1.5.2 基于虚拟仪器的虚拟实验的实施

虚拟仪器在实验教学中最简单的应用就是代替常规的仪器，如函数发生器、示波器、万用表等。比如实验者在实验中采用虚拟仪器，实现信号发生及波形记录，可取得较好的效果。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、幅值等完全能代替常规的仪器使用。而用计算机虚拟出的示波器，不仅具有常规示波器的功能（如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何时间打印输出，学生可以及时进行数据处理、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。两种仪器通过窗口进行切换。函数发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等或示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号等都可通过鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用。不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力，而且，用户重新定义后，它又能变成数字万用表、温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。

为了确保实验教学的顺利进行，基于虚拟仪器的虚拟实验可分四个阶段予以实施。第一阶段，在充分利用现有的计算机资源的基础上，购买所需的仪器模块和软件，如LabVIEW，由教师编写程序，以实现现有仪器设备的模拟。这样可以有效增加实验设备的数量，从根本上改善学生实验条件，保证实验教学质量。第二阶段，学生可以充分利用计算机软件对数据采集、存储、分析、处理、传输及控制的强大功能，在同一台PC上虚拟出数十台仪器，如智能信号发生器、数字存储示波器、频谱及信号分析仪、数字电压表和噪声测试仪等。把这些虚拟仪器应用到实验教学中去，以取代传统仪器。学生还可根据实验要求，自行设计各种软面板，定义仪器的功能，并以各种形式表达输出检测结果，进行实时分析。第三阶段，增加综合性实验项目，并鼓励学生选做设计型实验。要求学生自己选题，拟订方案，编写程序，设计虚拟仪器检测系统。第四阶段，组织科研小组，在原有的仪器模块上进行二次开发，拓宽其应用范围，将其用于设备的监控、工业过程自动化等。一方面设计和构建新的虚拟仪器，另一方面全面带动高校的教学、科研上质量。对于实验教学而言，第二阶段的内容是学生在实验中应当达到的虚拟实验的基本要求和效果。

目前应用虚拟仪器来进行实验教学已实际启动，一些发达国家的高等学校已将虚拟仪器作为常规的实验仪器在学生实验中应用，如美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制，在我国也已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如复旦大学、上海交通大学、暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来，这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。在远程教育系统，应用虚拟仪器系统开展实验教学也已提到议事日程上来了。

在此基础上，可以进一步构建基于虚拟仪器系统的网络虚拟实验室。这对于虚拟仪器系统实际应用于远程实验教学来说，是必不可少的环节。网络虚拟实验室就是在Web中创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的单击、拖曳等操作，远程学习者可以操作虚拟仪器，进行有关课程的虚拟实验。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予网络虚拟实验室的智能化特征。网络虚拟实验室构建成后，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时上网进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能，远程教育的学习者通过网络进行远程实验教学已为时不远。