劉炳杰 蘇娜

[摘 要] 在高職理工科教學(xué)中，需要涉及諸多電子技術(shù)、信號(hào)分析等大量實(shí)驗(yàn)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器平臺(tái)被廣泛應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中。基于虛擬儀器平臺(tái)在高等職業(yè)技術(shù)教育中的應(yīng)用，對(duì)虛擬儀器引入高等職業(yè)技術(shù)教育的意義和應(yīng)用情況進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞] 虛擬儀器平臺(tái);高等職業(yè)技術(shù)教育;應(yīng)用狀況

高等職業(yè)院校是我國高等教育和職業(yè)教育的重要結(jié)合，曾經(jīng)是我國教育的“熱門”，但是隨著本科高校的擴(kuò)展，高等職業(yè)院校出現(xiàn)了嚴(yán)重的萎縮，教育經(jīng)費(fèi)也面臨短缺。高等職業(yè)院校開設(shè)的很多專業(yè)都涉及到實(shí)驗(yàn)，但是由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的落后和更新困難，學(xué)生缺少動(dòng)手實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，成為制約職業(yè)教育發(fā)展的瓶頸。而當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，能夠模仿出很多實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生通過在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就能夠達(dá)到較為理想的實(shí)驗(yàn)效果?；诖耍瑢?duì)虛擬儀器平臺(tái)在高職院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討。

一、虛擬儀器概述

虛擬儀器是一種軟硬件充分結(jié)合、匹配應(yīng)用的產(chǎn)物。經(jīng)軟件編程，用戶進(jìn)行儀器界面的自定義，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，形成界面操作，從而在虛擬中實(shí)現(xiàn)測(cè)量、分析等試驗(yàn)過程。虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件，通過操作人員在界面上指令性的控制，將預(yù)期的一系列操作進(jìn)行實(shí)施，將傳統(tǒng)硬件儀器虛化為計(jì)算機(jī)軟件，在具有傳統(tǒng)硬件儀器基本功能的同時(shí)，還能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行多種軟件的切換，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。因?yàn)樘摂M儀器天生帶有計(jì)算機(jī)的屬性，因而在自動(dòng)性、擴(kuò)展性、外部連接性、操作等方面都具有很大的外延性，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行延伸。從當(dāng)前的虛擬儀器發(fā)展趨勢(shì)來看，其已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的重要組成部分。

二、虛擬儀器引入高等職業(yè)技術(shù)教育的意義

1.降低了高等職業(yè)技術(shù)教育實(shí)驗(yàn)的成本。虛擬儀器引入高等職業(yè)教育的價(jià)值是巨大的。從成本層面看，一方面高職院校職業(yè)技術(shù)教育需要開設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的專業(yè)涉及到通信、電子等專業(yè)，這類專業(yè)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備成本較高，而且這類專業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，因而要有效的開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，就需要不斷地采購實(shí)驗(yàn)器材，這對(duì)于高職院校來講是十分困難的。采用虛擬儀器，用軟件替代硬件，不但可以降低采購成本，而且更新實(shí)驗(yàn)器材只需變更軟件就可以，這樣就大大降低了實(shí)驗(yàn)器材的采購成本。另一方面，在實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材會(huì)出現(xiàn)消耗、損壞等，而采用虛擬儀器基本上避免了上述情況，從而獲得“一次花費(fèi)，長(zhǎng)久使用”的效果。

2.改善高等職業(yè)技術(shù)教學(xué)條件。高等職業(yè)技術(shù)教育主要分為理論課程和實(shí)驗(yàn)課程。傳統(tǒng)的理論課程例如信號(hào)與系統(tǒng)，一般以課堂上老師按照教材講解為主，內(nèi)容較為抽象，學(xué)生理解起來比較困難。而通過采用虛擬儀器進(jìn)行教學(xué)，能夠在理論課講授的過程中，利用虛擬儀器向?qū)W生直觀的顯示出系統(tǒng)或者信號(hào)的特點(diǎn)，在教學(xué)條件改善的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的便捷性。而在實(shí)驗(yàn)課程中，受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材成本較高、硬件易損耗、維修困難等制約，學(xué)生不敢輕易嘗試實(shí)驗(yàn)，而虛擬儀器就避免了這個(gè)問題，并且根據(jù)技術(shù)的發(fā)展，及時(shí)進(jìn)行程序修改和技術(shù)升級(jí)，從而使學(xué)生能夠便捷地使用虛擬儀器進(jìn)行學(xué)習(xí)[1]。此外，虛擬儀器不只用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還能夠通過虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用打造虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，拓展教學(xué)的深度。不過需要說明的是，虛擬儀器是一種理想化的實(shí)驗(yàn)操作，能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，由于電壓、溫度等情況的影響，還存在意外情況，這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)中要加以區(qū)分。

3.提高了高等職業(yè)技術(shù)院校學(xué)生的動(dòng)手能力。高等職業(yè)教育旨在培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，使得學(xué)生畢業(yè)后能夠直接從事相關(guān)工作。虛擬儀器的引入能夠幫助高等職業(yè)院校實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)。虛擬儀器的引入改善了原本因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件不足而過度重視理論教學(xué)而輕視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，學(xué)生通過虛擬儀器平臺(tái)和計(jì)算機(jī)就能夠進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生在虛擬操作的環(huán)境下不僅能夠認(rèn)識(shí)到相關(guān)儀器，也可以通過實(shí)際操作，掌握真正儀器儀表的使用和操作方法，使學(xué)生在面對(duì)真正的儀器儀表時(shí)不至于一無所知、手足無措。動(dòng)手能力的提高不是在課堂教學(xué)中就能夠完成的，需要學(xué)生在課下花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行練習(xí)和操作。而虛擬儀器能夠給學(xué)生提供充分練習(xí)的時(shí)間，有利于激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，從而在很大程度上提高了高職院校學(xué)生的動(dòng)手能力。

4.豐富高等職業(yè)技術(shù)教育的過程。虛擬儀器引入高等職業(yè)技術(shù)教育，其出發(fā)點(diǎn)在于通過教學(xué)條件的完善，提高學(xué)校的教學(xué)水平，培養(yǎng)合格的技術(shù)應(yīng)用人才。虛擬儀器能夠在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、科研等方面發(fā)揮其巨大的作用和價(jià)值，從而豐富高等職業(yè)技術(shù)教育的過程。在教學(xué)環(huán)節(jié)，通過虛擬儀器可以制作數(shù)字萬能表、邏輯分析儀等，從而將教學(xué)內(nèi)容“實(shí)物”化，大大豐富教學(xué)手段，使得教學(xué)的效果更加逼真。在實(shí)驗(yàn)階段，通過編程的更新等，能夠使學(xué)生在一個(gè)虛擬操作平臺(tái)上完成多種實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的效率和應(yīng)用效果。在科研環(huán)節(jié)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與之充分結(jié)合，搭配遠(yuǎn)程控制儀器，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)通信等實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建，能夠?yàn)榭茖W(xué)研究提供良好的條件。

三、虛擬儀器在高等職業(yè)技術(shù)教育中的應(yīng)用

虛擬儀器在高等職業(yè)技術(shù)教育中的應(yīng)用，其實(shí)驗(yàn)過程主要包括四個(gè)步驟和環(huán)節(jié)。

1.實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備是根據(jù)高等職業(yè)技術(shù)教育大綱的要求，針對(duì)教學(xué)課程的標(biāo)準(zhǔn)，在虛擬儀器平臺(tái)上添加相應(yīng)的模塊和軟件。教師要根據(jù)教學(xué)要求，以實(shí)際儀器為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的仿真模擬。例如，在實(shí)驗(yàn)中需要用到萬能表，教師在實(shí)驗(yàn)前就需要根據(jù)教學(xué)需要以實(shí)際應(yīng)用的萬能表進(jìn)行編程，在虛擬儀器平臺(tái)上模擬出萬能表，從而為學(xué)生實(shí)驗(yàn)開展做準(zhǔn)備。上述例證只是虛擬儀器的簡(jiǎn)單應(yīng)用，涉及到更為復(fù)雜的儀器操作，還需要教師在實(shí)驗(yàn)前做更為充足的準(zhǔn)備。

2.實(shí)驗(yàn)操作。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備，學(xué)生能夠應(yīng)用準(zhǔn)備好的虛擬儀器操作平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在操作過程中，學(xué)生可利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和采集。例如，學(xué)生在首次實(shí)驗(yàn)失敗后，能夠反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到實(shí)驗(yàn)成功為止，在這個(gè)過程中，不用擔(dān)心儀器的損耗、故障等問題[2]。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中，如果學(xué)生在中途出現(xiàn)思維停頓等情況，可以暫停實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行觀察，甚至將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，重新進(jìn)行觀察。這種數(shù)據(jù)的采集和觀察方便簡(jiǎn)單，能夠集中實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的主要精力，從而有利于學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)的效果，保障實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。

3.實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展。虛擬儀器平臺(tái)天生帶有計(jì)算機(jī)的屬性，因而在自動(dòng)性、擴(kuò)展性、外部連接性、操作等方面都具有很大的外延，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行延伸。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，在一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠發(fā)揮創(chuàng)新性思維，進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，通過方案撰寫、編程設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)操作等一系列操作，來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)生還能夠與教師進(jìn)行遠(yuǎn)程的溝通與交流，從而在深度和廣度上大大拓展實(shí)驗(yàn)的外延。

4.虛擬儀器技術(shù)更新。現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展迅速，高等職業(yè)技術(shù)教育也要跟隨時(shí)代發(fā)展步伐不斷進(jìn)行教育內(nèi)容的革新、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新。傳統(tǒng)儀器設(shè)備因?yàn)槌杀靖甙?，一般受制于條件限制，一般5～10年才更新一次，這種更新不僅使得學(xué)生無法接觸最新的技術(shù)，而且由于設(shè)備老化等因素，學(xué)生在后期采用傳統(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)效果也不是很好。而虛擬儀器技術(shù)是基于軟件的技術(shù)體系，更新方便，基本上6～12個(gè)月就能更新，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)有模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，從而使得技術(shù)更新趕上時(shí)代發(fā)展步伐，最大限度滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

四、結(jié)語

高等職業(yè)技術(shù)教育與社會(huì)生產(chǎn)聯(lián)系緊密，將虛擬儀器技術(shù)引入教學(xué)過程中，能夠大大增強(qiáng)教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐的聯(lián)系程度，從而為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的人才打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]左鋒，董愛華，韓芳.虛擬儀器技術(shù)在自動(dòng)測(cè)控技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2018，12（8）：47-49.

[2]王桔，鄒稷，張超.虛擬儀器平臺(tái)在高等職業(yè)技術(shù)教育中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2019，8（9）：33-34.