虚拟仪器在中学教学中的应用

【摘 要】虚拟仪器是计算机自动化测控技术发展的产物，它不仅在工业过程中有广泛的应用，在中学教学尤其是实验课堂中也具有良好的应用前景。学校教育的宗旨是为培养有创新能力的优秀人才。但在目前教育形式下，由于教学实验设备周期及资金投入有限，中学教育还未实现最终目的。虚拟仪器在教学中的应用，改善了传统的实验教学方法，有效地强化了实验教学的效果。在阐述虚拟仪器与传统仪器比较的明显优势的基础上，结合虚拟仪器实验教学的应用实例，对虚拟仪器在中学教学实验中应用的优越性进行了探讨。

【关键字】虚拟仪器；实验教学；应用实例；中学教学

引言

学校教育是为不断进步的社会培育人力资源的重要模式。教育宗旨是为现代企业输送具备“信息素养”、能以信息技术改造传统工业、进行技术创新和高新技术引入的综合性人才。创新精神与创造性实践能力是教育的关键。实践教学是能力培养的重要环节，是人才培养质量的重要保证。现实中，基于教学仪器设备使用周期及资金投入所限，校园实验室配置大多滞后于当前先进科技。实验条件的改善是人才培养所面临的主要问题。计算机科学与微电子技术的发展，为现代化实验室建设提供了可行性。虚拟仪器技术的引入从根本上解决了实验室建设巨额投资与仪器设备使用周期所带来的滞后效应，对改善中学实验教学条件及效果会起到事半功倍的作用。

一、虚拟仪器的产生与内容

在对集成化、数字化、智能化电子仪器需求越来越迫切的形势下，计算机技术、仪器技术和通讯技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器——虚拟仪器。虚拟仪器其基本思想是利用计算机管理仪器，组织仪器系统，将传统仪器中某些硬件电路由软件实现，进而逐步代替仪器完成某些功能，如数据采集、分析、显示和储存等。即实现软件代替硬件。

回顾电子仪器的发展大约经历了4代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。模拟仪器基本结构为电磁机械式；数字化仪器以数字形式显示输出结果；智能仪器内嵌微处理器，既能自动测试又有一定的数据处理功能；虚拟仪器是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物。虚拟仪器利用计算机的图形能力和数值处理功能，建立图形化的虚拟仪器面板，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用户通过操作这台计算机，就像操作一台自己专门设计的传统电子仪器一样。它打破了仪器功能只能由生产厂家定义、用户无法改变的模式，虚拟仪器还可跟计算机同步发展，不断升级自身功能，特别适合教学、科研与生产制造部门，是仪器产业发展的重要方向。

虚拟仪器归纳起来包括硬件系统（如图1）和应用软件系统两大部分。

图1 虚拟仪器硬件系统

虚拟仪器核心思想是把本来需要硬件或电路实现的技术软件化、虚拟化，最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。虚拟仪器软件包括从低层到高层的三部分，如图2所示。

图2 虚拟仪器的软件结构

虚拟仪器是计算机自动测控技术发展的产物，它不仅在工业过程中有广泛的应用，在普教中也具有良好的应用前景。重点是对中学物理实验的开发与应用。中学教师可以在NI LabVIEW中学版的帮助下，通过指导学生进行实际操作，向学生生动地展示科学、技术、工程以及教学方面的概念和理论。LabVIEW可以轻松快速的搭建起数据录入、机器人驱动或者分析信息的程序。最新推出的LabVIEW中学版由NI公司与塔夫茨大学工程教育与实践中心联合开发。

二、 虚拟仪器与传统仪器的比较

由于虚拟仪器建立在有限的硬件基础上，通过软件实现仪器的各种功能，在某些方面与传统仪器有明显的区别，详见表1。

表1 虚拟仪器与传统仪器区别

序号 比较项目 传统仪器 虚拟仪器

1 开发维护费用 高 低

2 性能价格比 低 高

3 技术更新周期 长 短

4 灵活性 低 强

5 人机界面 一般 友好（用户自定）

6 与其它设备互联性 受限制 强

7 网络通讯能力 差 强

8 仪器功能 单一 多样

与传统仪器比较，虚拟仪器所具有的优势主要表现在以下几个方面：

1、智能化程度高，处理能力强。

高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘存储器和丰富的软件资源，这些配置突破了传统仪器在数据处理、显示和存储方面的限制，极大增强了仪器的功能，特别是数据分析、图形显示等更受到使用者的青睐。

2、重复使用性强

应用虚拟仪器，相同的基本硬件可构造多种不同功能的测量仪器。与计算机网络连接，还可使多个用户同时利用一台仪器进行数据测量。

3、具有很高的灵活性

虚拟仪器用户能够按照自己的需要来选用传感器、仪器的接口方式，开发自己的应用软件。

三、虚拟仪器在教学中的应用

虚拟仪器技术应用于中学物理实验，不是我们熟知的多媒体课件，而是计算机自动测量控制技术与传统中学物理实验的整合，它继承了传统实验最可贵的真实性，并具备了传统实验无法企及的可视性、兼容性、可扩展性、交互性等特点。当前，虚拟仪器技术应用于中学物理实验崭露头角，已显示出强大的生命力。虚拟仪器在中学教学中的应用广泛，现举例如下：

1、初中物理声现象教学中，对于声音的产生，尤其是乐音的三要素的理解，学生刚开始学习有一定的难度。在教学中，使用大量实验，充分调动学生的视觉、听觉等感官参与，可以提高学生学习的兴趣，加深对物理概念和过程的理解。

在教学中可以采用在电脑的声卡话筒接口外接麦克风或笔记本自带的麦克风，运行虚拟仪器软件，敲击音叉，观察声音波形的疏密和振幅的大小，体会声音是物理的振动产生的，加深理解乐音的响度、音调和音品是由哪些因素决定的。

2、在初中电学部分，学生对交流电的电流方向的理解是有一定难度的。运行虚拟仪器程序，通过变压器和衰减电路，将大小合适的交流信号，接入声卡线路输入接口，测量交流电的有效值，观察交流电的波形。

3、在中学物理教学中，对自由落体运动的研究一般使用频闪照片或打点计时器（电火花计时器）。拍摄频闪照片过程复杂，实验结果可视性差，实际应用意义不大。使用打点计时器或电火花计时器研究自由落体运动是目前常用的方法，由于纸带摩擦力的影响，进行定量实验时误差较大，而且由于可视性太差，不宜做演示实验。研究者应用自制虚拟仪器较好地解决了这个问题。

4、法拉第电磁感应、LC电路阻尼振荡等的远程实验的实现。

5、华中师范大学的魏开平老师研究开发的中小学数字化虚拟仪器系统，该系统完成了中小学实验设备和仪器的数字化过程，采用虚拟现实技术将中小学数学、物理、化学等学科相关知识存入数据库中，结合中小学的教学需要完成各种虚拟的实验。

四、虚拟仪器的应用在中学教学中的优越性

1、真实性：真实，客观，可信度高。

真实，是物理实验的生命。用计算机模拟现实过程的虚拟实验之所以经常收到批评，很大的原因在于虚拟实验的非真实性。例如，我们常见的单摆、弹簧振子可见显示的振子周期是由课件设计者随意选定，且可以持续作为无阻尼振动到电脑关机。又例如牛顿第二定律时，使用者只需改变小车质量或拉力的数值，就可以看到设计者事先设定的结果，没有意外且毫厘不差。这些都让辛勤而诚实的设计者和使用者在学生面前心绪气短，更谈不上以这些课件为工具让学生开展研究性学习。

2、经济性：低成本，兼容性好，实现多媒体教学资源共享。

目前，工业级的虚拟仪器价格昂贵，物理教学虚拟仪器产品化程度不高，功能不够理想，从长远看，虚拟仪器是经济的。据估算工业用虚拟仪器成本只有传统仪器的二分之一，随着技术进步，成本将进一步降低。另外，基于PC平台的虚拟仪器具有良好的兼容性，充分共享已有的多媒体教学资源，使用方便且成本低廉。例如一款基于声卡的虚拟仪器，如图3所示，以PC声卡为采集数据的硬件设备，使用者几乎不花钱就可以获得一台音频信号发生器、一台数字交流万用表和音频示波器。实验中还可以把软件拷贝给有家庭电脑的学生做课外研究，取得很好的教学效果。

3、可存贮性：实验数据经PC存贮，重复利用提高效率。

将新课教学中获得的实验数据存贮在PC中，运用PC强大的数据处理能力能够方便地进行图像等处理。在后续课或复习课中可以调出PC中实验数据，重现新课的实验。

可存贮性还给虚拟仪器带来便于交流、便于实验结果、便于远程教学的实现等优点。

图3 基于声卡的虚拟仪器系统

4、丰富教学内容。

我国中学实验教学比较薄弱，教学方式和方法单调呆板，学生对物理实验的醒悟不大。采用虚拟仪器过程中，使用计算机，可丰富实验内容，加深不同学科间的交流和渗透，更新教学方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的素质。

五、总结

实践表明，采用虚拟仪器软件进行实验，可以培养学生对教学实验的兴趣，提高实验技能，给学生更多的实验机会，而且能和信息技术等学科相结合，提高了学生的综合应用知识的能力，使学生得到全面发展。

虚拟仪器在高等教育以及中等职业教育中的应用越来越多，在中学教学中的应用还处于萌芽状态，但虚拟仪器的应用已显示出广阔的前景，必将引发一次深刻的实验教学革命。

参考文献：

[1] 黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2] 韩硕.虚拟仪器技术在教学中的开发与应用[J].装备制造技术， 2011，（9）：239-241.

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[4] 刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003.