一、引言

实验教学是理工类教学课程的一个重要环节，也是高等教育教学改革的重要内容。随着高校招生规模的不断扩大，学生人数的增加与实验场地和仪器设备套数的局限形成了日益鲜明的矛盾。电子类的工科院校，在电子实验教学中开展素质教育、培养学生综合应用能力等方面有着举足轻重的地位。知识的推陈出新和电子技术的日新月异，使得部分实验设备不适应现代教学大纲的要求，实验室改造、扩建以及仪器设备更新换代的迫切要求与教学经费捉襟见肘的矛盾日益突出。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，实验仪器仪表经历了模拟指针式仪器仪表、以电子管或晶体管为基础的分立元件式仪器仪表、以集成电路为基础的数字式仪器仪表及以微处理器为核心的智能式仪器仪表等发展过程。仪器仪表的更新换代使得测试领域功能更完善，精度更高，仪器仪表的体积更小。尽管仪器仪表的技术更新发展很快，但它们还同属具有物理形态、主要靠自身硬件装备来实现其功能的仪器仪表。目前一种全新的仪器结构——虚拟仪器，代表了当今仪器仪表发展的潮流。

二、虚拟仪器简介与特点

虚拟仪器(virtual instrument)就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务需求，定义设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器，实现了计算机与测试仪器的一体化。从20世纪80年代开始，随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，经过了20年的技术进步与发展，已经成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。与传统仪器相比，虚拟仪器在经济性、灵活性、扩展性和可维护性等方面都具有独特的优势，实质上代表了一种创新的仪器设计思想。虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，硬件功能是获取被测得物理信号，提供信号传输的通道：软件则是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的一体化环境。它的特点有：(1)丰富和增强了传统仪器的功能，虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单；(2)突出“软件就是仪器”的新概念；(3)仪器由用户自己定义，虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重复源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设、网络及其他应用的连接；(4)开放的工业标准；(5)便于构成复杂的测试系统，经济性好，虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断。

从总体上而言，虚拟仪器是测量测试领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现代测试系统网络化，智能化发展趋势。虚拟仪器技术应用方式多种多样，在工业自动化、仪器制造和实验室方面的都有广泛的应用前景和较高的经济效益。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器替代基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护费用。

三、引入虚拟仪器技术促进了实验室技术水平的提高

引入虚拟仪器技术能过加强实验室技术基础建设与实验室人力资源的建设，检测实验室技术的水平可以通过高校的实验室如何成为培养高水平人才的基地和实验室设备与实验手段如何适应不断进步的技术与迅速发展的时代所发挥的作用程度。

高水平的实验教师队伍和实验教学内容除外，先进的实验教学手段在高校实验室发挥其培养高水平人才的作用也是不可忽视的。现代化技术的进步以计算机技术的进步为代表，而基于计算机技术的虚拟仪器仪表正推动着测控技术的革命，进而促进了实验室技术的进步，实验室仪器仪表的现代化水平反映的是实验室技术基础。虚拟仪器仪表进行数据采集，对采集的数据进行分析处理，再将结果输出，与传统仪器不同的是，虚拟仪器可以根据信号的输入输出要求，利用最佳的手段对信号进行采集、处理和输出。以虚拟仪器仪表技术为基础的实验手段具有更好的灵活性和适用性，这个最佳手段正是实验室的基本技术。虚拟仪器在实验教学中最简单的应用就是替代常规的仪器，如函数发生器、示波器、万用表等。用计算机虚拟出的函数发生器产生实验所需的激励信号，其波形，频率、幅值等完全能替代常规的仪器使用，而用计算机虚拟出的示波器，不仅具有常规示波器的功能（测量实验电路对激励信号的响应），还可同时显示、记录、存储和打印多通道输入的波形，对存储的曲线可通过“回放”功能显示在屏幕上，“回放”速度可调，“回放”过程可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储的曲线可以在任意时间打印输出，学生可以即时进行数据处理，观察和分析实验结果，从而提高了学生的实验兴趣、实验效果和效率。加上网络的传输能力，实现远程实验教学成为可能，学生可以在校园内的任何一台在线的终端机上，访问到某个虚拟实验室，完成实验任务，并且可以通过网络交互能力，学生实时提出问题，教师立即予以解答，整个实验也许只需一套硬件设备，其他是由软件来实现的。这样就可以大大节省实验设备的资金投入，这种实验教学模式具有灵活、成本低、网络化的特点，在高校的教学乃至科研中都将会发挥极大的作用，从这些意义上讲，虚拟仪器仪表的引入可以加强实验室技术基础的建设。

虚拟仪器技术包括更为广泛的信号调理技术、数据采集技术、数据处理技术、数据输出和传输技术等均是虚拟仪器设备及技术的组成部分，并非只是传统仪器设备的简单计算机化。这就要求从事实验教学的教师具有坚实的理论基础和综合实验能力，利用现代计算机网络技术，可以使原来只能在局部使用的实验数据得以在更大的范围内传递及共享，使这些技术构成的实验系统具有更为广泛的适用性，因此有效的开发人力资源，不断更新和调整实验方法和手段，使实验室的实验教学设备保持其先进性，才能使虚拟仪器技术发挥应有的作用，虚拟仪器的引入对人力资源的建设提出了更高的要求。

四、引入虚拟仪器技术促进了实验教学水平的提高

虚拟仪器技术可以满足科学技术发展提出的更多更新的测试要求与实验教学不断提出的新要求。通常实验教学内容和方向需选择相应的专用仪器设备，不同的实验内容要配备不同的实验设备，综合性的实验项目要配有多台仪器。随着现代科学技术的发展，设备的更新换代日新月异，往往是实验设备制约了实验手段，数量众多具有一定体积的仪器所构成的实验台占据大量的房间，而其使用率又很低。使得高校实验教学与现代技术发展的前沿相比总要滞后一些。

测试技术的范围及精度随着科学技术的发展提出更多更新的要求，正确的技术发展思路可以使实验室处于现代化的行列。虚拟仪器可以通过随时修改软件或软件升级，在原有测试技术的基础上加以扩充改进，适时地改造设备使之变为“新设备”，节省了大量的资金，避免了大量过时仪器设备的安置存放，而展现给学生的实验设备，是比较先进的实验手段。工科实验教学水平对学生能力的培养有至关重要的作用，学生在传统仪器设备中，利用固有的实验设备完成一定的实验内容，在某种程度上受到实验设备的制约，虚拟仪器技术的引入能够突破这种制约，为提高教学水平创造条件。如：在自动控制原理实验中引入虚拟仪器，利用计算机代替超低频示波器便可以完成对实验数据的采集、分析和处理，能定性地分析实验过程，对实验数据、波形进行有效的处理，特别是对实验参数变化小时，进行结果处理，从而促进实验教学水平的提高，满足实验教学的测试要求。虚拟仪器及技术的引入为学生实验开拓了广阔的空间，使实验室成为真正意义的全开放实验室，创造了综合性实验的开设的条件。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，可以使多个学生同时利用同一台仪器进行数据测量，更好地发挥了仪器的使用价值，也可以很好地解决学校教学仪器不足的问题。虚拟仪器是由用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系统，具有较强的开放性，它的功能是可由用户自己定义，温度计、电压表、电流表等，可用数字显示，也可用“液面”和“指针”指示，这对促进学生对相关知识的学习、对实际应用能力的提高、对技术前沿的关注都有重要的作用。

五、虚拟仪器技术在实验教学中的前景

多学科技术发展的综合，代表着当前学科技术的发展水平，掌握了它就是掌握了先进的学习技能。虚拟仪器开创了教学仪器使用者可以成为教学仪器设计者的时代，这将给教师和学生带来无尽的收益，在“虚拟实验室”中进行教学，可使学生在学校期间就掌握这种技能。利用虚拟仪器技术辅助教学，使理论教学与实践更好地紧密结合，教学更生动、更形象，达到事半功倍的效果。从20世纪90年代开始，国内的一些大学相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，如哈尔滨工业大学、重庆大学、国防大学、成都电子科技大学、中国科技大学等，在21世纪，虚拟仪器在教学仪器中将会引发传统的教学仪器产业一场新的革命，虚拟仪器技术也将成为学校未来教学科研的重要方法和手段，特别在理工科学校其应用前景十分广阔。

基金项目：长沙理工大学教学改革研究项目OG0860)。

参考文献

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（作者单位：长沙理工大学物理与电子科学学院）