論高職虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理
摘 要：本文分析了虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)室中的優(yōu)點(diǎn)，論述了高職院校虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、虛擬實(shí)驗(yàn)室該如何進(jìn)行管理，并給出了應(yīng)用示例，運(yùn)用虛擬儀器構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室為高職院校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)展提供了一種新的模式。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器;實(shí)驗(yàn)室;建設(shè);管理
在信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合，形成了一種新概念儀器——虛擬儀器，它從根本上更新了儀器的概念，具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室反映時(shí)代的特征，時(shí)代的發(fā)展又推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，數(shù)字時(shí)代的到來使實(shí)驗(yàn)室走形變得虛擬化，促使其全方位的發(fā)生變化，呈現(xiàn)出虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室�；谔摂M儀器的實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生既可以在虛擬儀器上動(dòng)手操作，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，且不擔(dān)心儀器的損壞，有利于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。在采用虛擬儀器構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識(shí)，科學(xué)的指導(dǎo)和敏捷的反饋。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的到來將改變傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式，虛擬實(shí)驗(yàn)室是未來實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展方向，也帶來前所未有的發(fā)展空間。人們開始認(rèn)識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，它除了可以輔助高校的科研工作，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也具有如利用率高、易維護(hù)等等優(yōu)點(diǎn)。
1、基于虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)概念及優(yōu)點(diǎn)
在配有虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)室可謂虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。而虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的PC機(jī)儀器。它由通用個(gè)人計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件和相關(guān)控制軟件組成。借助于數(shù)據(jù)采集卡，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)，利用虛擬儀器進(jìn)行分析、測(cè)量，操作者通過友好的圖形用戶界面和圖形化編程語(yǔ)言來對(duì)儀器的運(yùn)行進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量信息的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)以及最后數(shù)據(jù)生成。
優(yōu)點(diǎn)：虛擬儀器是根據(jù)測(cè)量原理采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析和處理技術(shù)編制某種測(cè)量功能的軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試的儀器，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，利用虛擬儀器教學(xué)更好地融合了理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生的軟硬件技能同步提高;虛擬儀器軟硬件上模塊化的設(shè)計(jì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)的方式上更加靈活，也較容易掌握。
2、虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)
2.1 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的組成
虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室由硬件和軟件部件組成。從使用上講：操作者可十分精準(zhǔn)且快速的完成對(duì)被測(cè)量數(shù)據(jù)信息的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成，而不需耗費(fèi)大量時(shí)間去手動(dòng)調(diào)整和計(jì)算。從構(gòu)成上講：虛擬儀器是計(jì)算機(jī)，加上相應(yīng)硬件和相關(guān)專用軟件，實(shí)現(xiàn)既有普通儀器所具備的基本功能，又有普通儀器做不到的更多特殊功能的高檔低價(jià)現(xiàn)代化儀器，其功能多樣，測(cè)量準(zhǔn)確且易于實(shí)現(xiàn)。
2.2 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的配置
以電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用為例來配置電子類虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室不僅能實(shí)現(xiàn)普通儀器的全部功能且能實(shí)現(xiàn)在普通儀器上無法實(shí)現(xiàn)的一些特殊功能。
(1)普通計(jì)算機(jī)。
(2)虛擬儀器應(yīng)用中的開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)能提供圖形化界面，使用圖形化編程方式，提供大量的控件和儀器驅(qū)動(dòng)程序，可直接使用。
(3)五合一虛擬儀器，虛擬電子儀器及其配套應(yīng)用軟件。該儀器可實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器、示波器、電壓表、瞬態(tài)波形記錄儀、頻譜分析儀等五種儀器的功能。
(4)電子類實(shí)驗(yàn)室常用的萬用表和直流穩(wěn)壓電源等等常用設(shè)備。
通過上面這些基本配置，教師可以將先進(jìn)技術(shù)帶入課堂，能對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可進(jìn)行設(shè)計(jì)性、綜合性和開發(fā)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。老師和學(xué)生通過對(duì)各虛擬面板的操作即可完成所有的電子技術(shù)類實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在動(dòng)手操作過程中，也不會(huì)因一時(shí)誤操作而損壞儀器，從而使學(xué)生大膽實(shí)驗(yàn)，大膽創(chuàng)新，也增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，還可減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量中的造成人為誤差，提高實(shí)際測(cè)量的精準(zhǔn)度，增加單位時(shí)間內(nèi)完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不但實(shí)驗(yàn)效率高且實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量好。目前虛擬儀器的出現(xiàn)不但給儀器儀表和測(cè)試領(lǐng)域帶來了深刻的變革，也給高職院校的工科類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)注入了新活力。通過實(shí)踐證明，進(jìn)入虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室教學(xué)比普通實(shí)驗(yàn)室教學(xué)效果要好很多。
2.3 建設(shè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)很多，現(xiàn)從教學(xué)方面來考慮只說以下兩大優(yōu)勢(shì)：
(1)大量減少建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的資金投入。
計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)步很快，實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)處理功能的軟件算法精度變得越來越高，速度也是越來越快，而采用虛擬儀器建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室能在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀等儀器的功能，在實(shí)際操作中用軟件算法替代傳統(tǒng)的電子線路、實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種信號(hào)處理功能乃至更多的特殊功能，而傳統(tǒng)儀器購(gòu)置費(fèi)用高，維護(hù)費(fèi)用也高，還需要耗費(fèi)大量的人力物力，建設(shè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室可大大節(jié)約購(gòu)買各種設(shè)備的費(fèi)用，故減少了建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的資金投入。
(2)良好的人機(jī)界面，可操作性強(qiáng)，教學(xué)效果好。
對(duì)于利用計(jì)算機(jī)來管理儀器的虛擬儀器，根據(jù)實(shí)踐項(xiàng)目的需要能重新定義各種常用設(shè)備，如需進(jìn)行測(cè)量溫度時(shí)虛擬儀器就是溫度計(jì)，如需進(jìn)行測(cè)量萬用表實(shí)現(xiàn)的功能時(shí)，它可轉(zhuǎn)變成萬用表。在實(shí)際使用中不僅具有良好的人機(jī)界面，且操作性很強(qiáng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以隨時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)操作不當(dāng)之處能立馬改正，同學(xué)們也愿意去動(dòng)手動(dòng)腦操作，從而提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)具有眾多優(yōu)勢(shì)，作為走在時(shí)代最前沿的教育工作者，應(yīng)積極地把虛擬化技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室開發(fā)中，把握時(shí)代脈搏，發(fā)揮虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室在新時(shí)代教學(xué)和科研中的巨大作用。
3、虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的管理
3.1 定期對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。
虛擬儀器是采用應(yīng)用程序?qū)C機(jī)與相關(guān)硬件模塊結(jié)合起來的一種新型的儀器系統(tǒng)，通過軟、硬件的配合實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能。它充分利用具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以特定的軟件算法代替相應(yīng)的電子線路。若市場(chǎng)出現(xiàn)新的教學(xué)儀器，而虛擬儀器當(dāng)前不能實(shí)現(xiàn)其功能，則需操作者對(duì)現(xiàn)有儀器進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)，從而達(dá)到不需購(gòu)置新設(shè)備卻能滿足教學(xué)所需。
3.2 開放式管理，擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模。
虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室完全能實(shí)行開放式的管理，學(xué)生通過業(yè)余可進(jìn)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，指導(dǎo)老師通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程。這種開放室管理方式既能使實(shí)驗(yàn)室資源充分利用，也能滿足學(xué)生求知欲望;既大量節(jié)省了的購(gòu)置設(shè)備費(fèi)，也緩解了實(shí)驗(yàn)室的不足問題，無形中提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率，也擴(kuò)大了實(shí)踐教學(xué)規(guī)模。從學(xué)校資財(cái)投入方面、教師管理方面、實(shí)驗(yàn)室的利用方面和學(xué)生學(xué)習(xí)方面來說都是完全有利的。
3.3 網(wǎng)絡(luò)化的管理，用技術(shù)提升管理服務(wù)。
隨著科技的發(fā)展，虛擬儀器可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測(cè)試系統(tǒng)，也能構(gòu)建比較復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，還能進(jìn)行過程監(jiān)控及故障診斷。將虛擬儀器技術(shù)與Internet技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運(yùn)用，這種管理方式深受管理者和師生滿意。
虛擬儀器技術(shù)結(jié)合多媒體、數(shù)字化校園網(wǎng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的教學(xué)手段。使用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)能提高同學(xué)們實(shí)踐動(dòng)手的興趣、勇于大膽創(chuàng)新能力、降低建設(shè)實(shí)驗(yàn)室成本且能達(dá)到很好的教學(xué)效果等頗多益處。伴著虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的使用價(jià)值不可估量。
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