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第1篇

1．1傳感器

本設(shè)計(jì)采用的傳感器型號(hào)是Vaisala公司生產(chǎn)的氣象變送器WXT520，是一個(gè)輕巧的小型變送器，采用緊湊式包裝，可提供6種氣象參數(shù)。WXT520用于測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣壓、溫度和相對(duì)濕度。傳感器外殼的等級(jí)為IP65/IP66，適合于我國(guó)北方的惡劣天氣。WXT520采用32VDC，并使用可選擇的通信協(xié)議輸出串行數(shù)據(jù):SDI－12、ASCII自動(dòng)和輪詢。有4個(gè)串行接口可供選擇:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配備了一個(gè)安裝用8針M12接頭和一個(gè)維護(hù)用4針M8接頭。

1．2主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器與控制器，具體包括控制器、采集器、通訊模塊、供電電源和存儲(chǔ)模塊等部分。主控器通過嵌入式軟件與供電、采集、通訊、存儲(chǔ)等單元協(xié)調(diào)工作來完成。自動(dòng)氣象站的核心是數(shù)據(jù)采集器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、傳輸、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［4］。采集器電路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的擴(kuò)展性，操作性、支持第三方控制器，包括時(shí)鐘管理、實(shí)時(shí)及周期間隔定時(shí)器、復(fù)位、關(guān)機(jī)、高級(jí)中斷及調(diào)試單元(DBGU)。通訊單元為西門子6GK7型工業(yè)以太網(wǎng)通訊單元，可以做到網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一，可與支持EtherNet/IP的設(shè)備連接，結(jié)合使用Ethernet功能使其具有傳感器監(jiān)控器及控制值備份等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用功能，要想完成任務(wù)下達(dá)命令和數(shù)據(jù)上傳功能需要通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。通訊模塊起到關(guān)鍵作用，所以要求其具備以下功能:①支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有標(biāo)準(zhǔn)RS232串口;②可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，短線1min內(nèi)自動(dòng)撥號(hào)重新連接，防止數(shù)據(jù)的丟失;③接口速率為可選的1200～9600kB/s范圍。存儲(chǔ)單元:因采集數(shù)據(jù)的頻率較短和跟蹤監(jiān)測(cè)的時(shí)間范圍較長(zhǎng)，因此采用存儲(chǔ)容量為閃迪256G固態(tài)硬盤，用于保證存儲(chǔ)容量及數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性和讀取速度，同時(shí)存儲(chǔ)單元可以記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)。防雷單元:由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要全天候連續(xù)工作，所以需要面對(duì)復(fù)雜天氣狀況，因此加裝防雷設(shè)備對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全性尤為關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是雷太LY1－B系列電涌保護(hù)器(一級(jí)防雷器)。供電單元:由于本系統(tǒng)需要在田間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不宜采用城市供電，因此選用了太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電，對(duì)電池的容量要求為在無光線的環(huán)境中可以連續(xù)供電10天。擴(kuò)展單元:新型傳感器需要有相應(yīng)的端口或接口與主控系統(tǒng)相連接，以滿足系統(tǒng)升級(jí)或新添設(shè)備需要。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控器選用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260處理器。該處理器可以采用Linux操作系統(tǒng)，通過嵌入式應(yīng)用控制程序，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境多要素氣象數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲(chǔ)的功能。被采集到的氣象要素基于TCP/IP協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)，采用無線GPRS方式，根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)無線氣象數(shù)據(jù)傳輸，并基于LabVIEW開發(fā)農(nóng)業(yè)氣象信息管理軟件，使氣象信息能夠被讀取。

2．1采集控制設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)采集并對(duì)采集到的氣象要素信號(hào)進(jìn)行處理。采集系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有存儲(chǔ)器，可以進(jìn)行信息清除并對(duì)采集到的各氣象要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，有接口USB實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的備份功能。系統(tǒng)設(shè)有通訊接口RS232/RS485，可以通過該接口與GPRS/CDMA等通訊設(shè)備連接。該系統(tǒng)有時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，通過監(jiān)控中心下達(dá)指令，對(duì)氣象站的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)處理的方法需要設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)主要為定時(shí)掃描各傳感器的數(shù)據(jù)，通過通訊模塊將數(shù)據(jù)的電信號(hào)傳到主控系統(tǒng)中經(jīng)既定程序(LabVIEW)計(jì)算;通過屏幕可以直接讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，針對(duì)特定時(shí)間段的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行有目的的分析，如平均值，不同時(shí)間點(diǎn)的變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)以及不同周、月份、年份的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等［5］。收集數(shù)據(jù)默認(rèn)為溫度、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速及氣壓;當(dāng)增加傳感器時(shí)，在主控系統(tǒng)中重新設(shè)置就可以進(jìn)行增加項(xiàng)目數(shù)據(jù)的收集。各氣象數(shù)據(jù)中氣溫、相對(duì)濕度、雨量、氣壓的數(shù)據(jù)傳感器每10s測(cè)定一次，根據(jù)氣象學(xué)上常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法，通過程序收集到1min內(nèi)每10s的瞬時(shí)氣象數(shù)據(jù)。氣溫、相對(duì)濕度、雨量、氣壓在1min內(nèi)會(huì)收集到6個(gè)數(shù)據(jù)，舍棄一個(gè)最高值和一個(gè)最低值，使用其余的4個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)來計(jì)算算術(shù)平均值，此值為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終在屏幕中實(shí)時(shí)顯示的瞬時(shí)數(shù)值。風(fēng)向、風(fēng)速的監(jiān)測(cè)頻率為1次/min，系統(tǒng)計(jì)算每5min內(nèi)5次測(cè)定值的算數(shù)平均值，此數(shù)據(jù)在LabVIEW程序界面中實(shí)時(shí)顯示。所有測(cè)定的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中均有保存，如統(tǒng)計(jì)部門需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊分析，均可在數(shù)據(jù)庫(kù)中將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。在數(shù)據(jù)庫(kù)中如有異常數(shù)據(jù)，一般以超過臨近時(shí)間點(diǎn)兩倍的數(shù)據(jù)值進(jìn)行特殊標(biāo)記，以便提醒管理員對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)和異常情況的分析。

2．2通訊設(shè)計(jì)

前端采集部分與后端監(jiān)控中心系統(tǒng)通信采用無線GPRS通信方式，由于農(nóng)田氣象站放置在室外，因此不適宜采用光纖傳輸，而采用GPRS無線能夠解決此問題［6］。GPRS采用的組網(wǎng)方式是公網(wǎng)固定IP的方式。GPRS擁有傳遞及時(shí)、通信信號(hào)好等優(yōu)勢(shì)，在并組網(wǎng)時(shí)減少對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，節(jié)約了成本，并可以在室外復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且具有一定的安全性。室外自動(dòng)氣象站與氣象信息管理系統(tǒng)需要建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接，在連接過程中需要以無線方式登陸到以太網(wǎng)絡(luò)來獲得網(wǎng)絡(luò)地址。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器地址和端口映射在氣象管理系統(tǒng)中，需要?dú)庀笮畔⒐芾硐到y(tǒng)軟件采用其網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)地址，這樣在管理系統(tǒng)顯示軟件中就可以實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的雙向通訊，進(jìn)行有效的信息傳遞和收集［7－8］。圖2為基于GPRS無線通訊的氣象信息系統(tǒng)示意圖。

2．3軟件設(shè)計(jì)

氣象信息管理系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)來查看氣象信息。本研究天氣顯示采用的軟件是LabVIEW，此軟件是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的一門圖像化編程語(yǔ)言，同時(shí)也是著名的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)［9－10］。作為一門圖形化編程語(yǔ)言，LabVIEW秉承了其簡(jiǎn)單易用的一貫作風(fēng)，使用戶能夠快速編寫出強(qiáng)大的應(yīng)用程序。本研究的LabVIEW編寫程序圖，如圖3所示。為了方便敘述，本文把風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、雨量和氣壓多種氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為氣象信息值。氣象系統(tǒng)天氣前面板顯示圖，如圖4所示。通過該系統(tǒng)對(duì)哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)氣象信息值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與氣象臺(tái)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為參考進(jìn)行對(duì)比，氣象信息值監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。表1中實(shí)測(cè)的時(shí)間跨度是實(shí)驗(yàn)當(dāng)天早6:00至晚18:00。從數(shù)據(jù)中可以看出，實(shí)測(cè)日期當(dāng)天監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、雨量、風(fēng)速和氣壓與參考值相比，具有良好的線性關(guān)系，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)天所監(jiān)測(cè)氣象信息的平均值。此收集到的氣象數(shù)據(jù)只是一天中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，所以經(jīng)過系統(tǒng)分析計(jì)算出來的數(shù)據(jù)只能代表所監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的氣象信息，與氣象臺(tái)的參考值有偏差。

3結(jié)論

第2篇

1虛擬儀器的特點(diǎn)和構(gòu)成

1.1虛擬儀器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：

智能化程度高，處理能力強(qiáng)虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。

復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。

可操作性強(qiáng)，易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。

1.2虛擬儀器的構(gòu)成

虛擬儀器的構(gòu)建主要從硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)2個(gè)方面考慮。

硬件電路的設(shè)計(jì)主要根據(jù)用戶所面對(duì)的任務(wù)決定，其中接口設(shè)計(jì)可選用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)包括GPIB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因?yàn)樗哂型ㄓ眯詮?qiáng)、可擴(kuò)充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)以及良好的開放性能等優(yōu)點(diǎn)，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀器生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，目前VXI模塊化儀器被認(rèn)為是虛擬儀器的最理想平臺(tái)，是儀器硬件的發(fā)展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設(shè)計(jì)一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號(hào)調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集；信號(hào)輸出與控制；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。這3部分概括了數(shù)字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構(gòu)成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)示波器、1臺(tái)數(shù)字化儀或1臺(tái)頻譜分析儀；使用信號(hào)輸出與控制模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)函數(shù)發(fā)生器、1臺(tái)信號(hào)源或1臺(tái)控制器。專用接口是針對(duì)特定用途儀器需要的設(shè)計(jì)，也包括一些現(xiàn)場(chǎng)總線接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機(jī)箱和儀器模塊。常用的控制方案有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計(jì)算機(jī)控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲(chǔ)器器件和擴(kuò)展器件。存儲(chǔ)器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數(shù)據(jù)。擴(kuò)展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件，是在低層用二進(jìn)制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進(jìn)行通信的。這種高速通信可以使測(cè)試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號(hào)/輸出部分的模塊（如開關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出卡、模/

數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號(hào)調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用ASCII字符進(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨(dú)立HPIB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協(xié)議”相互進(jìn)行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進(jìn)行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數(shù)字信號(hào)處理部分的模塊。

軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件（軟面板）。軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和編程函數(shù)庫(kù)等。該軟件在編程語(yǔ)言和VXI總線之間建立連接，提供對(duì)VXI背板總線的控制和支持，是實(shí)現(xiàn)VXI系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。

儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動(dòng)軟件，他的設(shè)計(jì)必須符合VPP的2個(gè)規(guī)范，即VPP3.1《儀器驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和模型》和VPP3.2《儀器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)規(guī)范》。

“軟面板”設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)具有可變性、多層性、自、人性化的面板，這個(gè)面板應(yīng)不僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動(dòng)條、開關(guān)按鈕、報(bào)警裝置等功能部件，而且應(yīng)還具有多個(gè)連貫操作面板、在線幫助功能等。

2虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)采集器可以按照硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟來完成。

2.1硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)要完成以下內(nèi)容：

1)模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

設(shè)置具有通用性的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，一般應(yīng)滿足能對(duì)多路信號(hào)盡可能同步地進(jìn)行采集，為了使所采集到的數(shù)據(jù)不但能夠在數(shù)據(jù)采集器上進(jìn)行存儲(chǔ)，而且還能及時(shí)地在采集過程中將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，選用存儲(chǔ)量比較適中的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，這樣既能滿足少量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，又能在需要實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不丟失任何數(shù)據(jù)。)VXI總線接口

VXI總線數(shù)據(jù)采集器通常可以利用兩種VXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通過總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡(jiǎn)單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體消息基接口的框圖見圖2。

3)采樣通道控制

為了滿足幾種典型系統(tǒng)通道控制的要求，使通道的數(shù)量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預(yù)置計(jì)數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設(shè)計(jì)成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結(jié)束采樣，只要截止通道號(hào)大于起始通道號(hào)就可以了。整個(gè)控制在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。

4)定時(shí)采樣控制

由于不同的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采樣時(shí)間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗(yàn)中需要的采樣時(shí)間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時(shí)間間隔設(shè)置在2μs~13.0ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2μs。所有這些選擇設(shè)置可以在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行。

5)采樣點(diǎn)數(shù)控制

根據(jù)不同測(cè)試系統(tǒng)的需求，將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)成可在一個(gè)比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進(jìn)行。

6)采樣方式控制

總結(jié)各種自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的采樣方式不外乎軟件觸發(fā)采樣和硬件觸發(fā)采樣。在硬件觸發(fā)采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可以是定時(shí)進(jìn)行的或等轉(zhuǎn)速差進(jìn)行的。所有這些采樣方式，對(duì)于數(shù)據(jù)采集器來說都可以在軟面板上進(jìn)行選擇。

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，為使VI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，一般可采用組件化設(shè)計(jì)思想，將各部分彼此獨(dú)立的軟件單元分別制成

標(biāo)準(zhǔn)的組件，然后按照系統(tǒng)的總體要求組成完整的應(yīng)用系統(tǒng)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng)，如圖3所示。

應(yīng)用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴(kuò)展其功能的必要工具，以及利用PC機(jī)、工作站的強(qiáng)大功能。同時(shí)VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫(kù)（VISA）的建議，為虛擬儀器的研制與開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)。這也進(jìn)一步使由通用的VXI數(shù)據(jù)采集模塊、CPU/DSP模塊來構(gòu)成虛擬儀器成為可能。

基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集器的軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用程序、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和I/O接口軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發(fā)，往往很困難，但現(xiàn)在NI公司提供了所有這四部分軟件，使應(yīng)用開發(fā)比以往容易得多。

下面簡(jiǎn)單介紹以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境，來進(jìn)行VXI虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的方法。

第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊開發(fā)者利用LabWindows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形用戶界面（GUI）。一個(gè)LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標(biāo)、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及許多其他控制項(xiàng)和說明項(xiàng)構(gòu)成。

第二步：LabWindows/CVI事件驅(qū)動(dòng)編程。應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI中設(shè)計(jì)一個(gè)用戶接口，實(shí)際上是在用戶計(jì)算機(jī)屏幕上定義一個(gè)面板，他由各種控制項(xiàng)（如命令按鈕、菜單、曲線等）構(gòu)成。用戶選中這些控制項(xiàng)就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件（events）。例如，當(dāng)用戶單擊一個(gè)命令按鈕，這個(gè)按鈕產(chǎn)生一個(gè)用戶接口事件，并傳遞給開發(fā)者編寫的C語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)程序。這是運(yùn)用了Windows編程的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。LabWindows/CVI中使用不同類型的控制項(xiàng)，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產(chǎn)生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的開發(fā)平臺(tái)中，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行C程序編程時(shí)可采用2種基本的方法：回調(diào)函數(shù)法和事件循環(huán)處理法。

回調(diào)函數(shù)法是開發(fā)者為每一個(gè)用戶界面的控制項(xiàng)寫一個(gè)獨(dú)立的用戶界面的控制函數(shù)，當(dāng)選中某個(gè)控制項(xiàng)，就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行事件處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI控制項(xiàng)所產(chǎn)生的COMMIT事件。通過GetUserEvent函數(shù)過濾，將所有的COMMIT事件區(qū)分開，識(shí)別出是由哪個(gè)控制項(xiàng)所產(chǎn)生的事件，并執(zhí)行相應(yīng)的處理。

第三步：應(yīng)用函數(shù)/VI集與應(yīng)用程序軟件包編寫。應(yīng)用函數(shù)/VI集需針對(duì)具體儀器模塊功能進(jìn)行編程，應(yīng)用程序軟件包只是一些功能強(qiáng)大、需要完善的數(shù)據(jù)處理能力的模塊才需要提供，如波形分析儀模塊、DSP模塊等。

3結(jié)語(yǔ)

本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實(shí)際的虛擬儀器軟硬件設(shè)計(jì)的一般方法，這些方法經(jīng)過實(shí)際設(shè)計(jì)工作運(yùn)用證明是可靠的，可供系統(tǒng)工程技術(shù)人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集、測(cè)試時(shí)參考使用。

參考文獻(xiàn)

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第3篇

【關(guān)鍵詞】Labview軟件;MATLAB軟件;Visual Basic軟件;JAVA軟件;優(yōu)缺點(diǎn)

1.引言

傳統(tǒng)示波器是電子工業(yè)、科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中一種必備的儀器，并且都在這些領(lǐng)域中占有重要的地位。在高速發(fā)展的現(xiàn)代科技技術(shù)下，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)控儀器提出了新的技術(shù)要求，主要包括智能化、自動(dòng)化、多樣化等等[1]。傳統(tǒng)儀器跟其他傳統(tǒng)測(cè)控儀器一樣，越來越不能滿足這些新技術(shù)的要求，與此同時(shí)，新儀器的開發(fā)對(duì)開發(fā)商與用戶都帶來了更大的挑戰(zhàn)。基于上述原因，新型的測(cè)控儀器設(shè)備的出現(xiàn)是當(dāng)務(wù)之急，虛擬儀器這個(gè)概念變得不再陌生。

虛擬儀器的開發(fā)基于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件和硬件，把傳感器技術(shù)，自動(dòng)化控制技術(shù)等有效的融合在一起[2]。軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)的靈活性，依據(jù)用戶不同的特殊需求創(chuàng)建出人機(jī)友好操作界面，實(shí)現(xiàn)并取代各類特殊、昂貴的測(cè)試儀器的功能。

實(shí)現(xiàn)用戶友好操作界面的軟件操作平臺(tái)有很多，例如，Labview軟件，MATLAB軟件，Visual Basic軟件，JAVA軟件等，本文將對(duì)實(shí)現(xiàn)虛擬示波器用戶操作界面的開發(fā)性軟件進(jìn)行比較。

2.虛擬儀器的發(fā)展

2.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

近年來，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開發(fā)了不少的虛擬儀器開發(fā)軟件，方便了開發(fā)商利用這些開發(fā)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件，最具影響力的是NI公司的Labview和Labwindows/CVi開發(fā)軟件，美國(guó)HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺(tái)軟件，美國(guó)Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS軟件以及HEM Data公司的Snap-Master平臺(tái)軟件等都是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)[3]。從1988年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)有五家制造商推出30種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達(dá)95家共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2.93億美元，占整個(gè)儀器銷售額73億的40%。美國(guó)是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國(guó)，生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家有HP公司目前生產(chǎn)100多種型號(hào)的虛擬儀器，Tektroflix公司目前生產(chǎn)約80多種型號(hào)的虛擬儀器。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)虛擬儀器的開發(fā)和研究起步相對(duì)比較晚，清華大學(xué)，重慶大學(xué)，西安交大以及東方震動(dòng)和噪聲技術(shù)研究等高校和公司對(duì)虛擬儀器的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)平臺(tái)以及NI產(chǎn)品做了大量的研究工作，所研究和開發(fā)的結(jié)果在某些方面都得到了很好的應(yīng)用，比較突出的是重慶大學(xué)測(cè)試中心所研究的虛擬儀器，目前，部分院校的實(shí)驗(yàn)室也引入了虛擬儀器系統(tǒng)，包括上海復(fù)旦大學(xué)，上海交通大學(xué)，華中科技大學(xué)等[4]。于此，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研，其中華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院所開發(fā)出的Inventor可重構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、深圳藍(lán)津信息技術(shù)有限公司開發(fā)出的DRVI快速可重組虛擬儀器平臺(tái)等影響力比較大，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)開發(fā)了用于精密播種機(jī)性能檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)。山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院基于虛擬儀器技術(shù)研究了胸雙極立體心電圖及其三維可視。

2.3 未來的發(fā)展趨勢(shì)

虛擬儀器正在持續(xù)且迅速地發(fā)展，它即將取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器，使儀器的功能和技術(shù)性能方面具有了靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而更適應(yīng)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究所提出的更高更新的測(cè)量需求[5]。并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器技術(shù)也會(huì)在向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，即基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器，使用的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可以在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間獲取測(cè)試的數(shù)據(jù)，因此圖像化編輯平臺(tái)的發(fā)展將帶動(dòng)和完善虛擬儀器的發(fā)展。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)未來的幾年內(nèi)我國(guó)將有50%的儀器為虛擬儀器，國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.幾種虛擬示波器常用開發(fā)環(huán)境的特點(diǎn)

3.1 基于Labview的虛擬示波器

Labview是一種基于圖形編程語(yǔ)言的可視化優(yōu)秀開發(fā)平臺(tái)，它與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言最大的區(qū)別是使用圖形語(yǔ)言，以框圖的形式編寫程序[6]。它與VisualC++、visual basic、LabWindows/CVI等編程語(yǔ)言不同，是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言G，而不是基于文本語(yǔ)言的程序代碼，用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，一個(gè)Labview程序主要包括前面板、框圖程序、圖標(biāo)/接線端口3部分[7]。為用戶提供一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，利用它設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并可以任意構(gòu)建儀器面板，而無須進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)程序代碼的編程，從而可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)虛擬示波器時(shí)，程序包括數(shù)據(jù)采集，波形顯示，信號(hào)處理，波形存儲(chǔ)和回放幾個(gè)模塊。因而硬件部分的主要功能就是采集外部的信號(hào)，可以是PCI、USB、DAQ等數(shù)據(jù)采集裝置，然后是信號(hào)調(diào)理，目的就是完成信號(hào)緩沖、放大、濾波等功能[8]，Labview開發(fā)平臺(tái)自帶的函數(shù)具有強(qiáng)大的信號(hào)處理功能，充分發(fā)揮Labview的優(yōu)勢(shì)所在。在它的前面板上可以非常直觀地顯示出旋鈕，開關(guān)，波形等示波器應(yīng)有的界面設(shè)置，參數(shù)設(shè)置，可以根據(jù)開發(fā)者的想法自行定義，具有很強(qiáng)的靈活性[9]，真正的操控系統(tǒng)的是后面板，建立功能模塊，元器件的連接，按鍵功能的實(shí)現(xiàn)等等，模塊化的實(shí)現(xiàn)使虛擬示波器的功能更加完善。

3.2 基于MATLAB的虛擬示波器

MATLAB是Matrix和Labortaty前三個(gè)字母的縮寫，意思是“距陣實(shí)驗(yàn)室”[10]。是一套功能十分強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助和設(shè)計(jì)教學(xué)軟件，MATLAB具有以下的主要功能：數(shù)值計(jì)算功能，符號(hào)計(jì)算功能，圖形處理功能及可視化功能，可視化建模及動(dòng)態(tài)仿真功能。

基于MATLAB平臺(tái)設(shè)計(jì)的虛擬示波器可以充分發(fā)揮它的數(shù)據(jù)分析功能，不僅方便了實(shí)驗(yàn)研究，也可以為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了有效的途徑[11]。基于MATLAB的虛擬示波器硬件系統(tǒng)主要是完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要有MCU、數(shù)字I/O、A/D、數(shù)據(jù)通信接口，以及電源部分組成。而對(duì)計(jì)算機(jī)串口以及數(shù)據(jù)輸入的控制，由MATLAB軟件的儀器控制工具箱中的函數(shù)來完成。通過調(diào)用MATLAB的數(shù)據(jù)采集，畫圖程序來完善虛擬示波器的功能。MATLAB是很好的數(shù)據(jù)分析處理軟件，而將其與Labview相結(jié)合編程可以極大的提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、故障診斷的能力，具有很強(qiáng)的技術(shù)提升空間。

3.3 基于Visual Basic的虛擬示波器

Visual Basic簡(jiǎn)稱VB，是Microsoft公司推出的一種Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具。在界面設(shè)計(jì)、文件處理、多媒體應(yīng)用、數(shù)據(jù)訪問等方面提供了有力的幫助，具有易懂、易學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于虛擬示波器開發(fā)而言，VB在數(shù)據(jù)處理和圖形顯示方面不如Labview。在使用VB開發(fā)工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件時(shí)，需要對(duì)待測(cè)量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示、以及實(shí)時(shí)處理等VB并不擅長(zhǎng)。對(duì)此類應(yīng)用程序的開發(fā)，最為理想的解決方案是將VB的圖形用戶界面開發(fā)及其他方面的優(yōu)勢(shì)和LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、顯示與處理方面的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來[12]，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而開發(fā)出功能更加強(qiáng)大的測(cè)控軟件系統(tǒng)。

MATLAB與VB的結(jié)合主要有兩種方式。其一是在VB中引入MATRIXVB，使得VB可以調(diào)用MATLAB函數(shù)。其二是將在MATLAB中編寫的文件編譯成VB可以調(diào)用的DLL文件。通過混合編程，利用VB和MATRIXVB，快速、簡(jiǎn)潔地生成虛擬儀器[13]。

3.4 基于JAVA的虛擬示波器

JAVA是由Sun Microsystems公司推出的JAVA程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和平臺(tái)的總稱。面向?qū)ο蟮囊淮尉幾g隨處運(yùn)行的高級(jí)語(yǔ)言，提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持，用Java實(shí)現(xiàn)的HotJava瀏覽器跨平臺(tái)、動(dòng)感的Web、Internet計(jì)算的功能。推動(dòng)了Web的迅速發(fā)展，常用的瀏覽器均支持Java applet[14]。基于JAVA開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬測(cè)控系統(tǒng)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和跨平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

基于JAVA的網(wǎng)絡(luò)化虛擬示波器，利用socket和多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使用雙緩存技術(shù)解決了波形顯示時(shí)的閃爍問題，由系統(tǒng)啟動(dòng)用戶界面線程，同時(shí)啟動(dòng)不斷偵聽對(duì)客戶連接請(qǐng)求的線程。如果偵聽到客戶的連接請(qǐng)求，就開辟一個(gè)新的線程來處理其連接請(qǐng)求。與此同時(shí)還要查詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)傳送完畢，一旦完成便要通知用戶界面線程更新界面。

除了上述的幾種開發(fā)平臺(tái)外，還有C++ Bulider，Visual ，VC等都可以是結(jié)合多種軟件的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，另外國(guó)內(nèi)也有一些虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)，如吉林大學(xué)自主研發(fā)的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabScene，重慶大學(xué)研制的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)VMIDS等等[15]。并在相應(yīng)領(lǐng)域取得了一定的成果。

4.結(jié)束語(yǔ)

在各領(lǐng)域的應(yīng)用中，虛擬儀器正在取代著傳統(tǒng)儀器，它的優(yōu)勢(shì)也是顯而易見的，它的出現(xiàn)是儀器界的一次革命，具體表現(xiàn)為：智能化程度高，處理能力強(qiáng);復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低;可操作性強(qiáng)等等。對(duì)于虛擬儀器的設(shè)計(jì)而言，軟件設(shè)計(jì)是核心，對(duì)于每一種虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)都有它自己的特色與缺陷，MATLAB是一款數(shù)字處理與圖形化處理的強(qiáng)大軟件，在設(shè)計(jì)虛擬示波器時(shí)可以發(fā)揮它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)于Visual Basic而言，它的缺陷是存在的，但它是一款作為結(jié)合型開發(fā)軟件的好處;利用JAVA的開發(fā)的虛擬儀器是現(xiàn)在乃至未來的重要開發(fā)平臺(tái)，它是儀器朝著網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，就目前而言，Labview是虛擬示波器開發(fā)軟件的首選，它的圖型化編程語(yǔ)言使用戶和開發(fā)者都能比較容易理解。在實(shí)際應(yīng)用中，我們不僅僅局限于單種軟件開發(fā)工具，可以將它們結(jié)合起來使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，各抒其長(zhǎng)，會(huì)使所開發(fā)的虛擬儀器得到更全面的設(shè)計(jì)。再者在實(shí)施方案前，對(duì)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行分析探討、比較，最終選擇適合的虛擬平臺(tái)，對(duì)之后的工作會(huì)帶來更多的便利。

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第4篇

關(guān)鍵詞：輔助教學(xué)；儀器分析；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；建設(shè)

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5727（2012）07-0172-02

藥品檢驗(yàn)是藥學(xué)專業(yè)的核心課程，儀器分析則是測(cè)定藥物的物理常數(shù)、鑒定藥物真?zhèn)巍z測(cè)藥物純度和雜質(zhì)限量、測(cè)定藥物含量及效價(jià)的主要方法，具有取樣量少、靈敏度高、自動(dòng)化程度高、分析速度快、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，儀器分析的基本原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為藥學(xué)研究和應(yīng)用工作中必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，藥物研究、生產(chǎn)及檢驗(yàn)等各種行業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)高效液相色譜儀、氣相色譜儀、分光光度計(jì)、質(zhì)譜儀等設(shè)備的依賴已經(jīng)到了不可或缺的地步。培養(yǎng)熟練掌握儀器分析技術(shù)的專業(yè)人才，是藥學(xué)教育的主要任務(wù)之一。

當(dāng)前儀器分析教學(xué)面臨的主要問題

教學(xué)儀器嚴(yán)重不足，教學(xué)效果有限 實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用儀器多數(shù)為貴重、精密物品，且數(shù)量極為有限，如質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀等大型分析儀器，一般學(xué)校只購(gòu)置1臺(tái)。而近年來的擴(kuò)招使得學(xué)生數(shù)量成倍增加，教學(xué)儀器資源更顯缺乏。教學(xué)儀器的不足，使得很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程變成了觀摩課、試教課，學(xué)生得不到足夠時(shí)間和強(qiáng)度的實(shí)際操作鍛煉，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。

儀器落后，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié) 技術(shù)的快速發(fā)展使得分析儀器更新?lián)Q代的頻率加快。而在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往由于經(jīng)費(fèi)原因，所使用的儀器得不到及時(shí)更新，從而與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。學(xué)生在校期間學(xué)會(huì)的分析儀器操作技能，到了實(shí)際工作環(huán)境中用不上，仍然要學(xué)習(xí)新一代儀器的使用，這使得學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義大打折扣。

教學(xué)成本高，學(xué)生無法熟練掌握儀器 儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要用到大量的藥品、試劑，教學(xué)成本很高，所以往往以小組的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，真正得到動(dòng)手鍛煉的學(xué)生只占少數(shù)，而且也只能進(jìn)行有限次數(shù)的操作。在這種情況下，學(xué)生只能對(duì)儀器有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，而無法熟練地掌握儀器使用技能。在一些高端儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這一問題尤為明顯。

實(shí)驗(yàn)操作層次較低，無法深入了解儀器功能 當(dāng)前，儀器分析教學(xué)安排的都是操作層次較低、步驟簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，立足于讓學(xué)生了解儀器、知道基本操作過程，而無法做到讓學(xué)生深入、全面地掌握儀器的用途。這導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)淺嘗輒止，難以了解除實(shí)驗(yàn)所用以外的儀器的使用方法，也沒有機(jī)會(huì)碰到使用儀器過程中的各類特殊情況，無法培養(yǎng)學(xué)生對(duì)各種問題的分析和處理能力。

存在操作安全、環(huán)境污染等隱患 儀器分析實(shí)驗(yàn)中部分試劑是危險(xiǎn)的化學(xué)物品，如果操作不當(dāng)會(huì)發(fā)生安全事故，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中排放的“三廢”也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。但為了保證教學(xué)質(zhì)量，一定量的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程必不可少，這容易引發(fā)安全問題和環(huán)境污染問題。

虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)的研究及其應(yīng)用

虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)指的是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，引入現(xiàn)代信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬各種分析儀器，使受訓(xùn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)器械和設(shè)備，對(duì)建立起來的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)時(shí)仿真操作，從而完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)。

筆者利用中國(guó)知網(wǎng)，對(duì)中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行跨庫(kù)檢索，以模糊匹配方式查到2000年以來藥學(xué)相關(guān)學(xué)科內(nèi)關(guān)于“虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)”主題的期刊論文共253篇，學(xué)位論文共3篇。其中，2008年以來的論文共97篇，約占38%，表明虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)是近年來的研究熱點(diǎn)。所查論文的主題主要包括了“虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)的概念和應(yīng)用”、“虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)”、“虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”等。許多研究人員從不同角度對(duì)虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探討，如楊雪等人研究了虛擬實(shí)驗(yàn)中情感、表現(xiàn)和行為三個(gè)層次的設(shè)計(jì)思路，傅增智、徐靜等對(duì)比研究了虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)，代曉青則探討了虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)受訓(xùn)者操作規(guī)范的培養(yǎng)作用。

國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)，如霍普金斯大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)等都對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行了研究，并建設(shè)了一些適合于藥學(xué)、化學(xué)專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)藥科大學(xué)建立了一套《氣相、液相分析實(shí)驗(yàn)》仿真系統(tǒng)并取得了一定的應(yīng)用效果。重慶醫(yī)藥高等專科學(xué)校開發(fā)了一套實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)用于虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)。國(guó)內(nèi)外軟件市場(chǎng)上也出現(xiàn)了相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，例如Chem SW公司的GC-SOS氣相色譜模擬和優(yōu)化軟件，大連理工大學(xué)的儀器分析虛擬實(shí)驗(yàn)室。筆者通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)中國(guó)藥科大學(xué)、重慶醫(yī)科高等專科學(xué)校、大連理工大學(xué)、廣東藥學(xué)院等高校已經(jīng)應(yīng)用了虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

輔助教學(xué)的虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)思路和要點(diǎn)

建設(shè)思路 用于輔助教學(xué)的虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，目前主要有以下三種建設(shè)思路：第一，引進(jìn)市場(chǎng)產(chǎn)品。購(gòu)買成熟的虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是最便捷的解決方案，具有流程簡(jiǎn)單、部署方便、實(shí)現(xiàn)容易、后期維護(hù)有保障等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于需要一定的經(jīng)費(fèi)支持，尤其是一些國(guó)外的虛擬軟件，價(jià)格十分昂貴。此外，直接引進(jìn)的產(chǎn)品還存在不一定能完全滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求、定制相對(duì)困難等問題。第二，引進(jìn)其他高校開發(fā)的系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)許多高校都開展了虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，并出現(xiàn)了不少優(yōu)秀成果。例如，中國(guó)藥科大學(xué)開發(fā)的儀器分析實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)實(shí)習(xí)系統(tǒng)，可以進(jìn)行試劑的仿真配置，完成氣相色譜系統(tǒng)和液相色譜系統(tǒng)的仿真操作，自動(dòng)記錄學(xué)生的操作過程，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)考核等功能。引進(jìn)其他高校開發(fā)的系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于能夠在較大程度上滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，同時(shí)所需經(jīng)費(fèi)也不是很高，缺點(diǎn)是后續(xù)的服務(wù)可能會(huì)不到位、系統(tǒng)無法更新等。第三，自行開發(fā)或委托開發(fā)。自行開發(fā)或委托第三方公司開發(fā)虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，能完全根據(jù)自己的實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求進(jìn)行功能的規(guī)劃和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的靈活性和兼容性，前提是必須擁有具有系統(tǒng)分析能力的工作人員。自行開發(fā)可以結(jié)合學(xué)校信息化教學(xué)建設(shè)工作及相關(guān)科研項(xiàng)目展開，是當(dāng)前許多學(xué)校選擇的建設(shè)思路。

建設(shè)要點(diǎn) 在虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)中，有許多值得注意的地方。筆者認(rèn)為，一個(gè)先進(jìn)的虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必須具備以下三個(gè)特點(diǎn)。第一，用戶界面逼真。用戶界面逼真是虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必須具備的第一個(gè)特點(diǎn)。因?yàn)樘摂M儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是用于仿真實(shí)驗(yàn)的，要達(dá)到用戶在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上學(xué)習(xí)、操作后，在真實(shí)儀器上能夠無需再次學(xué)習(xí)、非常熟練地使用。所以，用戶界面必須逼真，儀器的形狀、顏色，相關(guān)提示燈和提示信息的顯示、操作過程和操作結(jié)果的模擬，都要和真實(shí)儀器相差無幾，才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的效果。因此，最新的3D技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必須在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中應(yīng)用。第二，富于交互。儀器分析實(shí)驗(yàn)過程本質(zhì)上就是人機(jī)交互過程。如果虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不具備較強(qiáng)的交互性，就只能算是一個(gè)儀器分析實(shí)驗(yàn)演示軟件，而無法起到實(shí)驗(yàn)的作用。一個(gè)先進(jìn)的虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)該是富于交互的，各類按鈕的功能和支持的動(dòng)作，要和真實(shí)儀器一致，同時(shí)，各種交互操作應(yīng)該是簡(jiǎn)潔明了的。多點(diǎn)觸控技術(shù)應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中得到應(yīng)用。第三，充分設(shè)定各種應(yīng)用情景。虛擬實(shí)驗(yàn)的最大好處在于可以模擬任意特殊的情況而不會(huì)產(chǎn)生任何危險(xiǎn)。因此，應(yīng)充分設(shè)定各種應(yīng)用情景，讓受訓(xùn)者在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中可以任意操作，認(rèn)識(shí)各種特殊乃至危險(xiǎn)的后果，從而讓受訓(xùn)者更為徹底地掌握儀器的特性和使用方法，加深對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)和對(duì)安全操作的理解。

虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)效果

虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有運(yùn)轉(zhuǎn)快速、界面簡(jiǎn)潔、覆蓋面廣、利用方便等特點(diǎn)，能比較真實(shí)地模擬相關(guān)實(shí)驗(yàn)的過程，讓學(xué)生提前熟悉儀器及掌握儀器的操作，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作步驟和要點(diǎn)，有利于學(xué)生對(duì)真實(shí)儀器的操作，節(jié)省真實(shí)實(shí)驗(yàn)的材料和時(shí)間。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)而無時(shí)空限制、安全及污染等問題；可以讓學(xué)生規(guī)避真實(shí)實(shí)驗(yàn)的諸多忌諱，甚至違規(guī)操作，以進(jìn)一步掌握儀器的使用辦法；可以通過各種設(shè)定好的特殊情況，感受儀器操作過程中可能出現(xiàn)的問題，以全面地鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

北京中醫(yī)藥大學(xué)在2006級(jí)中藥學(xué)、中藥分析、中藥制藥班應(yīng)用“高效液相色譜法定性和定量分析實(shí)驗(yàn)”虛擬教學(xué)后進(jìn)行教學(xué)效果問卷調(diào)查得知，有81.2%的學(xué)生愿意進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，有84.8%的學(xué)生通過虛擬學(xué)習(xí)清楚地知道了如何操作儀器。2007年底，清華大學(xué)在將儀器分析實(shí)驗(yàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于化學(xué)系、化工系、環(huán)境系及核物理學(xué)院等院系的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，經(jīng)過連續(xù)5個(gè)學(xué)期的教學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)接受了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生個(gè)人得分同比超過其他院系的學(xué)生，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到了明顯提高。第二軍醫(yī)大學(xué)應(yīng)用了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，82%的學(xué)生認(rèn)為虛擬教學(xué)系統(tǒng)的交互性有利于知識(shí)傳授，76%的學(xué)生認(rèn)為運(yùn)用虛擬教學(xué)系統(tǒng)有助于提高相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效果和教學(xué)效率，73%的學(xué)生認(rèn)為虛擬教學(xué)系統(tǒng)更適合于輔助教學(xué)。

當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)替代不了真實(shí)實(shí)驗(yàn)。由于其缺少實(shí)物感，操作正確的情況下結(jié)果唯一，無法反映現(xiàn)實(shí)中操作正確也有可能出現(xiàn)不良后果的情況，虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)主要用于輔助教學(xué)，結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以取得更好的教學(xué)效果。

綜上所述，在藥學(xué)教育工作中，虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有廣泛的應(yīng)用前景。科學(xué)地運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)手段，拓展教學(xué)空間，能有效解決很多用常規(guī)方法無法解決的教學(xué)問題。建設(shè)一個(gè)界面逼真、富于交互、充分設(shè)定各種應(yīng)用情景的虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于輔助教學(xué)，將有效緩解當(dāng)前儀器分析教學(xué)中面臨的主要問題，可以成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，豐富和完善儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)形式，降低教學(xué)成本，增強(qiáng)教學(xué)效果，從而提高儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

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第5篇

一、引言

虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前儀器與測(cè)量發(fā)展的一個(gè)重要方向，它為各學(xué)科提供了一個(gè)通用的測(cè)量及儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)，因此“虛擬儀器實(shí)踐”課程不僅提供了虛擬儀器技術(shù)理論與實(shí)踐結(jié)合的環(huán)節(jié)，也是學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)各門學(xué)科知識(shí)的一個(gè)很好的實(shí)踐機(jī)會(huì)。對(duì)于工科學(xué)生來說，加強(qiáng)對(duì)他們的實(shí)踐能力的培養(yǎng)尤為重要。

“虛擬儀器實(shí)踐”課之前的教學(xué)內(nèi)容是讓學(xué)生完成“虛擬儀器實(shí)驗(yàn)箱”配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的5個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容完成即可。但是每次課程結(jié)束，學(xué)生仍然不懂虛擬儀器的基本知識(shí)，更不用說獨(dú)立完成一個(gè)虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到開設(shè)這門課的目的以及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的目標(biāo)，因此對(duì)這門課的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

通過分析“虛擬儀器實(shí)踐”課程的課程目的以及學(xué)生的實(shí)際情況，我們?cè)谡n程中借鑒了以課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)方法，對(duì)課程內(nèi)容、授課模式和考核方式等幾方面進(jìn)行了改革，經(jīng)過2年的教學(xué)實(shí)踐，均取得了較好的教學(xué)效果和學(xué)生反饋。

二、課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)法

課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)法，是指在教學(xué)中引入課題研究任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生帶著一定的目的性主動(dòng)學(xué)習(xí)，這可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并提高獨(dú)立科研的能力。從課程伊始布置課題任務(wù)，期末提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，課題研究任務(wù)貫穿整個(gè)課程教學(xué)過程。

以課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)過程，學(xué)生可以根據(jù)興趣自主選題，所以學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力較大，不僅會(huì)自己去研究“怎么做”，還會(huì)研究“怎么做得更好”，因此是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)的過程。

課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)法，實(shí)際上是以建構(gòu)主義教育理念為指導(dǎo)的“做中學(xué)”，要求學(xué)生通過“動(dòng)手做”獲得直接經(jīng)驗(yàn)，并運(yùn)用已掌握的知識(shí)去分析和解決實(shí)踐中的問題，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析等處理，最終得出結(jié)論。因此，學(xué)生得到的知識(shí)是鮮活的知識(shí)，并且易于內(nèi)化為認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

做中學(xué)的教學(xué)思想被認(rèn)為是最有效的教學(xué)策略之一。正如美國(guó)“2061計(jì)劃”中指出，最有效的向各類學(xué)生教授科學(xué)的策略應(yīng)是支持學(xué)生對(duì)他們自己動(dòng)手的和與他們的生活和文化相關(guān)的活動(dòng)形成他們自己的理解[7]。

對(duì)于如何開展做中學(xué)，國(guó)內(nèi)外教育界做了很多有效的嘗試和探索，丹麥的奧爾大學(xué)創(chuàng)立的課題（項(xiàng)目）組織教學(xué)（project organized）模式便是一個(gè)成功范例。這一模式包括選擇課題、師生協(xié)同研究、撰寫研究報(bào)告、課題評(píng)價(jià)四個(gè)階段，真正做到了按課題（項(xiàng)目）組織教學(xué)，以課題研究貫穿于教學(xué)的全過程。

三、課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐

在“虛擬儀器實(shí)踐”課程教學(xué)過程中實(shí)施以課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)法，不僅僅是幫助學(xué)生更好地掌握虛擬儀器技術(shù)的知識(shí)，包括虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成、虛擬儀器的編程環(huán)境和編程方法、虛擬儀器的編程技巧以及優(yōu)化策略，也重在培養(yǎng)各種能力，包括發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用學(xué)習(xí)資源的能力，合作學(xué)習(xí)的能力，口頭表達(dá)能力和書面表達(dá)能力，運(yùn)用在大學(xué)學(xué)到的知識(shí)和發(fā)展的智力等。

改革以后的課程內(nèi)容、授課模式和考核方式都圍繞以上目標(biāo)進(jìn)行，課程內(nèi)容不再是幾個(gè)固定的實(shí)驗(yàn)，而是學(xué)生自主完成一個(gè)課題的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)；授課模式也主要是“以學(xué)生為中心”的研究型課堂模式，教師主要工作是答疑和點(diǎn)評(píng)；課程考核是根據(jù)課題完成情況和課程設(shè)計(jì)報(bào)告的情況綜合評(píng)分。具體步驟如下。

（一）確定課題

主要是給學(xué)生們布置課題任務(wù)，同時(shí)介紹考核的標(biāo)準(zhǔn)、查找文獻(xiàn)的方法、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的格式要求，并提供示范的優(yōu)秀作品。

課題的確定是實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。選題既要新穎有趣，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，又要有一定綜合性和難度，能夠讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合、學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)會(huì)解決處理實(shí)際問題，從中培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好以及查找資料的結(jié)果自主選題，再由教師審批確定。

（二）知識(shí)梳理

任何一個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)都是有結(jié)構(gòu)的。把知識(shí)放到一個(gè)大的架構(gòu)下學(xué)習(xí)，有助于掌握和理解，有益于記憶和應(yīng)用，可以有效提高學(xué)習(xí)效率。學(xué)生在小學(xué)期生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)已經(jīng)學(xué)過了LabVIEW的基本知識(shí)，但是比較零碎，沒有構(gòu)建起虛擬儀器技術(shù)的整體知識(shí)脈絡(luò)，因此，在學(xué)生開始他們的課題研究之前，我們用2個(gè)課時(shí)給學(xué)生做了必要的知識(shí)梳理，把虛擬儀器技術(shù)的基本知識(shí)點(diǎn)貫穿起來，也解決了學(xué)時(shí)少的情況下盡可能提高課題研究質(zhì)量的問題。

（三）課題研究

學(xué)生可以選擇獨(dú)立完成或者2人一組完成課程設(shè)計(jì)。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)、參考書籍查找相關(guān)資料，實(shí)現(xiàn)課題的預(yù)期效果。在教師的建議和指導(dǎo)下，學(xué)生尋找符合項(xiàng)目性能指標(biāo)要求的傳感器和元器件，完成硬件電路的搭建。硬件電路完成后，進(jìn)入軟件框圖程序設(shè)計(jì)。最終進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)調(diào)試，完成設(shè)計(jì)要求。也允許有一定難度和實(shí)用價(jià)值的純軟件的課題。

（四）課題評(píng)價(jià)

每組同學(xué)用PPT和課題成果演示相結(jié)合的方式展示課題的研究成果以及獲得的知識(shí)和技能，老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，主要從綜合性、界面友好性、程序規(guī)范性、創(chuàng)新性四個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)和考核，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和有難度的課題。

（五）撰寫報(bào)告

之前絕大多數(shù)學(xué)生都沒有做過小論文，我們參考畢設(shè)論文的格式向?qū)W生提出了課程設(shè)計(jì)報(bào)告的要求（即應(yīng)包括摘要、關(guān)鍵詞、全文、心得總結(jié)及參考文獻(xiàn)，且參考文獻(xiàn)應(yīng)在文中標(biāo)注等），并給出示例范文。這不僅使學(xué)生得到了初步的科學(xué)研究訓(xùn)練，也為即將到來的畢業(yè)設(shè)計(jì)做了很好的過渡。

四、教學(xué)實(shí)踐的實(shí)施效果

我們從2014年開始對(duì)電子信息工程專業(yè)兩屆共108名學(xué)生進(jìn)行了以課題研究為導(dǎo)向的“虛擬儀器實(shí)踐”課的教學(xué)改革探索。學(xué)生用9周時(shí)間，利用美國(guó)NI公司LabVIEW虛擬儀器軟件、數(shù)據(jù)采集卡及其他傳感器和元器件分別完成了自動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)儀、多媒體小助手、基于LabVIEW的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)變聲器、基于LabVIEW的多媒體通訊系統(tǒng)、十字路通燈控制系統(tǒng)、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制儀設(shè)計(jì)等多個(gè)課題的設(shè)計(jì)。學(xué)生們還自擬了全國(guó)大學(xué)生體質(zhì)健康測(cè)試計(jì)算器、學(xué)生宿舍簡(jiǎn)易監(jiān)控系統(tǒng)等反映學(xué)生日常生活需要的題目，學(xué)生們做得興趣盎然，相關(guān)作品參加校內(nèi)外的虛擬儀器競(jìng)賽也獲得了較好的成績(jī)。

通過本課程，學(xué)生不但完成了虛擬儀器技術(shù)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用，還加深了對(duì)傳感器技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等理論知識(shí)的理解。課堂氣氛活躍，學(xué)生分析能力、組織協(xié)調(diào)能力和動(dòng)手能力顯著提高，基本達(dá)到了預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。

為了提高學(xué)生的課程論文質(zhì)量，我們要求每個(gè)課題都小題大做。從課題調(diào)研、提交方案、課題完成，到最后的論文提交，完成了一個(gè)系統(tǒng)的學(xué)術(shù)訓(xùn)練過程。在最近的這期教學(xué)實(shí)踐中，我們強(qiáng)化了方案環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在前期要提交一份研究方案的報(bào)告，因此這期提交的論文質(zhì)量整體上比上期有較大的提高。學(xué)生在完成論文后普遍有一種成就感。

五、教學(xué)實(shí)踐中的教學(xué)體會(huì)及應(yīng)注意的問題

以課題研究為導(dǎo)向的“虛擬儀器實(shí)踐”課的教學(xué)改革探索取得了比較好的教學(xué)效果，但是還是有些需要注意改進(jìn)的問題。

（一）項(xiàng)目設(shè)計(jì)要合理

學(xué)生的層次和素質(zhì)有較大的差別，為了滿足每個(gè)學(xué)生的不同需求，使他們有不同程度的收獲，項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須有層次。同時(shí)，給學(xué)生布置任務(wù)時(shí)一定要提出明確的要求和目標(biāo)。

另外，根據(jù)學(xué)生的反饋，多數(shù)學(xué)生希望在選題時(shí)能夠得到更多老師的引導(dǎo)和支持。我們的學(xué)生經(jīng)過多年應(yīng)試教育的培養(yǎng)，創(chuàng)新意識(shí)比較缺乏，希望老師有現(xiàn)成的題目給他們。改變這種狀況還需要長(zhǎng)期的培養(yǎng)和引導(dǎo)。

（二）把握好教師的地位

以課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)中，學(xué)生為主體，教師設(shè)計(jì)課題任務(wù)、提供指導(dǎo)和建議并且做好督促和檢查。

由于已經(jīng)是大四階段，很多同學(xué)在外實(shí)習(xí)，加上考研的比例很大，所以不少學(xué)生直到期末交稿的截止期限前才真正開始做，這就很難保證課題研究的質(zhì)量。因此教師要經(jīng)常性的檢查，以增加他們的時(shí)間緊迫感，確保課題和論文完成的質(zhì)量。

第6篇

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 創(chuàng)新能力

計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器的結(jié)合是當(dāng)今儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向，這種結(jié)合有兩種方式，一種方式是將計(jì)算機(jī)裝入儀器中，這就是所謂的智能化儀器，隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大和體積的日趨縮小，這類儀器的功能越來越強(qiáng)大，有著廣泛的應(yīng)用前景。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)中，充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，這就是所謂的虛擬儀器。

一、虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室具有易于構(gòu)建，易于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)硬件及測(cè)試數(shù)據(jù)共享，便于異地在線檢測(cè)和遠(yuǎn)程測(cè)控等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得虛擬儀器在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中可以發(fā)揮重要作用。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，可以應(yīng)用現(xiàn)有設(shè)備搭建功能強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從而節(jié)省大量的購(gòu)置設(shè)備費(fèi)用，可以提高儀器界面的人機(jī)交互能力和可視化程度，給實(shí)驗(yàn)者提供更好用的儀器。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1.能充分利用計(jì)算機(jī)現(xiàn)有資源；2.容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)更新；3.自動(dòng)化、智能化程度高；4.功能齊全、靈活、方便。這些優(yōu)點(diǎn)在實(shí)踐教學(xué)中產(chǎn)生了不可忽視的作用，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足。虛擬儀器最簡(jiǎn)單的應(yīng)用就是代替常規(guī)的儀器，如函數(shù)發(fā)生器、示波器等，對(duì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生及波形記錄，可以取得較好的效果。用計(jì)算機(jī)虛擬出的函數(shù)發(fā)生器，其波形、頻率、幅值等都可用鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，完全能代替常規(guī)的儀器使用。學(xué)生可以利用這種虛擬儀器及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬儀器的設(shè)計(jì)和使用，大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、實(shí)驗(yàn)效果和效率，鞏固了他們對(duì)該課程和理論知識(shí)的掌握。

二、改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)創(chuàng)新人才

有關(guān)“測(cè)試自動(dòng)化”方面的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多數(shù)以驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生無需思考，按部就班地按照實(shí)驗(yàn)步驟就可以做完實(shí)驗(yàn)，缺乏設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。引入虛擬儀器系統(tǒng)，就可靈活地增加各種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容， 使學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自行設(shè)計(jì)各種軟面板，定義儀器的功能，以各種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)進(jìn)行分析。因此，虛擬儀器設(shè)計(jì)不僅能鍛煉學(xué)生的獨(dú)立構(gòu)思和設(shè)計(jì)能力，而且能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。

三、提高實(shí)驗(yàn)室水平，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新要求

虛擬儀器技術(shù)包括：信號(hào)調(diào)理技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)輸出和傳輸技術(shù)等，也就是說，虛擬儀器技術(shù)使過去互不相干、獨(dú)立分散的許多技術(shù)領(lǐng)域，相互影響，相互融合，并形成新的技術(shù)方法和規(guī)范。這就要求從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師具有綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰托酆竦睦碚摶A(chǔ)，能夠緊跟現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步伐，能夠不斷更新和調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法和手段，使實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備保持其先進(jìn)性。虛擬儀器的引入對(duì)人力資源的建設(shè)提出了更高的要求，而唯有人力資源得到有效的開發(fā)，才能使虛擬儀器發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

四、可以顯著降低試驗(yàn)成本和提高實(shí)驗(yàn)效率

傳統(tǒng)臺(tái)式儀器價(jià)格相對(duì)較貴，若購(gòu)進(jìn)一套新型的完整的測(cè)試設(shè)備少則幾萬(wàn)元，多則幾十萬(wàn)元，另外，還具有占用空間大、更換不方便的缺點(diǎn)。而虛擬儀器很大程度節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，提高了試驗(yàn)效率。虛擬儀器已在學(xué)生的畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)中開始推廣使用，這種訓(xùn)練不僅加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)虛擬儀器的工作原理、使用方法及功能的認(rèn)識(shí)，而且開闊了學(xué)生的思路和眼界，提高了處理問題和解決問題的能力。因此，開發(fā)和利用虛擬儀器系統(tǒng)是改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向，必將在我校實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域開辟新的天地。

建設(shè)現(xiàn)代化的教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展推動(dòng)了試驗(yàn)方式的改革，將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，不僅可更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，降低實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi)用，還可減少實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的人為誤差，提高實(shí)際測(cè)量的準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)效率較高。此外，在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，增加單位時(shí)間的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力的提高和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)等方面也收到了良好的效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

虛擬儀器克服了傳統(tǒng)儀器自成系統(tǒng)，功能單一，體積龐大，儀器繁多，操作次數(shù)過多出現(xiàn)滑絲、指示不準(zhǔn)等機(jī)械故障所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。不僅虛擬儀器工作平臺(tái)的PC機(jī)可以一機(jī)多用，就是實(shí)驗(yàn)室也可以一室多用，節(jié)省了大量的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，可緩解實(shí)驗(yàn)室空間不足，又使現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源得到充分利用。

將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，降低實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi)用，還可減少實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的人為誤差，提高實(shí)際測(cè)量的準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)效率較高。此外，在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，增加單位時(shí)間的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)等方面也收到了良好的效果。參考文獻(xiàn)：

[1]趙茜,夏慶觀.多功能虛擬測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表.2005.

[2]鄧焱,王磊.LabVIEW7.1測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

第7篇

關(guān)鍵詞：LabVIEW SQL；Server2008；LabSQL心電數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：R318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

傳統(tǒng)的心電圖診斷系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成：心電信號(hào)的記錄、分析和診斷結(jié)果表述。在以往的臨床經(jīng)驗(yàn)中，這三大功能通常由手工完成，并完全依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)[1]。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過虛擬儀器來實(shí)現(xiàn)心電圖的信號(hào)處理、結(jié)果表達(dá)，從而解決傳統(tǒng)心電圖診斷方法中數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳輸、存儲(chǔ)等方面的問題。LabVIEW作為虛擬儀器技術(shù)常用的應(yīng)用開發(fā)軟件，能夠充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，具有編程簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀等特點(diǎn)，與數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合可以建立良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2，3]。隨著心電采集技術(shù)的發(fā)展，很多對(duì)采集系統(tǒng)的拓展工作已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用，包括診斷系統(tǒng)的開發(fā)以及通過與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)等方面[4-6]。但是，這些拓展應(yīng)用中，主要側(cè)重于心電數(shù)據(jù)的采集、處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)龋^少關(guān)注心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)技術(shù)與管理。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理、維護(hù)是信號(hào)采集系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與LabVIEW虛擬儀器的結(jié)合，一方面可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理能力，另一方面可以發(fā)揮LabVIEW在信號(hào)采集上的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模心電數(shù)據(jù)的有效管理和維護(hù)。目前，四大權(quán)威心電數(shù)據(jù)庫(kù)[7]均為歐美國(guó)家建立，國(guó)內(nèi)在基于大規(guī)模人群的心血管流行病學(xué)調(diào)查分析方面同樣開展了相關(guān)研究工作，致力于構(gòu)建國(guó)人自己的心電數(shù)據(jù)庫(kù)[8-10]。大規(guī)模心電數(shù)據(jù)庫(kù)的建立離不開工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在虛擬儀器技術(shù)與心電信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)合的趨勢(shì)下，基于虛擬儀器技術(shù)平臺(tái)設(shè)計(jì)心電數(shù)據(jù)庫(kù)在工程實(shí)踐上有很重要的意義。

本文介紹基于LabVIEW心電信號(hào)采集平臺(tái)的心電數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。在LabVIEW環(huán)境下，搭建了基于LabSQL與SQL Server的心電數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，一方面利用LabSQL建立LabVIEW和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之間的連接，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與SQL Server之間的心電數(shù)據(jù)傳輸，方便心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另一方面設(shè)計(jì)了心電數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)表及數(shù)據(jù)表間關(guān)系，為心電數(shù)據(jù)的管理提供了便利。該系統(tǒng)已成功用在基于LabVIEW的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)中。基于LabSQL和SQL Server的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法具有通用性，可方便地推廣到與LabVIEW結(jié)合的數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)中，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

2基于LabSQL的數(shù)據(jù)庫(kù)連接

2.1基于LabVIEW的心電采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[13]。SQL Server在電子商務(wù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案等應(yīng)用中起著重要的作用，能針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)提供有效的管理，并有效地保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性。

3.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

臨床實(shí)踐中，心電圖可以作為診斷心臟類疾病檢測(cè)的主要手段。心臟類疾病的發(fā)生與病人的年齡、性別、個(gè)人史、其他疾病等有關(guān)[10]。因此，病人的基本情況是心電數(shù)據(jù)庫(kù)中重要的一部分。作為基于LabVIEW心電采集系統(tǒng)的一部分，心電數(shù)據(jù)庫(kù)主要數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)需要滿足采集系統(tǒng)需求。同時(shí)，數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)還需要參考標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)PTB（PhysikalischTechnische Bundesanstalt）中病歷的臨床摘要。PTB數(shù)據(jù)庫(kù)是心電研究中常用的標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)，具有十分重要的參考價(jià)值。

基于上述分析，心電數(shù)據(jù)庫(kù)可以劃分為三個(gè)表。

1）病人基本信息表（Patient）

病人基本信息表如表1，主要用于記錄病人的各項(xiàng)基本信息。其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)項(xiàng)如下：病人的病歷號(hào)、性別、年齡、檢查原因等，其中病人病歷號(hào)碼具有唯一標(biāo)識(shí)性，被選作該表的主鍵。主鍵是指在數(shù)據(jù)表中能唯一標(biāo)識(shí)表中每個(gè)數(shù)據(jù)行的一列或者多列。一個(gè)數(shù)據(jù)表只能有一個(gè)主鍵，并且主鍵列不允許取空值。SQL Server 會(huì)自動(dòng)為主鍵創(chuàng)建索引。在使用主鍵時(shí)，該索引可以加快訪問速度并有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的唯一性。

4結(jié)束語(yǔ)

在LabVIEW環(huán)境下，利用LabSQL工具包的相關(guān)子VI模塊，實(shí)現(xiàn)了與SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在專門設(shè)計(jì)的心電數(shù)據(jù)庫(kù)中，搭建了完整的心電數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含病人的基本信息和心電數(shù)據(jù)記錄，有效地實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模心電數(shù)據(jù)輸入和管理的自動(dòng)化。該心電采集系統(tǒng)及心電數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，為心電數(shù)據(jù)的臨床分析和集中研究提供便利。

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第8篇

關(guān)鍵詞:機(jī)械參數(shù);測(cè)試系統(tǒng);虛擬儀器

中圖分類號(hào):TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16723198(2010)01029302

1 機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)概述

機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)的基本任務(wù)是從測(cè)試對(duì)象獲取反映其變化規(guī)律的動(dòng)態(tài)信息,一個(gè)功能完善的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、信號(hào)分析處理裝置和顯示與記錄等功能模塊組成,無疑,討論和設(shè)計(jì)機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)及其構(gòu)成要素,是十分有意義的。

測(cè)試系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)是信號(hào)的傳感,即是將被測(cè)量的量或被觀察的量通過一個(gè)被測(cè)量傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)電的、液壓的、氣動(dòng)的或其他形式的物理量,被測(cè)的或被觀察的量與被轉(zhuǎn)換的輸出量之間根據(jù)可利用的物理定律應(yīng)該具有一種明確的關(guān)系。傳感器就是用來完成這種轉(zhuǎn)換的裝置。

第二個(gè)環(huán)節(jié)為信號(hào)的轉(zhuǎn)換和調(diào)理。被測(cè)物理量經(jīng)傳感環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感或者電壓、電流、電荷等電參量的變化,由于在測(cè)試過程中不可避免地遭受各種內(nèi)、外干擾因素的影響,且為了用被測(cè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示、記錄和控制等儀器或進(jìn)一步將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此經(jīng)傳感后的信號(hào)尚需進(jìn)過調(diào)理、放大、濾波、運(yùn)算分析等一系列加工處理,以抑制干擾噪聲、提高信噪比,便于進(jìn)一步傳輸和后續(xù)環(huán)節(jié)中的處理。

第三個(gè)環(huán)節(jié)是是對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析處理以及顯示記錄,包括信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析、相關(guān)分析等。原始波形顯示、處理后波形顯示等。從而還可以分析出機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的工況等。

2 虛擬儀器技術(shù)在機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,對(duì)現(xiàn)在的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)影響很大,特別是相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)來講。以前要用特定的儀器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析,但是利用虛擬儀器組建的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)卻不用專用的儀器,而是利用計(jì)算機(jī)作為連接虛擬儀器軟硬件的平臺(tái),信號(hào)源通過調(diào)理后數(shù)據(jù)采集卡就可以獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)和儀器的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。

測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬測(cè)試儀器、計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)及虛擬儀器三個(gè)階段。現(xiàn)代機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)以計(jì)算機(jī)為中心,計(jì)算機(jī)的發(fā)展必然促進(jìn)測(cè)試技術(shù)和儀器的發(fā)展。在此背景下,虛擬儀器的產(chǎn)生也就水到渠成。

在虛擬儀器中,軟件是虛擬仗器系統(tǒng)的關(guān)鍵,目前國(guó)內(nèi)外這種軟件主要有美國(guó)DSP公司的DADISP軟件,以實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理分析和表示見長(zhǎng)美國(guó)NI公司的系列虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美國(guó)QUATECH公司的DASLab軟件包和惠普公司的VEE軟件平臺(tái)都是可以搭建虛擬測(cè)試系統(tǒng)的軟件平臺(tái),以圖形化編程和界面靈活見長(zhǎng)。

由于PC的功能變得越來越強(qiáng)大,速度快,價(jià)格低,在標(biāo)準(zhǔn)PC上連接一個(gè)或多個(gè)儀器模塊構(gòu)成測(cè)試儀器成為一種趨勢(shì)。這種儀器即為虛擬儀器。

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW中,“所見即所得”的可視化技術(shù)是應(yīng)用于測(cè)試領(lǐng)域的雛形。虛擬儀器注重測(cè)試人員在進(jìn)行工作中的感覺。用仿真的面板給人以真實(shí)儀器的感覺,用豐富的曲線圖像向測(cè)試人員傳遞信息,是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械工程測(cè)試領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用趨勢(shì)。

在機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)中,應(yīng)用虛擬儀器編的越來越普遍,因?yàn)楹芏鄠鹘y(tǒng)的硬件設(shè)備在虛擬儀器中都可以用軟件代替,從而降低了大量的設(shè)備浪費(fèi),降低了成本,并且還可以直觀化的顯示其結(jié)果,將多種的傳統(tǒng)儀器合并到一套虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)中,有利于編程,也有利于增強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

3 機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

3.1 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

虛擬應(yīng)變測(cè)試硬件系統(tǒng)組成如下:

虛擬式應(yīng)變測(cè)試儀由硬件和軟件兩大部分組成,這里采用PCDAQ體系結(jié)構(gòu)組建虛擬儀器。其原因是因?yàn)镻CDAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器系統(tǒng),它充分利用了主流和普及的PC機(jī)總線、機(jī)箱、電源以及豐富的軟件,以極少的硬件就能形成功能完備的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái),這種方案的性價(jià)比最佳。

下圖是一個(gè)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集過程示意圖,從這個(gè)圖中可以看到模擬的信號(hào)通過設(shè)定的通道以后,再經(jīng)過多路開關(guān),經(jīng)過刀D轉(zhuǎn)換等將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),這些信號(hào)到達(dá)計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)中的已經(jīng)編好的LabVIEW程序?qū)ζ湫盘?hào)進(jìn)行分析處理。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集時(shí),采樣頻率、采樣通道以及采樣點(diǎn)數(shù)是需要用戶設(shè)定的參數(shù),用戶通過前面板的參數(shù)選擇項(xiàng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置,這些范圍和數(shù)據(jù)采集卡的精度有關(guān)。本文設(shè)計(jì)的應(yīng)變測(cè)試這一塊,對(duì)與滿足數(shù)據(jù)采集卡精度要求的應(yīng)變信號(hào),都可以通過數(shù)據(jù)采集卡,并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)設(shè)定的分析。

3.2 位移測(cè)試系統(tǒng)

位移檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。位移檢測(cè)是機(jī)械量檢測(cè)的基礎(chǔ),將機(jī)械量轉(zhuǎn)化成位移量來檢測(cè)是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分之一。對(duì)位移的檢測(cè)不僅為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全提供了重要數(shù)據(jù),同時(shí)也為其他參數(shù)的檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的關(guān)鍵是信號(hào)的轉(zhuǎn)換即傳感器的選用。本文對(duì)位移的測(cè)量通過電渦流位移傳感器CWYDO504將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量;通過傳感器把非電量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號(hào),再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過程中,為了保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性與測(cè)試精度,在測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中必須注意傳感器地選擇、信號(hào)調(diào)理模塊的選擇以及系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行位移測(cè)量時(shí),本檢測(cè)系統(tǒng)可以將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)供數(shù)據(jù)采集卡。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)位移傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)可以進(jìn)行電壓信號(hào)的采集,最后通過標(biāo)定將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移信號(hào),實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。位移信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后,傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡中,數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司生產(chǎn)的PXL-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡。

3.3 壓力測(cè)試系統(tǒng)

本測(cè)試系統(tǒng)是以液壓試驗(yàn)平臺(tái)為測(cè)試平臺(tái)而進(jìn)行的一系列機(jī)械量測(cè)量測(cè)試,以此液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)做壓力信號(hào)源,隨著液壓系統(tǒng)向高壓、大功率、高精度方向發(fā)展,液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜,故障率也隨之增加,安全問題日益突出,因此,在液壓系統(tǒng)工作過程中,需要確切的了解液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力和流量等,這對(duì)于防止系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障和有效提高系統(tǒng)工作效率具有十分重要的意義。所以本系統(tǒng)選取液壓試驗(yàn)平臺(tái)的液壓管道壓力為被測(cè)對(duì)象。

數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術(shù)之一,也是LabVIEW與其他編程語(yǔ)言相比較的優(yōu)勢(shì)所在。使用LabVIEW的DAQ技術(shù),模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的DAQ中的一個(gè)主要功能,為用戶提供了功能強(qiáng)大、方便快捷的模擬信號(hào)采集解決方案。

壓力信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后,傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡中,數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司生產(chǎn)的PXI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡,其主要功能參數(shù)如下:

(1)16路模擬輸入通道,16位精度,1.25MS/S采樣率;

(2)2路模擬輸出,16位精度,2.8Ms/s輸出速度;

(3)24路數(shù)字I/O,2路定時(shí)計(jì)數(shù)器。

3.4 流量測(cè)試系統(tǒng)

本測(cè)試系統(tǒng)是以液壓試驗(yàn)平臺(tái)為測(cè)試平臺(tái)而進(jìn)行的一系列機(jī)械量測(cè)量測(cè)試,以此液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)做流量信號(hào)源,以液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的對(duì)于液壓系統(tǒng)來說,最重要的兩個(gè)參數(shù)就是流量和壓力,兩個(gè)參數(shù)要求精度高,穩(wěn)定性好,易于調(diào)節(jié)。在多功能液壓測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)中,流量調(diào)節(jié)控制涉及到電機(jī)、變量泵、流量調(diào)節(jié)閥、排量反饋傳感器、電控模塊、流量傳感器、計(jì)算機(jī)、管路等多個(gè)環(huán)節(jié),影響流量的有負(fù)載、壓力、溫度、泄漏等因素。在液壓測(cè)試中,要得到準(zhǔn)確的流量參數(shù)、必須對(duì)流量調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析計(jì)算,確定各環(huán)節(jié)對(duì)流量的影響。并采取措施改善流量調(diào)節(jié)的精確性和穩(wěn)定性。以提高流量控制精度。

根據(jù)本液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),流量傳感器要求流量變化范圍:0.6-6m3/h,精度要求:1級(jí)。

通過信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)可以與數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備相連,通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡,與計(jì)算機(jī)的連接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火線等各種總線。本文選用PXI總線的PXL-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx軟件,選擇物理通道和任務(wù)輸入通道進(jìn)行流量信號(hào)采集。

3.5 溫度測(cè)試系統(tǒng)

溫度是機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)非常重要的參數(shù),許多系統(tǒng)的工作都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的,需要測(cè)量溫度和控制溫度的場(chǎng)合及其廣泛。目前的溫度測(cè)量控制系統(tǒng)常采用單片機(jī)控制,該技術(shù)應(yīng)用十分廣泛,但其編程復(fù)雜,控制不穩(wěn)定,系統(tǒng)的精度不高。而利用虛擬儀器開發(fā)和設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng),采用普通PC機(jī)為主機(jī),利用圖形化可視軟件LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái),來監(jiān)測(cè)溫度的變化情況,采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示等。設(shè)備成本低,使用方便靈活。

模塊化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示和分析結(jié)果以及整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn),具有直接影響,本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)這一模塊,充分利用集成的功能全面的DAQ函數(shù)庫(kù)和子VI,設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制,包括觸發(fā)控制、通道控制等的數(shù)據(jù)采集模塊。

4 機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

在對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試過程及傳統(tǒng)的測(cè)試儀器和現(xiàn)有的虛擬測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究后,本文的系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)為:

(1)本文設(shè)計(jì)開發(fā)的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),可以在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中同時(shí)組建應(yīng)變、位移、壓力、流量和溫度測(cè)試系統(tǒng)。并且每個(gè)測(cè)試系統(tǒng)用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)前后面板,方便程序設(shè)計(jì)和用戶操作與控制。

(2)采用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和查詢。基于需要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用、管理和查詢,并且處理的數(shù)據(jù)量大,本文設(shè)計(jì)通過數(shù)據(jù)庫(kù)來存儲(chǔ)、管理和查詢數(shù)據(jù)。建立一個(gè)Access數(shù)據(jù)源,通過ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù),充分利用ADO的靈活性,通過編程模型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作,執(zhí)行用戶命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理。利用ADO技術(shù)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問包-LabSQL,用戶可以直接在LabVIEW中以調(diào)用子VI的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。

(3)每個(gè)測(cè)試儀在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),選用的模型是“菜單選擇結(jié)構(gòu)”。在后面板中利用“case”結(jié)構(gòu)完成在前面板中不同的按鈕選擇,選擇好一個(gè)測(cè)試以后,這個(gè)測(cè)試儀就可獨(dú)立的工作。在完成相關(guān)的需要的工作后可以選擇退出,也可以選擇進(jìn)入到另一個(gè)測(cè)試儀。利用菜單編輯器對(duì)程序進(jìn)行編輯,要改變程序的操作項(xiàng)直接從菜單編輯器中修改,為程序作總體設(shè)計(jì)。

(4)前后面板的人性化設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)包括前面板和程序框圖兩部分,系統(tǒng)前面板由參數(shù)設(shè)置和五個(gè)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)用戶在前面板操作相應(yīng)的功能時(shí),后面板的程序框圖有與之協(xié)調(diào)的字VI運(yùn)行,這樣可以保證運(yùn)行操作的同步性和準(zhǔn)確性。同時(shí)在前臺(tái)對(duì)話框有供測(cè)試人員填寫參數(shù)或者選擇功能界面。為了便于后續(xù)人員按自己的要求進(jìn)行小范圍修改,后面板程序框圖也以直觀簡(jiǎn)潔的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文以虛擬儀器LabVIEW為開發(fā)平臺(tái),按照機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)的要求,充分利用已有的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)資源,開發(fā)了便于更新、機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、中文界面的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng),提高了測(cè)試的綜合應(yīng)用效率。

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第9篇

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 大學(xué)物理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）08（a）-0068-02

1 簡(jiǎn)介

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程是高等理工科院校對(duì)大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修通識(shí)課程，是學(xué)生進(jìn)行物理課程學(xué)習(xí)以及專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。它具有多樣化的實(shí)驗(yàn)方法和手段以及綜合性很強(qiáng)的基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維、創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實(shí)際能力，引導(dǎo)學(xué)生確立正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法，提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)以適應(yīng)科技發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步等方面有著十分重要的意義。

高校擴(kuò)招及社會(huì)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出更高要求，使得各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的缺陷凸顯，學(xué)校面臨實(shí)驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量和數(shù)量不足，無法為廣泛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效的支持，學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)欠缺等嚴(yán)峻形勢(shì)。2001年，教育部提出了積極開展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的建議，鼓勵(lì)各大高等院校搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)資源的共享與互補(bǔ)。

基于虛擬儀器的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室是利用虛擬儀器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由客戶端、實(shí)驗(yàn)管理服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)驗(yàn)單元和實(shí)驗(yàn)儀器單等部分組成，具有良好的資源共享性、互動(dòng)操作性、擴(kuò)展性和安全性，允許多用戶、多實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，可以讓學(xué)生在任何時(shí)候、從任何地點(diǎn)訪問實(shí)驗(yàn)室，從而大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)方式上可以彌補(bǔ)普通教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不足或輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)；在教學(xué)模式上可綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完成傳統(tǒng)教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，因而在各高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

在對(duì)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)值得改進(jìn)和加強(qiáng)的地方，在此提出，以供商榷，期望虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苋照橥昝溃N近《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的要求，在課程教學(xué)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面發(fā)揮更大作用。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的更多期待

2.1 虛擬儀器更趨真實(shí)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)是虛擬儀器。虛擬儀器是在美國(guó)國(guó)家儀器公司1986年提出的“軟件就是儀器”這一口號(hào)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其概念是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)及必要的數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要，通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。與廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的、有固定的輸入輸出接口和操作面板的、只能實(shí)現(xiàn)一類特定測(cè)量功能的傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器的用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現(xiàn)“軟件就是儀器”這一概念。

虛擬儀器應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)將有助于改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源開展網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，并可開出符合課程內(nèi)容的許多新實(shí)驗(yàn)，改變實(shí)驗(yàn)技術(shù)跟不上新技術(shù)的局面，使學(xué)生的創(chuàng)新能力及掌握新技術(shù)、新知識(shí)的能力得以提高。但目前虛擬實(shí)驗(yàn)儀器模型的種類比較缺乏，無論就外觀還是功能而言，其真實(shí)性與實(shí)驗(yàn)室的具體實(shí)驗(yàn)器材相比都還存在欠缺之處，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)產(chǎn)生疑問，無所適從，不利于知識(shí)的遷移。比如光學(xué)中的邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)，不同廠家生產(chǎn)的儀器在外觀、調(diào)節(jié)部件及功能等方面有較大的差別，如果學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中接觸的儀器與實(shí)際操作所使用的儀器相去甚遠(yuǎn)的話，學(xué)生的困惑是可想而知的。因此，完善虛擬元件模型，豐富虛擬器材品種，增強(qiáng)虛擬儀器的仿真效果，是一般認(rèn)知過程的需要，它既可加深學(xué)生對(duì)儀器本身設(shè)計(jì)原理的理解，也有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和缺陷，激勵(lì)學(xué)生探索性思維。

2.2 包含更豐富的實(shí)驗(yàn)原理

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)與提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本素質(zhì)，確立正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法；培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力；培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。課程教學(xué)的基本要求是學(xué)生具有理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度，主動(dòng)研究的探索精神，遵守紀(jì)律，團(tuán)結(jié)協(xié)作和愛護(hù)公共財(cái)產(chǎn)的優(yōu)良品德。要完成上述教學(xué)的主要任務(wù)和基本要求，教學(xué)過程的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)就是學(xué)生要對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有一個(gè)比較正確、全面和清晰的認(rèn)識(shí)理解。

目前，主流的仿真虛擬軟件在知識(shí)導(dǎo)航的設(shè)計(jì)上基本上延續(xù)了傳統(tǒng)多媒體課件的導(dǎo)航模式，通過使用圖片、動(dòng)畫、語(yǔ)音等多媒體元素，以線性結(jié)構(gòu)展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程。這種模式不僅使學(xué)生比較難于在短時(shí)間內(nèi)掌握實(shí)驗(yàn)的整體框架和關(guān)鍵操作要領(lǐng)，而且忽略了實(shí)驗(yàn)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)及指導(dǎo)作用，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)知和理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如果能充分利用易于被學(xué)生接受的視覺及聽覺技術(shù)來展示實(shí)驗(yàn)原理，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中貫穿實(shí)驗(yàn)原理這一條主線，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到全部的實(shí)驗(yàn)都是基于實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行的，都是在實(shí)驗(yàn)原理的框架下完成的，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)和理解無疑會(huì)更上一層樓，對(duì)科學(xué)思想和科學(xué)方法方面的領(lǐng)悟會(huì)更深入，對(duì)理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)也會(huì)更有效。

2.3 能夠再現(xiàn)復(fù)雜具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)萬(wàn)千世界的重要方法。實(shí)驗(yàn)研究和理論研究作為兩種相輔相成的科學(xué)研究方法，是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展的重要力量。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以其直觀性、實(shí)踐性、創(chuàng)造性等優(yōu)點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)、提高動(dòng)手能力、掌握科學(xué)研究方法等方面發(fā)揮著重要作用。虛擬實(shí)驗(yàn)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合起來，改變了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建模式，可提升實(shí)驗(yàn)儀器的整體性能，突破實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)空限制，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的變革。

虛擬實(shí)驗(yàn)的最終目的是為了認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界，也就是說，虛擬實(shí)驗(yàn)最終是要回到復(fù)雜具體的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的。我們從虛擬世界獲得的知識(shí)，其在現(xiàn)實(shí)世界中的有用，或者說有效程度，取決于虛擬對(duì)現(xiàn)實(shí)的模擬程度。目前的虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本上都是理想化的：儀器是標(biāo)準(zhǔn)的，方法是正確的，環(huán)境是理想的，結(jié)果是完美的，一切都是無誤差的，因?yàn)槎际怯稍O(shè)計(jì)好的程序來實(shí)現(xiàn)的。但真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境卻是復(fù)雜而具體的：實(shí)驗(yàn)儀器需要組裝、調(diào)試和校準(zhǔn)，同一套實(shí)驗(yàn)方法的施行也會(huì)因人而異，實(shí)驗(yàn)環(huán)境會(huì)因時(shí)因地而改變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也就包含了多方面的誤差在內(nèi)。所以，如果能在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中增加對(duì)一些對(duì)常見環(huán)境變化的模擬，考慮一些可預(yù)知的人的因素，使其所虛擬的實(shí)驗(yàn)更加接近真實(shí)，其教學(xué)效果或許會(huì)更加優(yōu)秀。仍以邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)為例，如果能把底座不水平、兩端鏡距離過大（即超出相干長(zhǎng)度）、兩鏡不平行時(shí)如果夾角逐漸增大或減小、沒放置補(bǔ)償板等情況都模擬實(shí)現(xiàn)的話，該虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)情況的差距即可得到進(jìn)一步的改善。

2.4 對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母嗯囵B(yǎng)

培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力是《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的主要任務(wù)之一。與所有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一樣，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中尤為重要。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，開展探索型實(shí)驗(yàn)是使學(xué)生獲得創(chuàng)新能力培養(yǎng)鍛煉的有效方式之一。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣，虛擬實(shí)驗(yàn)也可分為演示型實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手操作型實(shí)驗(yàn)和探索型實(shí)驗(yàn)。在探索型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體過程，他們必須自己思考如何選擇及操作實(shí)驗(yàn)儀器，如何實(shí)施及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程，如何判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和誤差程度，如何總結(jié)規(guī)律或發(fā)現(xiàn)問題等等。所以這類虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具備極強(qiáng)的交互能力：虛擬儀器應(yīng)具有真實(shí)設(shè)備的所有功能屬性；實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)該可以自主調(diào)整；測(cè)量結(jié)果應(yīng)反映真實(shí)情況等。如此，學(xué)生方可通過虛擬而探索出真知，達(dá)到對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中，為了利用虛擬實(shí)驗(yàn)，達(dá)到較好的教學(xué)效果，期望虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谔摂M儀器的真實(shí)性、對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的更好體現(xiàn)、對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬，及對(duì)創(chuàng)新能力的更多培養(yǎng)等方面做得更多更好。

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