1.5 虚拟仪器实验教学

1.5.1 将虚拟仪器系统引入实验教学

实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于理工类的一些学科，例如物理、化学、计算机组成结构等实践性很强的学科，实验教学环节对学好这些课程更是至关重要。学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得一定的综合测试技能和实验能力，并初步具有处理实际测试工作的能力。因此，充实实验内容，增开综合性实验项目，进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。众所周知，仪器是实验的基础，要保证这些综合性测试实验的开设质量，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果开设综合性实验所需仪器更多，这么多的仪器不仅价格昂贵，体积大，占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。如何更合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是学校开展实验教育经常需要考虑而又伤脑筋的问题。

对于远程教育机构来说，因办学经费有限，上述矛盾显得更突出。对于远程教育来说更重要的是另一方面的矛盾，那就是相对于可以远程进行的理论教学模式而言，传统实验教学模式是近距离性的，但由于远程教育教学机构与学习者在空间上分离，学习者到学校实验室做近距离的现场实验总是相当困难，当然也不可能在每个学习者所在处（如企业、家庭等）建立实验室，这样就产生了在远程教育中实验教学与远程教学模式不适应的状况，并已经成为了制约远程教育质量的一个重要因素。如何处理远程教学有关实验方面的教学内容，远程学习者如何远程接受实验方面的训练，这可能是远程教育中最具挑战性的课题之一了。

由于虚拟仪器的硬件是以通用微型计算机为基础的，而计算机是进行现代远程教学的普遍工具，因此我国普通高校和远程教育机构的实验室一般都拥有相当数量的通用计算机，只要购买一定的仪器模板以及相应的软件（例如LabVIEW等软件），就可以构成足够数量的虚拟仪器供学生使用。另一方面，在同一台计算机上，通过操作者的不同的定义，可以虚拟出不同的仪器，各仪器之间还可以通过不同的窗口进行切换，因此实验室无须配备各种传统仪器，可以通过软件设计使虚拟仪器和实验室设备不断更新。学生在计算机上操作各种虚拟仪器进行实验，就如同是在操作传统仪器一样有效，与在真实实验室的现场实验做出的实验结果是一样的。这样，使用基于虚拟仪器系统的虚拟实验来代替实际现场实验，能很好地解决上述实验教学的矛盾，而且又符合现代测试技术和实验技术的发展方向。

虚拟仪器有这样的特点，把它引入实验教学就具有必要性、可行性和优越性，因此，基于虚拟仪器系统的虚拟实验是我国普通高校和远程高等教育的实验教学中易于构建、可以推广的模式。另外，在远程教育的环境中，通过虚拟仪器提供的手段还可以进一步使得一些实验现象能通过计算机在网络中模拟，从而在网络中建立一个虚拟的实验环境，这样能够使远程教育的实验教学远程化。远程教育的学习者不必担心缺乏实验条件，也不必为做实验到处奔波，可以通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境，同样能够“身临其境”的观察实验现象和进行“实际”操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。这对现代远程教育具有十分重要的意义。