虚拟仪器在中职药理实验教学中的应用

王晋蕊，韩本高

（许昌学院医学院，河南许昌461000）

虚拟仪器在中职药理实验教学中的应用

王晋蕊，韩本高

（许昌学院医学院，河南许昌461000）

当前中职学校滞后的实验室建设和传统的实验教学模式已无法满足药理人才培养要求。通过对当前中职学校实验教学现状调查研究，尝试将虚拟仪器应用于药理实验教学中，构建基于虚拟仪器的生理信号模拟与采集系统。实践证明，将虚拟仪器应用于实验教学中可以提高实验教学质量，对培养中职生实践和创新能力起到积极作用。

虚拟仪器；药理；实验教学

创新精神和实践能力是中职教育竞争的核心。实验是一种重要的教学手段。通过实验，既可寓教于乐，又可提高学生实践和创新能力，加深其对所学知识的理解。所以，改革实验教学方法、提高实验教学质量显得尤为重要。然而，由于资金匮乏等原因，各中职学校药理实验室建设相对落后。滞后的实验条件和死板的教学模式严重制约了实验教学发展和人才培养质量提高，改革传统实验教学模式迫在眉睫[1]。虚拟仪器是解决这一问题的有效途径[2～4]。利用软件来打造属于学生个人的特色实验室，可为不同的实验教学提供个性化解决方案，实现一个平台多种应用，培养学生创新能力以及实践能力。另外，利用LabVIEW可视化技术建立直观的人机界面，可对学生开展形象直观的教学，使实验过程变得有趣，获得最佳实验教学效果。

1 虚拟仪器的结构与特点

虚拟仪器体系结构[5]如图1所示，主要由计算机、虚拟仪器软件（LabVIEW）、输入输出（I/O板卡）设备组成。利用计算机强大的图形和数据处理功能，构建自定义虚拟仪器面板，以软件（VI）代替传统仪器完成对分析仪器的控制、数据分析处理和显示输出功能。

图1 虚拟仪器体系结构

虚拟仪器功能的实现主要依赖于软件设计[5]，可由用户自定义，彻底颠覆了传统仪器功能由厂家定义的模式。只需要少量的附加硬件（如数据采集卡），用户就可以动手自定义仪器功能，增加其适应性，进而延长其生命周期，同时降低设备维护成本。虚拟仪器的特点[6]主要表现在以下方面。

（1）针对性强，系统成本低。利用软件即仪器的思想及通用硬件，可构造多种具有针对性的测试分析仪器，系统功能具有灵活、高效、开放、低成本特点。还可通过计算机网络互联，实现虚拟仪器分布式共享，充分发挥仪器的使用价值，避免重复建设。

（2）可操作性强，运用灵活。计算机具有较强的图形、数据处理能力，仪器面板可由用户自定义，方便直观，易于操作。测试分析结果可打印或通过网络共享，从而提高了实验平台信息化程度，使仪器操作变得简易、有趣。

（3）技术更新速度快。虚拟仪器的核心是软件。用户可根据实际需求，将信号处理算法、人工智能等新技术、新思想应用于软件设计，使虚拟仪器的功能水平处于领先地位。

2 虚拟仪器在中职药理实验教学中的应用分析

2.1 当前中职药理实验教学存在问题分析

（1）教学模式陈旧，创新源动力不足。中职医药类学校实验教学仍沿用传统模式，实验课程设计局限于简单的理论验证和实验模仿，无法激起学生兴趣、发挥学生创新能力、调动学生的主动性和创造性。

（2）实验室建设落后，重复建设多。中职学校办学规模不断扩大，办学经费严重不足，加上实验设备价格高、更新速度快，导致实验设备更新严重滞后于学科发展水平。因此，实验教学出现了很多问题，如有些实验因无法配齐所需仪器，实验课由学生做、教师看，变成了教师做、学生看，实验课形同虚设；有些实验设备随着科技发展已被淘汰，但由于缺乏经费而无法采购。另外，学校对实验教学重视不足，缺乏统一规划管理，导致实验室重复建设现象屡见不鲜。

（3）学生基础差，实验操作困难多。多数药理实验涉及各类电子仪器的使用，如示波器、锁相放大器等。中职生由于知识水平局限，操作实验设备困难重重。学生将主要精力集中在仪器操作上，而不是药理实验现象观察、分析上，导致实验效果不佳。

2.2 在药理实验教学中引入虚拟仪器的意义

（1）通过自定义虚拟实验平台，革新实验教学模式，引入创新动力。虚拟仪器以仪器=AD/DA+CPU+软件的模式打造全新的个人实验分析处理系统，从而形成满足不同实验需求的统一方案。通过学生动手自定义虚拟实验平台，可提高学生对整个实验过程的理解和认知，开发学生综合思维能力。通过对实验过程的设计，可培养学生的创新能力和动手能力。

（2）降低实验成本，提高实验效率，优化资源利用。基于虚拟仪器的实验平台尽可能使用通用硬件，各种仪器的差异主要在于软件方面，这样可充分发挥计算机强大的图形显示和数据处理功能，创造出功能更强的仪器。在药理实验室中，可通过虚拟仪器替代或拓展分析测量仪器设备的大部分功能，组建虚拟仪器实验平台。学生只需购置新的板卡或设计新的软件，就能形成新的仪器设备。这样增加了实验设备中软件部分的工作量，使仪器功能的开发主要取决于软件的设计周期，可缩短实验设备更新周期，降低实验设备更新维护成本。通过仪器网连接互联网可实现远程教学，充分利用校外资源，这对于中职师资建设和实验室硬件建设都具有很大的实际意义[7]。

（3）图形化开发环境，方便学生理解掌握。虚拟仪器常用的开发环境是LabVIEW，又称为G语言，它尽可能利用人们所熟悉的术语、图标和概念，是一种图形化的编程语言。这种语言是以流程图或框图的形式开发虚拟仪器，开发过程简单而又充满乐趣。LabVIEW提供了很多外观与传统仪器类似的控件，使学生可以像搭积木一样，根据不同实验需要在计算机上构建现代测试测量平台。

3 虚拟仪器在药理实验教学中的应用实例

药理实验中经常涉及生理信号检测分析，这一过程涉及电子技术、计算机技术与信号采集处理等多种基础理论知识，学生理解困难。我们利用NI-PCI 6221数据采集卡结合Lab－VIEW软件编程，构建一个生理信号模拟与采集系统，具体过程如下。

美国麻省理工学院提供的研究心律失常的数据库MITBIH中有大量免费的人体生理数据[8，9]。如图2所示，通过LabVIEW编程读取并解码这些数据文件，可直接在波形图表中模拟显示多种人体生理信号。如果将数据通过DAQ数据采集卡（NI-PCI 6221 DAQ卡）进行数模转换后，即可模拟产生脑电、心电、呼吸、肌电、血压、体温等多种人体生理电信号。产生的人体生理电信号可再次通过数据采集卡进行采集，进入计算机后供学生分析处理，进一步加深学生对人体生理电信号获取分析过程的理解。图3即根据MIT-BIH数据库模拟输出的心电信号。

图2 基于虚拟仪器构建的生理信号模拟与采集系统框图

图3 模拟心电信号

这套实验系统具有以下特点：

（1）实验成本低、效率高、通用性强。这套人体生理信号模拟与采集系统的硬件由一块同时具有A/D和D/A功能的数据采集卡（NI-PCI 6221）和一台通用计算机组成。数据采集卡的价格大约在几千元，而电脑现已普及，学生可利用自己的电脑来完成，成本低且具有更强的通用性。

（2）实验过程自定义，利于学生创新。实验系统的核心是软件（由LabVIEW编写的VI程序），学生可根据自己的构思独立完成软件编程，开发具有新功能的虚拟仪器。

（3）实验过程简单易学，趣味性强。无论是图形化编程环境还是集成化数据采集卡都易学易用，无需丰富的电子技术基础知识便可轻松完成。通过搭积木式的软件编程，实现寓教于乐。这套系统在实验教学中取得了很好的效果，教学反映良好。

4 小结

实践证明，在中职药理实验教学中引入虚拟仪器，不仅能够降低实验成本、提高实验效率，还能使实验教学紧跟学科发展、与最新科技紧密结合。这种实验教学模式可有效促进师生教学互动，给学生极大的参与感，对培养学生的创新能力和动手能力有很大帮助。随着时代发展，中职学校实验教学改革任重而道远，中职学校如何培养更多具有创新能力的高素质人才仍需不断努力探索。

[1]伊妍萍，王健，李天石.LabVIEW在教学测试实验中的应用[J].实验室研究与探索，2002，21（1）：63-64.

[2]裘伟延.基于LabVIEW的虚拟仪器和虚拟实验[J].新技术应用，2002，（5）：17-20.

[3]毕娟.虚拟仪器与多功能实验室建设的思考[J].丹东纺专学报，2003，10（2）：15-17.

[4]刘君华，贾惠芹.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[5]汪敏生.LabVIEW基础教程[M].北京：北京电子工业出版社，2002.

[6][德]施普尔，克劳社.虚拟产品开发技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[7][美]Robert H.Bishop.LabVIEW 8实用教程[M].北京：电子工业出版社，2008.

[8]宋喜国，邓亲恺.MIT-BIH心率失常数据库的识读及应用[J].中国医学物理学杂志，2004，21（4）：230-232.

[9]朱泽煌，胡广书，郭恒.MIT-BIH数据库的开发及作用检测标准[J].中国生物医学工程学报，1993，12（4）：244-249.

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1671－1246（2015）05－0034－02