虛擬儀器在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

相比傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有開(kāi)放性、靈活性并可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展、能夠?qū)崟r(shí)升級(jí)、價(jià)格低、利用率高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

一、虛擬儀器簡(jiǎn)介

20世紀(jì)80年代末期，美國(guó)成功研制出了虛擬儀器，其發(fā)展也標(biāo)志著電子測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)儀器領(lǐng)域的革新。虛擬儀器英文全稱為Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI，指的是在計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過(guò)用戶定義、設(shè)計(jì)出的一種具有測(cè)試功能和虛擬版面的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。通過(guò)運(yùn)用PC計(jì)算機(jī)的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，用其他方式代表輸出的檢測(cè)結(jié)果，從而完成各項(xiàng)檢測(cè)功能的一種計(jì)算模擬儀器系統(tǒng)。

其中虛擬具體包括兩層意思：第一層意思是指虛擬儀器的功能是由軟件編程實(shí)現(xiàn)。在硬件平臺(tái)中，以計(jì)算機(jī)為核心組成的平臺(tái)支持下，運(yùn)用軟件編程或軟件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能，體現(xiàn)著計(jì)算機(jī)與測(cè)試技術(shù)深入的結(jié)合。第二層意思是指虛擬儀器的面板是虛擬構(gòu)成的。與傳統(tǒng)的虛擬儀器不同的是，其虛擬儀器的面板控件是實(shí)物和外形相似的圖標(biāo)，代表“放大”、“通”、“斷”等等的圖標(biāo)相對(duì)應(yīng)的軟件程序。使用者只要通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊面板中的控件就能進(jìn)行操作，而不是由“觸摸”、“手動(dòng)”來(lái)進(jìn)行操作。

二、虛擬儀器應(yīng)用于測(cè)控教學(xué)的必要性

我國(guó)高等學(xué)校工科一般普遍開(kāi)設(shè)例如《控制工程》、《工程測(cè)試技術(shù)》等專業(yè)基礎(chǔ)課，這些課程綜合和汲取了各學(xué)科的新發(fā)展、新成就，是一門綜合性極強(qiáng)的學(xué)科，同時(shí)它對(duì)新發(fā)展的技術(shù)有較高的要求，敏銳度較高，這樣以來(lái)對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)也就提出了一些新要求。第一，學(xué)生應(yīng)明確建立頻譜的結(jié)構(gòu)概念，掌握數(shù)字分析、頻譜分析等相關(guān)概念與基本原理。第二，學(xué)生要能夠掌握并準(zhǔn)確運(yùn)用各種測(cè)試裝置，明確他們的基礎(chǔ)特性、使用方法、測(cè)試評(píng)價(jià)方法等。第三，工科學(xué)生應(yīng)了解各種常用傳感器、記錄儀器、信號(hào)調(diào)理電路等儀器設(shè)備的性能與工作原理，會(huì)選用并恰當(dāng)使用，掌握一二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和必要的測(cè)定方法。第四，學(xué)生需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)試工作的完整流程及其先關(guān)概念，能夠運(yùn)用并完成機(jī)械工程中參量的測(cè)量與記錄。

通過(guò)以上的此類專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的課程內(nèi)容與要求中可以看出，這些課最大的特征就是有極強(qiáng)的實(shí)踐性要求，具體內(nèi)容也是較為抽象的，學(xué)生需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)與演示去理解課程內(nèi)容，這樣才有利于學(xué)生更好的理解和掌握基本的原理和概念，才能提高后期實(shí)踐動(dòng)手的能力。這樣以來(lái)，我們?cè)谡n堂中就需要有虛擬儀器來(lái)幫助教學(xué)，它在此類學(xué)科教學(xué)中無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

三、虛擬儀器在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

前文我們已經(jīng)提到，在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)等工程的課程教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)原來(lái)的理解和掌握，上課除了必須得多媒體設(shè)備外還需要一些硬件的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，因?yàn)檫@樣才能使得原本抽象性極強(qiáng)的課程變得更容易理解，讓學(xué)生更容易掌握，然而一般課堂將大量的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)置在課堂中是非常不現(xiàn)實(shí)的。為了滿足課程教學(xué)的現(xiàn)實(shí)需要，也能夠滿足現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件，我們可以采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助所需要掌握的原理與概念，它以軟件的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)代替了大量的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以將信號(hào)產(chǎn)生到分析、處理、存儲(chǔ)通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上就是通過(guò)虛擬的儀器來(lái)模擬真實(shí)設(shè)備的過(guò)程。學(xué)生使用也非常方便，它可以根據(jù)上課內(nèi)容與課程要求的變化隨時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與方案，增減實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生也可以自己將編好的程序輸入電腦來(lái)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，靈活度非常高，同時(shí)它的操作界面美觀且便于操作，也進(jìn)一步提高了學(xué)生的興趣及動(dòng)手能力。

四、虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

“實(shí)踐出真知”，任何知識(shí)只有學(xué)以致用，將書本中得理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，在實(shí)際操作中得到應(yīng)用才是最終學(xué)習(xí)的目的，前文我們所提及的驗(yàn)證性試驗(yàn)是為了滿足課堂教學(xué)實(shí)際而采用模擬的方法來(lái)驗(yàn)證所學(xué)理論的正確性及一定程度上得操作，它僅是一種教學(xué)手段而不能代替真正的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，事實(shí)上，只有將軟硬件更好地結(jié)合起來(lái)的這種實(shí)證教學(xué)是教學(xué)的關(guān)鍵所在。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中得實(shí)驗(yàn)中需要軟硬件相結(jié)合，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)各種硬件儀器與設(shè)備，以此來(lái)了解與掌握儀器連接、操作方法以及各種數(shù)據(jù)的采集方法。然而在實(shí)際教學(xué)中卻越到了現(xiàn)實(shí)的瓶頸，工科專業(yè)為了保證各種實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，就必須購(gòu)進(jìn)各種價(jià)格不菲的儀器設(shè)備，而且因?yàn)楝F(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，儀器設(shè)備更新速度非常快，這樣以來(lái)學(xué)校要保證正常的教學(xué)就必須考慮購(gòu)置新設(shè)備，就出現(xiàn)了新舊設(shè)備交替、舊設(shè)備淘汰、教育資源配置等等一系列問(wèn)題。如果我們將虛擬儀器設(shè)備也引入了實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中就可以很好的解決這些矛盾，我們可以將學(xué)?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)設(shè)備與虛擬軟件結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)新一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，在具體教學(xué)中采用虛擬儀器、實(shí)測(cè)信號(hào)、數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式不僅可以節(jié)省了支出，將各種資源平衡運(yùn)用，同時(shí)也可以提高學(xué)生興趣與動(dòng)手能力以及實(shí)際分析與解決操作問(wèn)題的能力。

以機(jī)械傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，在虛擬儀器的幫助下，實(shí)驗(yàn)傳動(dòng)部分可以隨意更換硬件模塊，學(xué)生可以根據(jù)課程內(nèi)容要求自主設(shè)計(jì)不同的傳動(dòng)方案，例如可以將單片機(jī)設(shè)計(jì)為下位機(jī)，而上位機(jī)則可以采用虛擬軟件LabVIEW來(lái)配合，單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡收集起來(lái)，上位機(jī)接受這些數(shù)據(jù)并利用虛擬儀器軟件LabVIEW來(lái)處理數(shù)據(jù)、顯示波形、存儲(chǔ)及生成報(bào)表，同時(shí)還可以完成對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷進(jìn)行控制。此軟件還有一個(gè)最大的特點(diǎn)是虛擬軟件的替換性與通用性，具有非常高的靈活性，軟件采用了組建模塊化的設(shè)計(jì)，將各個(gè)組件與虛擬儀器設(shè)備相結(jié)合，基本及常用功能驚醒模塊設(shè)計(jì)，做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求而靈活地調(diào)用這些模塊，使得實(shí)驗(yàn)變的非常方便。如果有學(xué)生有能力自己開(kāi)發(fā)組件來(lái)擴(kuò)充系統(tǒng)功能，也是值得鼓勵(lì)的，這樣可以提高的學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)際的能力，而不只是原來(lái)按指導(dǎo)書上的要求去機(jī)械地去做實(shí)驗(yàn)了。

還一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是隨著我國(guó)教育教學(xué)條件的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作已經(jīng)成為了目前的新趨勢(shì)，LabVIEW很好地順應(yīng)了這一形勢(shì)。值得一提的是LabVIEW為了滿足不同應(yīng)用、不能層次的需要而提供了多種網(wǎng)絡(luò)通信途徑供用戶自行選擇，通過(guò)其中的Remote Paner功能可以利用Web，使得用戶可以不需要編程即能夠在遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)上連接本地面板并操作此服務(wù)器上的軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，還可以通過(guò)LabVIEW或者瀏覽器直接進(jìn)行控制。這樣非常使得學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)變得非常的便利，學(xué)生可以不去實(shí)驗(yàn)室即可完成實(shí)驗(yàn)操作，他們只需要在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，方便了教與學(xué)，也實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的真正共享。

五、結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)當(dāng)前新的教學(xué)要求與教學(xué)形勢(shì)，為了適應(yīng)期需求就要求我們不斷摸索新的教學(xué)手段和教學(xué)方法，虛擬儀器正好為我們?cè)跍y(cè)控教學(xué)中提供了新思路。虛擬儀器不管是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，還是在課堂教學(xué)中都讓我們感受到運(yùn)用高科技教學(xué)方法的創(chuàng)新之路。

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