浅谈虚拟仪器实验室的建设.doc

浅谈虚拟仪器实验室的建设 内容摘要：现代教育技术和计算机技术的不断发展，使得虚拟实验室技术蓬勃发展起来。虚拟实验室具有传统实验室无可比拟的优点。本文介绍了虚拟仪器系统引入实验教学的必要性和可行性，并以工程力学虚拟实验室的建设为例给出了建立虚拟实验室的方法。 关键字：实验 ；虚拟仪器 ；虚拟实验室 实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于理工类的一些学科，例如物理、化学、机 电、计算机等实践性很强的学科，实验教学环节对学好这些课程更是至关重要。学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得一定的实验能力，并初步具有处理实际问题的能力。因此，充实实验内容，增开综合性实验项目，进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。 随着人类对自然规律探索的深入，现代文明的不断发展，建设现代化的实验室面临着越来越多的挑战。对于以培养面向２１世纪的现代化人才为宗旨的大学教育来说，如何使学生能够掌握现代技术， 如何设计和建设能够兼容过去、立足现代、面向未来的实验室更是值得深入探索和实践。 一、虚拟仪器系统引入实验教学的必要性 众所周知，仪器是实验的基础，要保证综合性实验的开设质量，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果开设综合性实验所需仪器就更多，这么多的仪器不仅价值昂贵、体积大、占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。如何更合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是学校开展实验教育经常需要考虑而又伤脑筋的问题。 由于条件的限制，我国大学的实验室建设一直落后于先进国家，这在一定程度上影响了高素质人才的培养，制约了我国科研和工业生产的快速发展。以往的实验室建设，通常是根据实验室的实验目标和方向，选择相应的专用仪器设备。为了进行必要的数据处理，有时也会选择一些仪器与计算机系统的接口设备，使仪器系统与计算机系统之间具备通信的能力，达到数据共享的目的。不可否认，这样的实验室在科学实验及教学活动中发挥了极为重要的作用。然而，这种建设方法所忽视的是实验室系统的灵活性和开放性，也没有充分利用当前迅速发展着的相关领域的技术和设备。因此，在实验环境和对象不断变化的今天，传统的实验室建设方法已经难以适应，加速大学现代化实验室的建设已经成为当务之急。实验手段和技术的进步，必然促进相关技术的发展。以虚拟仪器设备及技术为基础的现代化实验设备正是这种进步的具体体现。 建设以虚拟仪器设备及技术为基础的现代化实验室并不意味着对传统设备和环境的否定。虚拟仪器系统可以将已有的实验设备中的绝大多数融入新的系统当中，并且充分利用当今流行的现代技术和手段，保证实验系统在相当长的一段时间内不会落后。事实上，建立以虚拟仪器设备及技术为基础的现代化实验室系统，更为关注的应该是它的内在意义，是它的技术思路。设备本身总有过时的时候，包括虚拟仪器本身在内，而正确的技术发展思路可 以使我们的实验室始终处于现代化的行列，为科研和教学提供适应发展的实验手段。 二、虚拟仪器系统引入实验教学的可行性 （一）虚拟仪器系统的基本构成 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的 一种新型的、富有生命力的仪器种类，在虚拟仪器中，计算机处于核心地位，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一 般仪器所没有的特殊功能的高档低价新型仪器。从使用上来说，虚拟仪器利用ＰＣ计算机强大的图形环境，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判 断、显示、存储及数据生成。 虚拟仪器技术的实质是充分利用必威体育精装版的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之 间的任意组合。在这里，硬件仅仅是解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。正因为如此，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件 （如用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件）实现不同的功能。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。因此从某种意义上可以说：软件就是仪器。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。 （二）虚拟仪器在实验教学中的应用 高等院校特别是理工科院校，实验