVIEW的虛擬儀器和虛擬實驗[J].新技術(shù)應(yīng)用，2002，（5）：17-20.

[3]畢娟.虛擬儀器與多功能實驗室建設(shè)的思考[J].丹東紡專學(xué)報，2003，10（2）：15-17.

[4]劉君華，賈惠芹.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[5]汪敏生.LabVIEW基礎(chǔ)教程[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，2002.

[6][德]施普爾，克勞社.虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[7][美]Robert H.Bishop.LabVIEW 8實用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[8]宋喜國，鄧親愷.MIT-BIH心率失常數(shù)據(jù)庫的識讀及應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2004，21（4）：230-232.

[9]朱澤煌，胡廣書，郭恒.MIT-BIH數(shù)據(jù)庫的開發(fā)及作用檢測標(biāo)準(zhǔn)[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，1993，12（4）：244-249.

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