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基于虚拟仪器的实验系统研究

张臣文  
【摘要】: 实验在自然科学课程的教学中占有十分重要的基础地位,是教学活动的必要环节,自然科学课程的教学都是以实验为基础的。实验可以增强学生学习的兴趣,加深对理论知识的理解,培养实践动手技能、实验设计技能、在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力及创新探索能力和协作精神。 实验教学很重要,但基于传统仪器的硬件实验模式积弊甚多:设备更新周期长,维护工作艰难;传统实验仪器功能固定,可操作性、可扩展性差;实验室管理没有灵活性,资源浪费现象严重,实验开出率、仪器设备利用率不高;实验教学组织方式和管理模式落后。现代远程教育中实验教学环节缺失或理论教学与实践环节脱节现象普遍。因此,开发实验仪器,创新实验手段和方式,优化教学目标和实验模式的整合策略,不断革新实验教学尤其关键。 在实验仪器开发方面,虚拟仪器(virtual instrument)技术是值得关注的,虚拟仪器技术是计算机技术和实验仪器技术相结合的产物,它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、网络化的方向发展。虚拟仪器是利用PC显示器的显示功能替代传统仪器的功能面板,利用PC的鼠标和键盘控制驱动各种功能按钮,利用LabVIEW软件实现数据(信号)的分析处理、表达和储存,利用I/O接口设备完成数据(信号)的采集和调理,从而实现各种仪器功能的一种基于计算机的仪器系统。虚拟仪器是用户根据自己的需要设计开发的,虚拟仪器数据(信号)的分析处理、表达和储存等操作是集中交由计算机软件来做的,虚拟仪器技术与Web技术相融合,远程控制操作实验得以实现。将虚拟仪器引入实验教学将成为学校教学科研的重要方法和手段。 同时,笔者认为大学实验教学基础目标定位狭隘化,高级目标定位笼统、空洞化,实验模式单一。理科实验教学应以科学素养为总目标,以实验操作技能、实验验证能力、实验设计能力、探索创新能力、协作精神为具体目标,构成一总五元目标体系。实验模式可分为:演示实验、基于传统仪器的硬件实验、仿真实验、基于虚拟仪器控制实验四种模式,且功能与形式各异,目标与模式整合策略不相同。 除了上述理论研究外,笔者还做了三份设计,一是利用USB2.0多功能数据采集卡,设计了基于虚拟仪器的温度实时控制系统,工作原理是:温度信号由温度传感器AD590K和信号调理电路提供,然后送到数据采集卡,再由数据采集卡送到计算机进行曲线显示和记录,进而进行温度控制和声光报警;二是设计了基于虚拟仪器的RC暂态实验系统,实现软开关控制和软面板信号显示;三是基于B/S模式设计开发了一套实验系统平台,主要模块有:教师管理模块、学生实验模块。


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