陳建軍+辜永紅+韓慶文+于彥濤

（1.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院；重慶 400030；2.重慶師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，重慶 400044）

摘要：本文針對(duì)實(shí)踐教學(xué)中受到教學(xué)軟件和硬件條件的限制，不能滿足實(shí)踐教學(xué)的要求，建議加強(qiáng)虛擬儀器的平臺(tái)建設(shè)，提供良好的實(shí)驗(yàn)仿真效果和逼真的實(shí)驗(yàn)?zāi)M效果。虛擬儀器不但讓學(xué)生能模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，而且讓學(xué)生充分體驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量，提升科研的便捷性和實(shí)用性的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）21-0180-02

一、引言

實(shí)踐教學(xué)在教學(xué)中具有重要的地位，一方面實(shí)踐教學(xué)可以提高理論教學(xué)的深度和廣度，另一方面實(shí)踐教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，培養(yǎng)合格技術(shù)工人和研發(fā)人才。實(shí)踐教學(xué)需要一定的儀器設(shè)備和實(shí)踐場(chǎng)地，特別是需要配備與教學(xué)配套的儀器和響應(yīng)的軟件。但是受到各方面條件的限制，儀器設(shè)備的配置可能不能滿足實(shí)踐教學(xué)的要求，需要采用虛擬設(shè)備彌補(bǔ)實(shí)踐條件的不足。同時(shí)一些理論知識(shí)也無(wú)法采用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)量，需要采用虛擬儀器更能方便地顯示工程或物理屬性的本質(zhì)。因此，基于虛擬儀器的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)對(duì)提高總體教學(xué)質(zhì)量具有重要的意義。下面先介紹存在的一些問題，然后提出基于虛擬儀器的實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)的建議。

二、創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)存在的問題

隨著高校的大規(guī)模擴(kuò)招，學(xué)生的實(shí)踐資源日益緊張。從學(xué)生的實(shí)踐條件分析，原來可以一人一臺(tái)的科研儀器可能變成幾人公用一臺(tái)，甚至由于人員太多無(wú)法進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)。雖然許多高校近幾年購(gòu)買了許多高精尖的設(shè)備，但是實(shí)踐教學(xué)資源的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上學(xué)生擴(kuò)招的數(shù)量。因此現(xiàn)教學(xué)過程中經(jīng)常要求多人共同做實(shí)驗(yàn)，無(wú)法獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過程，失去獨(dú)立深入研究的鍛煉機(jī)會(huì)，這些都不利于學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力的提高。一些實(shí)踐基地同樣不能提供如此眾多的學(xué)生來實(shí)踐。無(wú)論是實(shí)踐的平臺(tái)，還是實(shí)踐的操作儀器，可能都無(wú)法供應(yīng)如此眾多的學(xué)生來實(shí)習(xí)。從教師的指導(dǎo)實(shí)踐能力的角度分析，自從擴(kuò)招以后，學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)也可能無(wú)法保證一對(duì)一的指導(dǎo)，即使?jié)M足一對(duì)一的指導(dǎo)，指導(dǎo)的時(shí)間也大幅下降，不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。教師面對(duì)學(xué)生人數(shù)眾多的問題，許多實(shí)踐指導(dǎo)只能做示范教學(xué)，做示范性實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生實(shí)際操作過程中教師的指導(dǎo)工作就減少了，對(duì)于一些自覺性較差的學(xué)生，極容易造成達(dá)不到實(shí)踐教學(xué)的效果。因此，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法給每個(gè)學(xué)生配備研究?jī)x器和設(shè)備。而開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室，彌補(bǔ)教學(xué)資源不足，是一項(xiàng)有效的促進(jìn)學(xué)生教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)方法。它是與許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。虛擬實(shí)驗(yàn)快速、方便、簡(jiǎn)潔，比較真實(shí)地模擬了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程，使學(xué)生不受時(shí)間和空間限制隨時(shí)可以操作實(shí)驗(yàn)，為科研型學(xué)生提供了生動(dòng)、逼真的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，在培養(yǎng)科研型學(xué)生的實(shí)際操作技能方面起到積極的作用，并且可以接觸現(xiàn)有條件不能開展的實(shí)驗(yàn)，將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)工科學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

三、基于虛擬儀器的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

為了解決實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)踐課程資源緊張、實(shí)驗(yàn)耗材昂貴、大型儀器和精密儀器昂貴的問題，可以采用最新虛擬實(shí)驗(yàn)室解決部分實(shí)驗(yàn)條件短缺的問題。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，為實(shí)驗(yàn)者提供模擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成類似實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程，具備實(shí)際實(shí)驗(yàn)的多感知性、交互性、現(xiàn)實(shí)性、開放性和可重復(fù)性。所取得的實(shí)驗(yàn)效果與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果一致，比真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境更利于進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以致部分虛擬實(shí)驗(yàn)效果好于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。對(duì)于信息類學(xué)生，充分應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的仿真結(jié)果可以為實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程做指導(dǎo)。例如射頻電路設(shè)計(jì)中，可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)得到各種射頻電路的仿真效果，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)際制作，可以減少盲目的實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程。在智能通信的研究過程中，同樣可以通過小波分析專用軟件、Matlab軟件和Simulink等專用分析軟件嵌入到應(yīng)用虛擬儀器中，通過仿真得到信號(hào)分析結(jié)果，為前期的設(shè)計(jì)提供必要的理論和仿真論證結(jié)果的前期支撐。虛擬儀器能夠?qū)崿F(xiàn)視覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、嗅覺感知和聽覺感知等感知技術(shù)，虛擬真實(shí)環(huán)境，通過對(duì)環(huán)境中對(duì)象的交互操作，使得學(xué)生最大限度地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)錯(cuò)誤帶來的嚴(yán)重問題，模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)儀器操作步驟不同帶來的不同結(jié)果，也可以通過加入不同的實(shí)驗(yàn)條件和虛擬實(shí)驗(yàn)器件模擬不同的結(jié)果，這種開放的交互性虛擬環(huán)境，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，是實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程所無(wú)法比擬的，也是虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)所在。對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以在任意時(shí)間，在授權(quán)的條件下進(jìn)行，這也是虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)所在，可以有效彌補(bǔ)教學(xué)資源不足帶來的問題。如電磁場(chǎng)理論就可以采用虛擬儀器進(jìn)行仿真，得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用，并且實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)傳播特性，這種立體的展示效果可以讓學(xué)生非常清楚地認(rèn)識(shí)電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)反過來又激發(fā)電場(chǎng)，并隨著時(shí)間和空間的推移，電磁場(chǎng)在空間得到傳播。在機(jī)械動(dòng)力理論方面也可以用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的相互作用，體現(xiàn)了力和裝置的相互作用，這些應(yīng)用不勝枚舉。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器的應(yīng)用必將得到廣泛的應(yīng)用，提高教學(xué)質(zhì)量，提升科研的便捷性和實(shí)用性。

四、總結(jié)

本文針對(duì)實(shí)踐教學(xué)中受到各方面條件的限制和一些儀器設(shè)備的配置可能不能滿足實(shí)踐教學(xué)的要求，建議加強(qiáng)虛擬儀器的建設(shè)，提供實(shí)驗(yàn)仿真和逼真的模擬效果，能模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生充分體驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量，提升科研的便捷性和實(shí)用性的目的。

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收稿日期：2016-11-14

基金項(xiàng)目：1.重慶大學(xué)大類系列課程建設(shè)項(xiàng)目（類別：電磁場(chǎng)原理系列課程）；2.重慶大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號(hào)：2014Y18）；3.重慶大學(xué)本科校級(jí)優(yōu)質(zhì)重點(diǎn)課程（系列）建設(shè)（項(xiàng)目名稱：電磁場(chǎng)原理I）；4.重慶師范大學(xué)博士啟動(dòng)基金（編號(hào)：16XLB015）；5.2016年重慶市研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：yjg20162026）；6.重慶大學(xué)本科校級(jí)優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)（項(xiàng)目名稱：數(shù)字通信原理）

作者簡(jiǎn)介：陳建軍，男，重慶大學(xué)通信工程學(xué)院講師，博士，從事電磁場(chǎng)和信息技術(shù)處理。