基于虚拟仪器的电子实验教学研究

2014-02-11田占军

通信电源技术 2014年6期

李翠，田占军

（山东济南职业学院，山东济南250000）

实验教学是电子类课程中必不可少的环节之一，实验仪器作为电子实验的基础工具，直接影响着学生的实验效果。在传统的电子实验中多采用普通仪器来进行实验操作，前期需要采购足够多的仪器仪表，并且在实际操作过程中实验精度也不高，后期更需要花费大量的人力物力来进行维护。而虚拟仪器的使用能大大降低实验成本，并且其实验精度比普通仪器要高很多。利用虚拟仪器进行电子实验教学已经得到我国各大高校的推广。

1 虚拟仪器的特点

1．1 虚拟仪器的性能较高

虚拟仪器技术的开发基础是PC技术，它将PC技术的各项优点尽揽其中，比如说PC技术中的优秀处理器等，这些技术的应用能够使系统毫无压力地高速计算一些复杂数据。

1．2 虚拟仪器的扩展性较强

虚拟仪器技术的应用使得电子实验教学不再拘泥于当前的技术，具有很强的扩展性。因为虚拟仪器的软件运用非常灵活，用户只需要适时更新软件就能够使整个系统得到改进，其中的花费却非常少。

1．3 虚拟仪器的开发时间短

虚拟仪器技术作为一种软件技术，它的开发非常省时。目前普通电子实验仪器的各项功能越来越复杂，为了满足实验的需求，实验操作者通常需要对整个实验过程中所涉及到的各类仪器进行测量，这些工作的完成耗费了大量的时间与精力。而虚拟仪器技术的应用可以很好地解决这个问题，通过使用虚拟仪器进行电子实验，实验操作者可以有效减化实验的复杂性，大大节约了操作时间，使得实验过程更加简便快捷。

1．4 虚拟仪器能够无缝集成

虚拟仪器技术拥有非常好的驱动与应用优化，利用虚拟仪器技术可以非常便捷地将计算机系统以及各类实验仪器无缝结合在一起，让用户深刻体验到极具灵活性的操作感受，多功能性的强大实验内容，对于用户来说非常方便。

2 基于虚拟仪器的电子实验教学的方案

2．1 以RC电路的电子实验教学为例对教学方案进行设计

RC电路是一种基本的电路单元，正确分析与掌握RC电路的充放电特性是理工科学生学习复杂的电子电路的基础。一个利用虚拟仪器来进行电子实验教学的RC电路，能够让学生比较动态地观察到RC电路的充放电全过程，并且可以根据充放电曲线得出RC电路的时间常数。

2．2 传统仪器与虚拟仪器在实验教学中的对比

（1）传统仪器

数据的采集、仪器的控制、信号的处理与结果的表达是传统实验仪器的三大重要特点，而这三大重要特点是以电子线路来达成的，即利用硬件设备来进行实际操作。传统电子实验仪器的功能固定方式是封装所有软件以及测量电路，使其形成一个完整的系统，然后再为用户提供相关实验功能，但其功能也是非常有限的。因此，利用传统的电子实验仪器能够完成的实验种类比较少，具有很大的局限性。而且，在运用传统的实验仪器进行电子实验之前，学生必须先要透彻了解一些常用的实验仪器，深刻掌握其使用方法与测量方法，这是开展实验的关键性前提，对实验的完成至关重要。而即使是这样，传统的电子实验仪器功能毕竟太过单一，精确度也比较低，其实验模式无法得到有效改变；具体来说，用传统的实验仪器来进行电子实验教学的问题在于，教师与学生需要做的工作量都非常大，教师需要对学生进行一一指导，而学生也需要花费更多地精力来做实验准备，其时间消耗比较大，麻烦也比较多。再者，购买传统电子实验仪器所需的花费毕竟比较高，并且实验过程中仪器还很容易遭到损坏，安全无法保证，这些问题都是制约电子实验教学的一些重要因素，若不能得到有效解决，则会严重影响教学效果。

（2）虚拟仪器

虚拟仪器比起普通电子实验仪器来说，其多数功能可以不必再以传统的电子线路硬件来实现。比如说，虚拟仪器能够以计算机软件作为媒介来完成传统仪器中的信号处理及结果表达，以及实现其对仪器的控制功能。硬件与软件是组成每一个虚拟仪器系统的两大部分。首先来说硬件部分，虚拟仪器的硬件部分简单来说就是由计算机系统与相关电子仪器组成的一种模块系统，例如VMP综合电子测试系统以及ARM嵌入实验系统等都是操作很简单的模块系统，并且其配置的灵活性也非常高，最重要的是其性价比也很高，是非常值得用户选择的系统。虚拟仪器是通过相关软件在计算机屏幕上生成各种实验仪器，然后让用户进行虚拟仪器使用。在基于虚拟仪器的电子实验教学当中，教师和学生可以共同配合，利用虚拟仪器中的网络技术与模拟仿真技术完成各种类型的电子实验。其具体教学优势在于以下几点：

a．虚拟仪器能够做比较复杂的综合性电子实验，将其与网络设施结合应用，能够加快新型电子实验的实施。新型电子实验在未来的发展不可限量，它具体指的是一种将虚拟仪器技术与网络技术结合在一起共同协作的电子实验。新型电子实验是运用相关教学软件进行辅助，通过数据采集卡把电子实验中所得到的各项数据导入到计算机内部，然后再以虚拟仪器进行详细分析与测量，最终通过网络设施来给学生演示。

b．虚拟仪器内部都有相应的TCP／IP网络接口进行网络连接，可以组成一个专门利用虚拟仪器进行实验操作的网络电子实验室，以此来方便学生在课后搭建各自的实验系统，让学生能够充分自主地设计各种课程实验，并进行综合性实验的操作。

c．教师可以在虚拟仪器的网络电子实验室中设计许多教学模块，对各种虚拟仪器的工作原理进行深入讲解，并将其相应的操作方法进行详细介绍，从而让学生全面掌握与了解各项虚拟仪器的具体特性，为学习实际实验操作打下良好的基础。

d．利用虚拟仪器技术可以为学生建立起一个虚拟仿真电子实验室。在虚拟仿真电子实验室中，学生可以对一些电子规律进行仿真实验操作研究，以此来代替一部分实际的电子实验项目。

e．以虚拟仪器进行电子实验教学既能够节约成本，又能够提高教学质量与效率，可谓一举多得。电子实验的教学要把培养学生的综合能力与综合素质放在首要位置，这是进行实验教学的根本目的。普通的电子实验仪器以及其相关教学方法都较为陈旧落后，已不能适应当前的教学环境，这在很大程度上对学生的发展造成了制约；如今，学校利用虚拟仪器来进行电子实验教学，不但可以弥补这些不足，并且还能够使得电子实验教学过程更加完善，从而提高教学质量与效率。

2．3 虚拟仪器的改进

当前，利用虚拟仪器进行电子实验教学虽然已经有了一定的成果，但还有许多不足之处，还待相关研究工作者进一步完善。比如，虚拟仪器在其分辨率、测量精度、动态范围以及长期稳定性等方面还需要改善，通过改善其相关的硬件配置使得其分辨率更高、测量精度更准、动态范围更广以及长期稳定性更好等，以使虚拟仪器在电子实验教学中达到更好的教学效果。