基于虚拟仪器的实践教学平台建设

（1.重庆大学通信工程学院；重庆 400030；2.重庆师范大学物理学与信息技术学院，重庆 400044）

摘要：本文针对实践教学中受到教学软件和硬件条件的限制，不能满足实践教学的要求，建议加强虚拟仪器的平台建设，提供良好的实验仿真效果和逼真的实验模拟效果。虚拟仪器不但让学生能模拟实验环节，而且让学生充分体验虚拟实验环境，达到提高教学质量，提升科研的便捷性和实用性的目的。

关键词：虚拟仪器；仿真实验；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）21-0180-02

一、引言

实践教学在教学中具有重要的地位，一方面实践教学可以提高理论教学的深度和广度，另一方面实践教学可以培养学生的实际操作能力，培养合格技术工人和研发人才。实践教学需要一定的仪器设备和实践场地，特别是需要配备与教学配套的仪器和响应的软件。但是受到各方面条件的限制，仪器设备的配置可能不能满足实践教学的要求，需要采用虚拟设备弥补实践条件的不足。同时一些理论知识也无法采用实验仪器进行测量，需要采用虚拟仪器更能方便地显示工程或物理属性的本质。因此，基于虚拟仪器的实践教学平台的建设对提高总体教学质量具有重要的意义。下面先介绍存在的一些问题，然后提出基于虚拟仪器的实践创新平台建设的建议。

二、创新实践平台建设存在的问题

随着高校的大规模扩招，学生的实践资源日益紧张。从学生的实践条件分析，原来可以一人一台的科研仪器可能变成几人公用一台，甚至由于人员太多无法进行对应的实践教学。虽然许多高校近几年购买了许多高精尖的设备，但是实践教学资源的增长远远跟不上学生扩招的数量。因此现教学过程中经常要求多人共同做实验，无法独立完成实验过程，失去独立深入研究的锻炼机会，这些都不利于学生的实际动手能力的提高。一些实践基地同样不能提供如此众多的学生来实践。无论是实践的平台，还是实践的操作仪器，可能都无法供应如此众多的学生来实习。从教师的指导实践能力的角度分析，自从扩招以后，学生的实践教学也可能无法保证一对一的指导，即使满足一对一的指导，指导的时间也大幅下降，不能达到预期的教学效果。教师面对学生人数众多的问题，许多实践指导只能做示范教学，做示范性实验操作。学生实际操作过程中教师的指导工作就减少了，对于一些自觉性较差的学生，极容易造成达不到实践教学的效果。因此，由于实验条件的限制，无法给每个学生配备研究仪器和设备。而开发虚拟实验室，弥补教学资源不足，是一项有效的促进学生教学质量的教学方法。它是与许多相关学科领域交叉、集成的产物。虚拟实验快速、方便、简洁，比较真实地模拟了整个实验的过程，使学生不受时间和空间限制随时可以操作实验，为科研型学生提供了生动、逼真的实验学习环境，在培养科研型学生的实际操作技能方面起到积极的作用，并且可以接触现有条件不能开展的实验，将理论与实践很好地结合起来，实现工科学生应用能力的培养。

三、基于虚拟仪器的实践教学平台

为了解决实验课程和实践课程资源紧张、实验耗材昂贵、大型仪器和精密仪器昂贵的问题，可以采用最新虚拟实验室解决部分实验条件短缺的问题。虚拟实验室可以由计算机构成的网络系统创建虚拟实验室，为实验者提供模拟现实的实验环境，完成类似实际的实验过程，具备实际实验的多感知性、交互性、现实性、开放性和可重复性。所取得的实验效果与真实的实验效果一致，比真实实验环境更利于进行反复验证实验，以致部分虚拟实验效果好于真实的实验效果。对于信息类学生，充分应用虚拟仪器进行实验，得到的仿真结果可以为实际的实验过程做指导。例如射频电路设计中，可以通过虚拟实验得到各种射频电路的仿真效果，然后根据设计的电路进行实际制作，可以减少盲目的实验调试过程。在智能通信的研究过程中，同样可以通过小波分析专用软件、Matlab软件和Simulink等专用分析软件嵌入到应用虚拟仪器中，通过仿真得到信号分析结果，为前期的设计提供必要的理论和仿真论证结果的前期支撑。虚拟仪器能够实现视觉感知、运动感知、嗅觉感知和听觉感知等感知技术，虚拟真实环境，通过对环境中对象的交互操作，使得学生最大限度地进行模拟实验。模拟实验环节错误带来的严重问题，模拟实验环节仪器操作步骤不同带来的不同结果，也可以通过加入不同的实验条件和虚拟实验器件模拟不同的结果，这种开放的交互性虚拟环境，可以加深学生对理论知识的理解，是实际实验过程所无法比拟的，也是虚拟实验的优势所在。对虚拟实验环境，可以在任意时间，在授权的条件下进行，这也是虚拟实验的优势所在，可以有效弥补教学资源不足带来的问题。如电磁场理论就可以采用虚拟仪器进行仿真，得到电场和磁场的相互作用，并且实现电磁场的动态传播特性，这种立体的展示效果可以让学生非常清楚地认识电场产生磁场，磁场反过来又激发电场，并随着时间和空间的推移，电磁场在空间得到传播。在机械动力理论方面也可以用虚拟仪器实现机械结构的相互作用，体现了力和装置的相互作用，这些应用不胜枚举。随着科学技术的飞速发展，虚拟仪器的应用必将得到广泛的应用，提高教学质量，提升科研的便捷性和实用性。

四、总结

本文针对实践教学中受到各方面条件的限制和一些仪器设备的配置可能不能满足实践教学的要求，建议加强虚拟仪器的建设，提供实验仿真和逼真的模拟效果，能模拟实验环节，让学生充分体验虚拟实验环境，达到提高教学质量，提升科研的便捷性和实用性的目的。

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收稿日期：2016-11-14

基金项目：1.重庆大学大类系列课程建设项目（类别：电磁场原理系列课程）；2.重庆大学教学改革研究项目（编号：2014Y18）；3.重庆大学本科校级优质重点课程（系列）建设（项目名称：电磁场原理I）；4.重庆师范大学博士启动基金（编号：16XLB015）；5.2016年重庆市研究生教育教学改革研究项目（项目编号：yjg20162026）；6.重庆大学本科校级优质课程建设（项目名称：数字通信原理）

作者简介：陈建军，男，重庆大学通信工程学院讲师，博士，从事电磁场和信息技术处理。