中国人民解放军信息工程大学电子技术学院广州大队(510510)梁海燕
广州大学物理与电子工程学院(广东 510006)梁鸿东
摘要本文介绍了基于LaBVIEW的虚拟仪器在国内外的发展，并通过介绍虚拟仪器的特点和软件开发平台LabVIEW软件的使用优点分析了在高校理工科的实验教学和学术科研活动中引入虚拟仪器技术的意义和前景。
关键词 虚拟仪器（VI） LabVIEW 理工科教育 实验教学
Application prospect of virtual instruments designed on the science and engineering course teching
Liang Hai-Yan （China GuangZhou Training School, Institute of Electronic Technology, The PLA Information Engineering University,510510, China）
Liang Hong-dong （School of Physics and Electronic Engineering, Guangzhou University,Guangzhou 510006, China）
Abstract This paper simply introduces the development of virtual instrumentation based on LabVIEW both in home country and overseas, and analyzes the meaning and application prospect of virtual instrumentation which are applied to the experimental teaching and scientific research on the science and engineering course education in the universities and campuses by introducing the characteristic of both virtual instrumentation and LabVIEW software.
Keywords Virtual instrument LabVIEW Science and engineering course education Experimental teaching
一、概述
随着电子技术和计算机技术的发展，电路的集成度以摩尔定律的速度发展，电子产品的生产、检测与计算机紧密相连，使得电子产品的智能化日益完善，产品的更新周期也越来越短。要提高产品的市场竞争力，就要提高产品在生产控制、检测过程的自动化程度，要求测量控制仪器本身能完成自动调节、校准、量程转换、计算、寻找故障等功能，能自动存储有关数据并在需要时自动调出等。现代计算机的高速发展为这些高标准要求地实现提供了可能，并且将二者的完美结合使电子测量控制仪器在短期内发生了重大变革。虚拟仪器技术就是最好的例证之一。
所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI），就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义仪器面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统[1]。其实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能。目前，虚拟仪器在一些发达国家中设计、生产及使用已十分普及。在我国虚拟仪器技术的发展也已起步。我国有几家企业在研制PC虚拟仪器，产品已达到了一些数量。国内专家预测：在未来的几年，我国将有50%的仪器为虚拟仪器，将占电测仪器的一半[2]。随着计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为仪器的主流。目前虚拟仪器最大的生产厂商NI有500多款软硬件产品，应用遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工及科研教育等各个领域。
正如虚拟仪器对工业进行的革新一样，它也极大地影响着传统的高校科研和教育。利用现代科技并充分挖掘现有仪器设备的潜力，从培养学生运用知识和提高实际工作能力角度出发，突出创新教育，注重对学生创新能力的培养，形成一个灵活多样，适应不同层次、不同专业要求的新型实验课教学体系，成为现代理工科实验教学改革的一个新思路。为此国内外部分高校在原有的实验中心的基础上，充分利用现有的计算机资源和购买适当的仪器模块，以美国NI（National Instrument 国家仪器公司）的LabVIEW软件作为开发平台，建立了虚拟仪器实验室，确立了实际操作与计算机测试控制相结合的实验教学模式。如美国斯坦福大学的虚拟仪器教学、实验、仿真系统；清华大学汽车工程系应用虚拟仪器技术构建的用于检测汽车发动机性能的出厂检测系统，不仅操作界面美观，相对于在DOS下用C语言开发的检测系统而言检测时间大大缩短，而且能打印完整的测试报告。目前国内高校已超过100所大学开设了LabVIEW及虚拟仪器技术的课程, 超过50所学校创建了以NI公司的LabVIEW及其它软硬件为基础的虚拟仪器实验室, 其中包括NI公司与部分学校的创建的联合实验室。
二、虚拟仪器的特点
虚拟仪器系统包括仪器硬件和应用软件两大部分。仪器硬件是计算机的外围电路，与计算机一起构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是应用软件的基础，而应用软件则赋予系统以特有功能[3]。虚拟仪器与传统仪器相比，其主要特点：
（一）软件是关键。虚拟仪器硬件只是解决输入输出的问题，软件才是关键。仪器的功能由用户根据需要通过软件来定义，因此性能的改进和扩展只需进行相关软件的设计更新即可。软件也使得开发及维护的费用降至最低。
（二）开放、灵活可与计算保持同步发展。由于计算机是虚拟仪器的主要硬件，而计算机的发展更新速度很快，因此虚拟仪器更新周期短（1～2年）。其次方便与网络及其它周边设备互联。
三、虚拟仪器在理工科教育中的应用前景
为满足培养具有高素质、创新能力人才的要求，实验教学要不断地进行改革，向综合型、设计型转变，但这种教学模式的充分实现必须有高技术化的手段和条件支持。将虚拟仪器技术引入理工科教育，通过加强基础性、综合性和远程实验室的建设，有助于理工科教师开展一些创造性教学和科研实践活动，取得丰硕的研究成果，同时对学生的学习方式和能力的培养也起到很大的促进作用。
（一）虚拟技术引入有助于建设高水平的实验室
实验室不仅是现代大学进行社会所要求的高级专门人才培养的重要基地，也是现代大学开展科学研究活动（包括基础研究、应用研究和技术开发）的重要基地。著名物理学家丁肇中精辟地指出：“自然科学理论离不开实验室的基础，特别是物理学，是从实验生产的。”尤其在当代，科学技术转化为现实生产力的周期正在缩短，中间实验在科学技术转化为现实生产力中的重要作用越来越明显。对于实验室来说主要反映在仪器设备的智力含量和信息化水平上[4]。但是目前在我国高校中，普遍存在实验设备数量有限，仪器陈旧，更新速度和更新能力远跟不上实际教学和科研的需要，许多实验停留在基础实验的层次上，培养创新能力的综合性实验开设有限，实验室所承担的实验教学水平严重滞后于信息时代工程实际的需要，难以与社会工业生产要求取得同步发展。其次在我国理工科教育和科研领域使用的高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪，逻辑分析仪等主要依赖于进口，这些仪器加工复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，价格昂贵。许多科研和教学单位更是难以支付高昂的仪器购买费用。因此如何配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾是许多院校面临的一个突出问题。将虚拟仪器技术引入科研教育领域，为解决这一突出问题提供了一种全新的解决方案。
首先，普遍院校都拥有一定数量的计算机。将计算机技术和虚拟仪器技术相结合引入理工科实验室建设，充分利用学校现有的计算机资源，通过只采购必要的通用仪器硬件和LabVIEW软件，可充分挖掘现有仪器设备的潜能，虚拟出理工科实验教学中一些常用的如函数发生器、数字示波器、频谱分析仪、数字万用表等实验仪器，构建一个低价位、高性能地满足基本教学需要的虚拟实验室。其次综合利用虚拟仪器技术、Internet技术和先进的通信技术，组建远程实验系统，为远程教学和远程实验提供了强大的功能，进一步提高了实验室即实验设备的利用率，并为异地实验数据共享及学术交流提供了高效的平台，弥补了目前远程教育中实验教学存在的不足和缺陷，成为当前远程教育中远程实验教学研究的热点问题。第三，利用虚拟仪器技术和计算机技术构建的虚拟实验系统，易于升级、维护。由于软件是虚拟仪器系统的关键，当需要扩展和更改仪器的功能时，只需在原来的基础上改动部分软件即可，因此系统更新和维护不仅简单易行，而且费用低廉。
（二）虚拟仪器技术引入能够降低实验教师的劳动强度，提高工作成就
实验室仪器仪表的现代化水平反映了实验室技术基础。但也很难设想，仅有高技术支持的实验室，而没有高水平的实验教师队伍能培养出创新性的人才。因此实验教师的素质和专业能力必须紧跟科技发展和人才培养目标不断提出的新要求而不断地得到提高。由传统仪器构成的实验室，组建一个测试实验系统需要多台仪器，且每台仪器的开关繁多、连线复杂，实验设备占用空间体积大，实验设备的损坏率大大提高，在实验操作时带来很大不便。而且由于受时间和空间的制约，实验进行的时间比较长，大多数难以完成实验教学的实际任务。实验设备维修和实验时间的延长给实验教师带来很大的工作量，实验教师疲于应付接踵而至的实验室管理和实验教学任务，很难有时间再深入进行科研探索活动。而将虚拟仪器引入实验室，不仅能降低教师的劳动强度，而且给教师进行一些科研教学活动提供了一个很好的环境，使科研和实验教学效果大为改观。
首先，由于虚拟仪器的核心是软件，通过软件自定义的仪器在组建实验测试系统时，大大减少了仪器的开关，连接电缆，使设备仪器的损坏率大大降低，无形之中为实验教师节约了许多宝贵的时间，使教师将更多的精力和时间投入到实验教学资源的设计和开发。其次，LabVIEW是“科学家和工程师的语言”，使用者无需有编程的专业背景和编程经验，使实验教师开发虚拟仪器时入门快，深入容易，降低了学习难度，使教师克服了对现代科学技术的神秘感、恐惧感和焦虑感。但虚拟仪器技术并非传统仪器简单的计算机化，它包含更广泛的内容和含义：仪器技术、数字信号处理、计算机技术、网络技术、测量控制技术等，将这些理论知识和实际融会贯通，既要求实验教师有深厚的专业理论基础，还要有丰富的实践测量经验。同时计算机的更新速度日新月异，必须紧跟先进技术的发展步伐，因此虚拟技术的引入对实验教师和科研人员知识水平提出了更高、更新的要求。第三，虚拟仪器由用户通过软件根据实验需要自定义仪器的功能，给教学活动和科研的创新性带来很大的便利。虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义功能和控制面板、用户无法更改的模式，开辟了仪器作用者成为仪器设计者的新时代。用户可根据自己不断变化的需求，充分发挥自己的想象力，方便灵活地重组测量控制系统，而且系统更新的周期短、见效快，能充分地满足用户在不同场合的应用需求。
虚拟仪器技术不仅充分利用了实验设备资源，而且使人力资源得到有效的开发，科研教学活动得以准时顺利地完成，极大地提高了实验教学效果和教师的科研成就感。
（三）虚拟技术引入使学生将理论与实践完美结合，有助于创新精神和能力的培养
根据教学论中关于教和学的观点，教和学最终都是为达到学习目标。但教学目标是群体目标，是对学生的最低要求，但每个学生的具体情况不同，教学目标只有转化为学习者的目标，即学习目标，才能适合个别差异。理工科实验教学目标是对学生动手实践能力的培养，进而为创新精神和能力的培养创造条件和机会。以往由传统仪器组成的实验系统，实验设备互联比较麻烦，而且只能进行一定的实验和科研内容，学生的学习目标只留在对有限的实验内容掌握上，实验水平受到实验设备的严重制约。而将虚拟仪器引入实验和科研领域，运用虚拟仪器系统既可进行一些基础性的原理和结论验证性的实验教学的任务，也可以使学生利用仪器的扩展功能进行设计性实验和创造性活动。
首先虚拟仪器系统具有与传统仪器相似的操作面板，但是比传统仪器具有更大的灵活性和交互性。在实验教学中，兴趣是人的创造潜力得以开发的钥匙，学习兴趣最能引起创新意识和创新冲动。学生在进行实验操作虚拟仪器时，就像在操作一台由自己设计的传统电子仪器，仪器设计的直观性、趣味性，充分调动了学生的学习积极性、主动性，使学生建立起深刻的感性认识，从而为他们的实验动手能力和创新精神培养准备了条件。其次利用虚拟仪器系统进行实验，使学生“虚拟仪器”的模拟操作使用，全面了解和掌握各种虚拟仪器的使用方法和操作要点，为实际使用虚拟仪器设备打下较好的基础，缩短了学生所学知识与现代实验技术和实际生产之间的距离。第三，利用虚拟仪器系统和计算机网络技术构建远程虚拟实验系统，提供了开放性和灵活性。一是学生随时随地可以自由地、无顾虑地进入虚拟实验室操作仪器，为学生的实验学习提供了各种刺激和环境，有助于学生实践能力的培养。二是学生和教师之间的沟通不再受时间和地域的影响，教师可以随时解答疑难，学生可以随时向教师报告实验进程，充分利用远程教育，使学生的学习更加开放和灵活。第四，基于虚拟仪器组建的虚拟实验室，大大提高了研究人员的工作效率并改进了学生的学习方式。利用虚拟仪器进行实验，学生和教师可集中时间和精力用于实验的执行、数据的分析及结论的总结上，而不用将大量时间化在实验系统设备的搭建中。由于虚拟仪器开放的数据结构，在数据处理和分析中，可从多方面训练学生的综合能力，使他们的动手能力与理论基础同时得到提高。通过使用虚拟仪器，学生可以在相同课时内同时学习专业知识和计算机的使用技巧。不但掌握了通用电路的测试技巧，加深对电路原理的理解，同时还接触了先进的测试控制技术。
总之，虚拟仪器技术经过十几年发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、软/硬件模块化、编程平台图形化和硬件模块的即插即用的方向前进，以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，加上计算机技术和网络技术的迅猛发展，建立在虚拟仪器技术上的各种功能强大、性能优良的先进仪器将层出不穷，价格也会越来越低，使用虚拟仪器进行研究、设计、测试将成为一种趋势。因此将虚拟仪器技术引入实验教学具有必要性、可行性和优越性。测试技术的数字化、计算机化是高校理工科实验室建设的最佳选择。目前国家正在加大对教育的投入，正是革新实验室装备的黄金时期。同时虚拟仪器的出现，也使我们以不大的代价赶上国外电子实验室的最先进水平成为可能。
参考文献
1.刘君华.虚拟仪器图形化编程语言Laview教程[M].西安电子科技大学出版社，2003
2.王红茹.虚拟仪器未来市场趋势分析.商业研究，2004；（295）: 134
3.邓振杰，齐建玲.基于LabVIEW构建虚拟仪器系统.华北航天工业学院学报，2001；11（3）:12
4.王冀生.现代大学的物质文化建设.高教探索，2001；（1）:7