《虚拟仪器原理》课程的教学探索与实践

梁玉

摘 要： 《虚拟仪器原理》课程是电子科学与技术专业本科生的一门重要课程，也是智能仪器仪表及测控方向研究生需要具备的基本专业知识，在该课程教学中理论讲解与实验训练兼具，本文针对该课程的教学探索与实践进行讨论。

关键词： 《虚拟仪器原理》 智能仪器 教学探索与实践

上世纪后期出现的虚拟仪器（Virtual Instrument）技术强调在通用的计算机平台上构筑仪表仪器功能，是计算机技术与仪表仪器技术的完美结合，是智能仪器发展的新阶段。该技术最早起源于美国德克萨斯大学James、Truchard和William三位研究人员为美国海军进行的一项研究，随后三人成立了一家公司，致力于虚拟仪器技术的开发，即著名的美国国家仪器公司（NI，National Instruments）。该技术后来逐渐被引入我国，起初在一些科研院所、重点高校的实验室用于特定科学研究用途，从该技术一开始应用便显现了其卓越的无可取代技术优势，后来被一些著名公司、企业（尤其从事高新技术方面）广泛采用，如今已发展成为电子信息领域非常盛行的一个热门技术。针对重要的科研目的和迫切的市场需求，我国教育指导部门及时提出全国高校的电子信息类学科中开设虚拟仪器相关课程的规划并迅速得以实施，《虚拟仪器原理》课程便是一个典型代表。我根据一直以来该课程教学过程中的一些经验体会，提出该课程部分内容的教学探索与实践思路以供同行参考。

1.虚拟仪器概念引入的教学探索与实践思路

在介绍虚拟仪器概念前，首先应明确什么是仪器，仪器的特点是什么，这一概念看似简单，其实并不容易。现实生活中的仪器太多，可以在教师的引导下，让学生举一些例子（注：分别从力、热、光、电等角度引导），然后每举一例，分别讨论其基于的物理原理，比如天平这一仪器是基于物理中的力学原理，温度计这一仪器是基于物理中的热学原理，显微镜这一仪器是基于物理中的光线原理，万用表这一仪器是基于物理中的电磁学原理等，这些仪器的共有特性是具备测量的功能，从而提炼出仪器的本质：仪器一般是基于各种科学原理的，而且具备测量的功能，一般脱离这两点的任一事物，要么不是仪器，要么是不可信的仪器。接下来，让学生明白什么是智能仪器，智能仪器仍然是仪器，应该说是仪器发展的高级阶段，着重于强调其智能性，主要体现在微处理器芯片的引入，并且新增基本的数据处理和通信的功能，进一步引入什么是虚拟仪器，虚拟仪器又是智能仪器发展的新阶段，不仅具备常规仪器和智能仪器的功能，而且新增数据分析、数据共享可编程扩展功能等，强调的是在计算机平台上构筑仪表仪器功能，用户通过操作计算机不仅实现传统仪表仪器的功能，而且能实现传统仪表仪器难以实现的新功能并且不断增加或升级。对于此前的仪表仪器，用户直接操作的是仪表仪器本身，这些其实是其本质区别，可以举例，比如宇航员在飞行器舱内对空间进行科学试验或勘探时，实际上就是采用虚拟仪器技术对舱外的宇宙空间展开的遥控遥测活动。

2.虚拟仪器的定义和组成的教学探索与实践思路

在介绍虚拟仪器的定义和组成时，强调虚拟仪器是把技能教给用户，所以开发虚拟的核心环节是使用者（用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试性能），而非硬件生产商。有些教材把虚拟仪器定义为LabVIEW组建的程序单元，这要辩证地让学生进行分析，客观地或更广义地说，一般的虚拟仪器是由硬件与软件共同组成的，硬件部分主要用于获取真实世界中的被测信号，软件部分用于控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。但是开发虚拟仪器的核心环节在于软件开发，因为硬件部分其功能是固定的，一般难以进行调整或升级，但是基于LabVIEW的程序单元是可修改的，所以开发的虚拟仪器质量就取决于使用者的编程水平，也就是把技能教给用户，美国NI公司曾提出‘软件即仪器，实际上这里的‘软件指的是LabVIEW软件平台及其组建的程序单元，这里的“仪器”就是虚拟仪器，这句话正是把握了其本质，所以把LabVIEW组件的程序单元称为虚拟仪器有其辩证的正确性，要给学生分析清楚。

3.虚拟仪器分类的教学探索与实践思路

虚拟仪器可以按照不同总线接口进行分类，在介绍时可以结合实物，让学生有直接的感性印象，而且按照接口的发展程度介绍，比如由传统的数据采集（DAQ）卡式虚拟仪器发展为现在较流行的通用功能接口总线（GPIB）的虚拟仪器。另外，还有PXI、USB等接口的虚拟仪器，其中着重介绍通用功能接口总线（GPIB）的虚拟仪器，而且说明有时实验中会用到。

4.虚拟仪器发展历程介绍的教学探索与实践思路

介绍虚拟仪器的发展历程时，从其初始发展历程开始说起，按照时间脉络展开，其中强调惠普（HP）公司和美国国家仪器（NI）公司的贡献，为活跃课堂气氛，可举一些学生熟悉的HP公司产品的例子，比如HP笔记本、打印机等，然后纠正一个误区：HP公司并不是单单生产这两类产品的公司，其实其原本是生产仪器的大公司，而且曾一度成为行业的领导者，虚拟仪器的总线雏形实际就是HP公司的重大杰作，NI公司对虚拟仪器的软件核心贡献居功至伟，是该行业的先驱也是权威，并鼓励大家一定要在大学阶段好好学习，将来努力去大公司历练自己，这些方面的介绍可进一步活跃课堂气氛，激发学生的学习热情。

5.结语

虚拟仪器技术是当代高等学校电子信息类专业学生需掌握的重要技术，《虚拟仪器原理》课程系统而深入地阐释了此项技术，高等学校教师在该技术相关课程的教学过程中不断进行思路探索与实践创新，有助于培养出综合素质高、专业能力强的更优秀电子信息类人才。

参考文献：

[1] 黄松岭.虚拟仪器设计基础教程， 清华大学出版社，2008.

[2] 张毅刚.虚拟仪器技术介绍，国外电子测量技术，2006.