网络环境下的虚拟仪器实验

潘登远

摘 要：基于虚拟仪器实验与计算机模拟实验的不同，进行了实践。

关键词：声学；虚拟专波器；实物乐器

虚拟仪器是利用现有计算机设备，配合独特设计的软件，用以实现普通实验仪器的部分功能同时也能完成一些在普通仪器上无法实现的功能的工具。利用虚拟仪器进行实验是笔者近年在学校网络实验班尝试的一种新的教学手段。

虚拟仪器实验不同于以往所说的多媒体教学（CAI）中的计算机模拟实验，多媒体教学中的这类实验中的一切都是利用计算机软件按照物理规律模拟出来的，属于纯软件性质的模拟，这类实验由于完全建立在软件模拟的基础上，其真实感不强，在长期接触计算机的网络班学生眼中，更是缺乏可信度。而虚拟仪器实验则属于软硬件结合型，其数据的采集虽然通过计算机进行，但数据的来源却是真实的物理状态，计算机在此所起的相当于数据启示录仪和数据处理机的作用。和常见的传感器实验相比，虚拟仪器则具有设备的依赖性低，可移植性强等优点。笔者以初中声学中“音色”的教学为例，对这一方法做一粗浅的介绍，希望能起到抛砖引玉的作用。

在声学的教学中，学生可以很容易地掌握声音的音调、响度这两个概念，但对于大多数未曾受过特别的音乐训练的学生而言，要理解用于描述声音的另一概念——“音色”，就不是那么容易了，当然，课本上有相应的插图，但一则种类太少，二来图片本身是静态的，对于识图能力尚属一般的初中学生而言，插图能起的作用是极其有限的。

要解决这一问题的办法不是没有：利用麦克风获取不同发声体的声音信号，再借助示波器展示波型，这样似乎可以解决问题，但一则示波器的显示面积太小，在讲台上演示能见度很低，教室后方的学生根本无法看清屏幕上的图像；二来，普通声源形成的波形由于泛音很多，要调节示波器的同步非常困难，示波器上的波形图并不稳定；三则示波形不存在存储功能，得到的波形无法保留，在对两种乐器的波形进行比较时，只有依靠人的不太可靠的记忆进行，而用两台示波器同时进行实验时又很难保证声音信号之间互相干扰。当然，还有一个相对而言不太重要的问题是毕业多年的教师本身若非临阵磨枪的练习，是很难保证正确而熟练地操作好示波器的。

至于利用示波器进行分组实验的可能性则接近于零，且不说没有一个学校会配备如此之多的示波器，就算是配备了如此之多的设备，初中学生也无法真正掌握复杂的示波器操作方法，更别说顺利地用它进行实验了。

而在该节的教学中，笔者采用了虚拟示波器、MIDI（电子合成音乐）和实物乐器相结合进行实验的方式进行尝试，取得了较好的效果，以下是主要的操作步骤：

1.通过实物乐器（这些乐器课前通知由学生自备，由于该班级学生有数位校乐队队员，加之该班学生音乐素养较佳，故所带的乐器种类不少，如黑管、长号、口琴、竖笛、吉他、单簧管等，加上教师“赞助”的部分乐器，可谓五花八门）获得声音信号。

2.利用学生教室配备的耳麦（学生为一人一机且每机均配备耳麦）将声音信号转成电信号，通过声卡的MIC输入口将得到的声信号转换成电信号输入计算机。

3.开启虚拟示波器软件，即时获得声音的波形，利用该软件的截图功能截取各种乐器的声音波形图。（截取不同乐器演奏同一音的波形、同一乐器演奏不同音的波形、同一乐器用不同音量演奏同一音的波形等。由于软件操作简单，学生可在短时间内掌握其基本功能），以下是几组学生在实验过程中保留下来的波形图。（出于印刷效果考虑，图片做过色彩反转处理，原背景为黑色）

4.利用MIDI音乐制作软件模拟不同乐器演奏同一乐曲，学生边欣赏边分辨乐器的种类，对不同乐器的音色形成感性认识。

5.利用虚拟示波器软件观察MIDI音乐中不同乐器的声音波形，并与之前获得的同型实物乐器的音色进行比较，看其中的异同。

通过该节课的教学，笔者觉得这一实验方法的优点主要有以下几个方面：（1）能见度较之讲台上的演示要高得多；（2）可重复性好；（3）动态实验较之静态图片更具直观性；（4）充分利用了网络班现有设备，无需耗费巨资购置仪器，新虚拟仪器的添加只占计算机存储空间，无需浪费学校人力资源进行管理；（5）较之生硬的插图，动手实验有利于学生兴趣的养成；（6）有利于学生形成“物理就在我身边”的感觉（笔者为此特地请任教的音乐教师一起上了一节音乐与物理相结合的课）。在课堂上，笔者充分感受到了学生探索的热情和获取知识的满足与愉悦，学生学得愉快，教师也自然乐在其中。

在该节的教学中，采用此方法进行教学的效果是显而易见的。但笔者撰写本文的目的并不仅是向同行推荐这一方法。笔者作为国内计算机多媒体教学的早期参与者，经历了多媒体教学从盛到衰的过程。对于形式主义和功利心态在扼杀种种新生教学手段方面的威力深有体会。为文的目的不是要介绍某一节课的上法，而是希望借此传达一个观念，即每一个学校，甚至每一名教师，教学的基本目的虽然相似，但身处的教学环境各不相同，教学的实际方法和手段就应千变万化，不囿于常规，为人师者应根据环境的变化而调整或创造出最适合自己、也最适合教学环境的教法，而不受限于教师本人求学期间所接受和掌握的大众化的教学模式。“登高而招，臂非加长也，而见者远；顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰”，教学也是如此，要提高教学效率，取得最佳的教学效果，同样要做到“善假于物”。

（另，笔者使用的是“虚拟仪器0.94”，网上相似的示波器及其使用说明很多，用关键词“虚拟示波器+使用说明”即可找到，限于篇幅，这里不再赘述。）

（作者单位 福建厦门集美中学）

摘 要：基于虚拟仪器实验与计算机模拟实验的不同，进行了实践。

关键词：声学；虚拟专波器；实物乐器

虚拟仪器是利用现有计算机设备，配合独特设计的软件，用以实现普通实验仪器的部分功能同时也能完成一些在普通仪器上无法实现的功能的工具。利用虚拟仪器进行实验是笔者近年在学校网络实验班尝试的一种新的教学手段。

虚拟仪器实验不同于以往所说的多媒体教学（CAI）中的计算机模拟实验，多媒体教学中的这类实验中的一切都是利用计算机软件按照物理规律模拟出来的，属于纯软件性质的模拟，这类实验由于完全建立在软件模拟的基础上，其真实感不强，在长期接触计算机的网络班学生眼中，更是缺乏可信度。而虚拟仪器实验则属于软硬件结合型，其数据的采集虽然通过计算机进行，但数据的来源却是真实的物理状态，计算机在此所起的相当于数据启示录仪和数据处理机的作用。和常见的传感器实验相比，虚拟仪器则具有设备的依赖性低，可移植性强等优点。笔者以初中声学中“音色”的教学为例，对这一方法做一粗浅的介绍，希望能起到抛砖引玉的作用。

在声学的教学中，学生可以很容易地掌握声音的音调、响度这两个概念，但对于大多数未曾受过特别的音乐训练的学生而言，要理解用于描述声音的另一概念——“音色”，就不是那么容易了，当然，课本上有相应的插图，但一则种类太少，二来图片本身是静态的，对于识图能力尚属一般的初中学生而言，插图能起的作用是极其有限的。

要解决这一问题的办法不是没有：利用麦克风获取不同发声体的声音信号，再借助示波器展示波型，这样似乎可以解决问题，但一则示波器的显示面积太小，在讲台上演示能见度很低，教室后方的学生根本无法看清屏幕上的图像；二来，普通声源形成的波形由于泛音很多，要调节示波器的同步非常困难，示波器上的波形图并不稳定；三则示波形不存在存储功能，得到的波形无法保留，在对两种乐器的波形进行比较时，只有依靠人的不太可靠的记忆进行，而用两台示波器同时进行实验时又很难保证声音信号之间互相干扰。当然，还有一个相对而言不太重要的问题是毕业多年的教师本身若非临阵磨枪的练习，是很难保证正确而熟练地操作好示波器的。

至于利用示波器进行分组实验的可能性则接近于零，且不说没有一个学校会配备如此之多的示波器，就算是配备了如此之多的设备，初中学生也无法真正掌握复杂的示波器操作方法，更别说顺利地用它进行实验了。

而在该节的教学中，笔者采用了虚拟示波器、MIDI（电子合成音乐）和实物乐器相结合进行实验的方式进行尝试，取得了较好的效果，以下是主要的操作步骤：

1.通过实物乐器（这些乐器课前通知由学生自备，由于该班级学生有数位校乐队队员，加之该班学生音乐素养较佳，故所带的乐器种类不少，如黑管、长号、口琴、竖笛、吉他、单簧管等，加上教师“赞助”的部分乐器，可谓五花八门）获得声音信号。

2.利用学生教室配备的耳麦（学生为一人一机且每机均配备耳麦）将声音信号转成电信号，通过声卡的MIC输入口将得到的声信号转换成电信号输入计算机。

3.开启虚拟示波器软件，即时获得声音的波形，利用该软件的截图功能截取各种乐器的声音波形图。（截取不同乐器演奏同一音的波形、同一乐器演奏不同音的波形、同一乐器用不同音量演奏同一音的波形等。由于软件操作简单，学生可在短时间内掌握其基本功能），以下是几组学生在实验过程中保留下来的波形图。（出于印刷效果考虑，图片做过色彩反转处理，原背景为黑色）

4.利用MIDI音乐制作软件模拟不同乐器演奏同一乐曲，学生边欣赏边分辨乐器的种类，对不同乐器的音色形成感性认识。

5.利用虚拟示波器软件观察MIDI音乐中不同乐器的声音波形，并与之前获得的同型实物乐器的音色进行比较，看其中的异同。

通过该节课的教学，笔者觉得这一实验方法的优点主要有以下几个方面：（1）能见度较之讲台上的演示要高得多；（2）可重复性好；（3）动态实验较之静态图片更具直观性；（4）充分利用了网络班现有设备，无需耗费巨资购置仪器，新虚拟仪器的添加只占计算机存储空间，无需浪费学校人力资源进行管理；（5）较之生硬的插图，动手实验有利于学生兴趣的养成；（6）有利于学生形成“物理就在我身边”的感觉（笔者为此特地请任教的音乐教师一起上了一节音乐与物理相结合的课）。在课堂上，笔者充分感受到了学生探索的热情和获取知识的满足与愉悦，学生学得愉快，教师也自然乐在其中。

在该节的教学中，采用此方法进行教学的效果是显而易见的。但笔者撰写本文的目的并不仅是向同行推荐这一方法。笔者作为国内计算机多媒体教学的早期参与者，经历了多媒体教学从盛到衰的过程。对于形式主义和功利心态在扼杀种种新生教学手段方面的威力深有体会。为文的目的不是要介绍某一节课的上法，而是希望借此传达一个观念，即每一个学校，甚至每一名教师，教学的基本目的虽然相似，但身处的教学环境各不相同，教学的实际方法和手段就应千变万化，不囿于常规，为人师者应根据环境的变化而调整或创造出最适合自己、也最适合教学环境的教法，而不受限于教师本人求学期间所接受和掌握的大众化的教学模式。“登高而招，臂非加长也，而见者远；顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰”，教学也是如此，要提高教学效率，取得最佳的教学效果，同样要做到“善假于物”。

（另，笔者使用的是“虚拟仪器0.94”，网上相似的示波器及其使用说明很多，用关键词“虚拟示波器+使用说明”即可找到，限于篇幅，这里不再赘述。）

（作者单位 福建厦门集美中学）

摘 要：基于虚拟仪器实验与计算机模拟实验的不同，进行了实践。

关键词：声学；虚拟专波器；实物乐器

虚拟仪器是利用现有计算机设备，配合独特设计的软件，用以实现普通实验仪器的部分功能同时也能完成一些在普通仪器上无法实现的功能的工具。利用虚拟仪器进行实验是笔者近年在学校网络实验班尝试的一种新的教学手段。

虚拟仪器实验不同于以往所说的多媒体教学（CAI）中的计算机模拟实验，多媒体教学中的这类实验中的一切都是利用计算机软件按照物理规律模拟出来的，属于纯软件性质的模拟，这类实验由于完全建立在软件模拟的基础上，其真实感不强，在长期接触计算机的网络班学生眼中，更是缺乏可信度。而虚拟仪器实验则属于软硬件结合型，其数据的采集虽然通过计算机进行，但数据的来源却是真实的物理状态，计算机在此所起的相当于数据启示录仪和数据处理机的作用。和常见的传感器实验相比，虚拟仪器则具有设备的依赖性低，可移植性强等优点。笔者以初中声学中“音色”的教学为例，对这一方法做一粗浅的介绍，希望能起到抛砖引玉的作用。

在声学的教学中，学生可以很容易地掌握声音的音调、响度这两个概念，但对于大多数未曾受过特别的音乐训练的学生而言，要理解用于描述声音的另一概念——“音色”，就不是那么容易了，当然，课本上有相应的插图，但一则种类太少，二来图片本身是静态的，对于识图能力尚属一般的初中学生而言，插图能起的作用是极其有限的。

要解决这一问题的办法不是没有：利用麦克风获取不同发声体的声音信号，再借助示波器展示波型，这样似乎可以解决问题，但一则示波器的显示面积太小，在讲台上演示能见度很低，教室后方的学生根本无法看清屏幕上的图像；二来，普通声源形成的波形由于泛音很多，要调节示波器的同步非常困难，示波器上的波形图并不稳定；三则示波形不存在存储功能，得到的波形无法保留，在对两种乐器的波形进行比较时，只有依靠人的不太可靠的记忆进行，而用两台示波器同时进行实验时又很难保证声音信号之间互相干扰。当然，还有一个相对而言不太重要的问题是毕业多年的教师本身若非临阵磨枪的练习，是很难保证正确而熟练地操作好示波器的。

至于利用示波器进行分组实验的可能性则接近于零，且不说没有一个学校会配备如此之多的示波器，就算是配备了如此之多的设备，初中学生也无法真正掌握复杂的示波器操作方法，更别说顺利地用它进行实验了。

而在该节的教学中，笔者采用了虚拟示波器、MIDI（电子合成音乐）和实物乐器相结合进行实验的方式进行尝试，取得了较好的效果，以下是主要的操作步骤：

1.通过实物乐器（这些乐器课前通知由学生自备，由于该班级学生有数位校乐队队员，加之该班学生音乐素养较佳，故所带的乐器种类不少，如黑管、长号、口琴、竖笛、吉他、单簧管等，加上教师“赞助”的部分乐器，可谓五花八门）获得声音信号。

2.利用学生教室配备的耳麦（学生为一人一机且每机均配备耳麦）将声音信号转成电信号，通过声卡的MIC输入口将得到的声信号转换成电信号输入计算机。

3.开启虚拟示波器软件，即时获得声音的波形，利用该软件的截图功能截取各种乐器的声音波形图。（截取不同乐器演奏同一音的波形、同一乐器演奏不同音的波形、同一乐器用不同音量演奏同一音的波形等。由于软件操作简单，学生可在短时间内掌握其基本功能），以下是几组学生在实验过程中保留下来的波形图。（出于印刷效果考虑，图片做过色彩反转处理，原背景为黑色）

4.利用MIDI音乐制作软件模拟不同乐器演奏同一乐曲，学生边欣赏边分辨乐器的种类，对不同乐器的音色形成感性认识。

5.利用虚拟示波器软件观察MIDI音乐中不同乐器的声音波形，并与之前获得的同型实物乐器的音色进行比较，看其中的异同。

通过该节课的教学，笔者觉得这一实验方法的优点主要有以下几个方面：（1）能见度较之讲台上的演示要高得多；（2）可重复性好；（3）动态实验较之静态图片更具直观性；（4）充分利用了网络班现有设备，无需耗费巨资购置仪器，新虚拟仪器的添加只占计算机存储空间，无需浪费学校人力资源进行管理；（5）较之生硬的插图，动手实验有利于学生兴趣的养成；（6）有利于学生形成“物理就在我身边”的感觉（笔者为此特地请任教的音乐教师一起上了一节音乐与物理相结合的课）。在课堂上，笔者充分感受到了学生探索的热情和获取知识的满足与愉悦，学生学得愉快，教师也自然乐在其中。

在该节的教学中，采用此方法进行教学的效果是显而易见的。但笔者撰写本文的目的并不仅是向同行推荐这一方法。笔者作为国内计算机多媒体教学的早期参与者，经历了多媒体教学从盛到衰的过程。对于形式主义和功利心态在扼杀种种新生教学手段方面的威力深有体会。为文的目的不是要介绍某一节课的上法，而是希望借此传达一个观念，即每一个学校，甚至每一名教师，教学的基本目的虽然相似，但身处的教学环境各不相同，教学的实际方法和手段就应千变万化，不囿于常规，为人师者应根据环境的变化而调整或创造出最适合自己、也最适合教学环境的教法，而不受限于教师本人求学期间所接受和掌握的大众化的教学模式。“登高而招，臂非加长也，而见者远；顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰”，教学也是如此，要提高教学效率，取得最佳的教学效果，同样要做到“善假于物”。

（另，笔者使用的是“虚拟仪器0.94”，网上相似的示波器及其使用说明很多，用关键词“虚拟示波器+使用说明”即可找到，限于篇幅，这里不再赘述。）

（作者单位 福建厦门集美中学）