教学论文：虚拟仪器在中职电子技术实验教学中的应用

教学论文：虚拟仪器在中职电子技术实验教学中的应用[摘要]中职电子电工是实践性很强的专业，实验教学环节尤为重要，然而滞后的实验设备阻碍了实验教学的发展和人才质量的提高。利用LabVIEW软件开发虚拟仪器电子技术实验教学平台，开创适合中职生的新型实验课教学模式，以培养具有专业理论知识、熟练的技能操作、适应新时代要求的高素质技能型人才。[关键词]虚拟仪器

LabVIEW软件

电子技术实验

中职生《中共中央关于教育体制改革的决定》明确提出：“社会主义现代化建设不仅需要高科技的专家，更需要成千上万受过正规职业技术教育的初、中级技术人员，这些技能型人才是把先进的设备和科学技术变为现实生产力的有力保障。”要培养专业技能劳动大军，就要加快发展职业教育，提升中职生的技能水平。而中职生普遍学习能力差，缺乏学习兴趣，传统实验难以调动学生的积极性。如何激发中职生的学习兴趣，创设直观的实验情景，破解当前传统电子实验设备滞后的困境，让中职生热爱学习、乐于做实验，擅长技能操作，是电子课程改革的重要内容。一、问题洞察：传统电子类实验教学模式的困境电子类课程是实践性非常强的课程，实验帮助学生更好的理解电子电路，提高技能操作水平，使学生对高深的理论课不再恐惧，并且对学生以后工作岗位的实际工作能力有很大的好处。但是学校实验设备老化、滞后，实验教学模式的单一使中职电子实验教学面临着诸多现实困境。（一）实验设备：耗资高、维修难传统的实验设备购置费用高，但很多实验设备功能已经老化、技术上已经落后，如我校的示波器都是模拟示波器，但现在所有的比赛使用的都是数字示波器。学生在技能大赛和对口单招考试中因为不熟悉实验设备，导致技能操作失分较多。但要更换常规实验设备，学校财力难度很大。最便宜的数字示波器一台都在五千元以上，一个实验室至少需要40台，那么一个实验室至少花费20万，况且大型的实验设备一台则是几万甚至几十万。传统的实验设备不仅前期购置费用高，后期的维护也很难。如示波器的功能键失灵、显示屏损坏后，很难找到同型号的零件更换。在这种落后的实验条件下，很难提高学生的技能操作水平，因此改革传统落后的实验教学模式迫在眉睫。（二）中职生：被动学习、缺乏创新精神中职生普遍学习困难，基础薄弱的现象。在传统的实验教学模式下，学生根据实验指导书在实验室进行验证性实验，有些实验由于实验室设备滞后而无法进行，实验内容陈旧、数据采集困难导致学生积极性不高机械操作，学生创新能力和设计能力更得不到训练和提高。例如学生在做电子技术实验时，只能做实验箱上有的实验模块，而且只能根据实验说明书机械操作，不能进行知识的拓展提高。在这种教学模式下很难培养出社会需要的具有综合思维能力和解决问题能力的技能型人才。（三）规模小、效果差传统的电路设计往往是在一块模拟实验电路板，进行安装、调试和测试。本人一直从事电子实训课教学，所带的大专班学生人数有的在50人，而实验室的实验台只有30个工位，学校购置的电子技能套件数量有限，有的同学由于操作失误使得套件报废了，但他很想再焊接一个，但实验室不可能为每个学生准备两份耗材，而且一位教师要想顾及到每个学生的实验过程也是不可能的。特别是在电路的调试阶段，教师要处理每个学生出现的问题工作量很大，在这种传统教学模式下教学目标难以保证。二、虚拟仪器：中职电子技术实验的价值取向“软件就是仪器”是虚拟仪器最简单最本质的表述。虚拟仪器是将仪器装入计算机，依托计算机操作系统和计算机硬件，实现仪器仪表的功能。虚拟仪器具有虚拟化、集成化与网络化的特点，能满足新时代教学模式丰富、有效的需求。虚拟仪器提供内容丰富的实验平台，学生设计电路、调试，并及时获得反馈，克服了传统实验箱、实验台教学中固定硬件资源导致实验内容僵化的局限性。（一）虚拟仪器：耗资低、易维修虚拟仪器里基本包含了所用常用的仪器仪表如：函数发生器、示波器、频谱分析仪、电压表。虚拟仪器的开发工具LABVIEW可以在网上直接下载，只需要提供硬件设施，为学校节省了大笔费用。虚拟仿真技术的应用使教师和学生摆脱了实验设备、实验场地的制约。另外，虚拟仪器所有的仪器都是虚拟的，不存在仪器损坏和元器件的损耗，节约了资源。（二）虚拟仿真设计：激发中职生创新性中职生大多喜欢玩电脑、打游戏，虚拟实验室就像一个游戏软件一样。虚拟系统允许学生根据平台上的器材自由搭建合理的实验，如在讲解整流电路时传统教学模式下学生对于四个二极管的接法很容易混淆，但在虚拟仪器下学生在把四只二极管的连接顺序打乱，自己总结二极管怎样连接电路才能正常工作，从而真正明白二极管的单向导电性。虚拟仿真实验使学生更好的理解了所学内容，使学生主动思考，探究所学知识激发了学生的创新思维和创新能力。（三）规模大、效果好虚拟仪器实验系统的网络化使实验数据同步传送，指导教师在教师机上可以同时监控所有学生的全部实验过程。虚拟实验教学平台使学生不再时间和设备限制，课后在教室或宿舍也可以继续做实验。理论教学、硬件电路实验和电路软件仿真三者被统筹在虚拟仪器系统中。例如在讲解分压偏置放大电路时，教师讲解理论知识后学生在虚拟实验室搭接电路，利用LABVIEW仿真实验结果，将放大后的输出信号与输入信号作比较，从而得出信号被放大的结论。传统实验中很难显示的波形和数据采集在虚拟仪器实验系统中很容易做到，从而提高了实验效果。三、破解路径：虚拟仪器的“三围攻略”（一）虚拟仪器的硬件体系维度虚拟仪器的硬件平台由I/O接口设备和计算机组成。信号的输入、数据采集、信号放大、模/数转换均通过I/O接口实现。根据I/O接口总线类型的不同分类，虚拟仪器被认可的系统主要有VXI总线虚拟仪器测试系统、GPIB虚拟仪器测试系统、PXI总线虚拟仪器测试系统、串行口等，如图1所示。图1虚拟仪器的硬件体系结构（二）虚拟仪器的软件体系维度在硬件系统确定以后，要做的就是设计一个好的软件，它是构成理想虚拟仪器系统的关键，因为通过软件设计就可以实现不同的功能。根据VPP(VXIPlug&Play)系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构一般包含三部分：

1.I/O接口软件I/O接口软件是实现虚拟仪器系统的基础，它的主要作用是对寄存器数据直接存取、信号放大、模/数转换、并为仪器与驱动程序提供信息传递。在UPP系统规范中，对虚拟仪器的I/O接口软件的组成、结构和特点做了详细说明。2.仪器驱动程序每个仪器模块都有自己的驱动程序。虚拟模块驱动程序连接底层I/O接口软件和上层应用程序，同时为用户提供用于操作的函数集。使用者通过调用统一的函数库来操作驱动程序实现对仪器的控制。完成仪器驱动程序设计后，就可以设计虚拟仪器系统了。（三）虚拟仪器开发平台维度：LabVIEW1.LabVIEW概述LabVIEW是虚拟仪器集成环境的简称，是当今使用最多、发展最迅速、功能最强大的图形化软件。图形化的程序语言简称：“G”语言。这种语言编程时使用框图或流程图，克服了写程序代码的困难。LABVIEW的软件共用同一个硬件系统，虚拟仪器仪表的功能是通过改变软件实现的。LabVIEW呈现在学生面前的是和实际的硬件仪器相似的图形化操作面板，适合中职生的直观易懂的认知能力。当前最流行的是LabVIEW8.20中文版，简单易学容易操作,如下图2所示。

图2：LABVIEW8.2工作界面2．LabVIEW的操作模板LabVIEW的操作模板，包括函数（Functions）模板、工具（Tools）模板、和控制（Controls）模板。工具模板提供用于编辑、操作前面板和流程图的工具，使用某操作工具，只需用鼠标点击该工具即可。控制模板用来给前面板设置输入控制对象和输出显示对象。功能模板是的作用是为创建流程图提供工具。3.LabVIEW应用程序的构成前面板即VI的虚拟仪器面板是图形用户界面，主要包括用户输入和显示输出两部分，前面板上提供了设计电路所需的旋钮、开关、图形、显示对象等。如下图3所示。虚拟仪器的后面板为流程图提供图形化源程序。流程图上有前面板上的控件和连线端子，及一些前面板上未出现但编程需要的结构、函数及连线等。图3：LABVIEW控制Arduino的LED亮灭的前面板四、虚拟仪器在中职电子技术实验教学中的应用策略电子技术是一门以实验为基础的学科，根据中职生的特点及教学大纲的要求，在教学中降低理论知识的难度，提高技能操作的比重，以培养适应岗位需要的技能型人才。虚拟仪器电子实验系统的两大模块是演示型实验模块和实操型实验模块。直观形象的演示实验

,能够激发中职生的学习兴趣

,使学生在实验中建立起深刻的感性认识；实操型实验培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力

,锻炼学生的动手操作能力和综合素质。(一)虚拟仪器教学系统模块一：演示型实验1.演示型实验：构建直观、感性的实验情境根据教学大纲和中职生的知识特点，在教学共组中为学生创设学习环境时应坚持可行性和实用性原则。利用虚拟仪器技术开发的演示型实验可以帮助学生构建完善的虚拟仿真电路系统，利用计算机模拟体系呈现模仿现实的操作环境，表格、实现图形、曲线等不易表达的内容。虚拟仿真仪器消除了中职生的“抽象感”，使实验内容更加直观、易懂。下面以具体的实例来展示。2.演示型实验应用实例：函数信号发生器在LabVIEW

软件开发环境下开发出了虚拟万用表、虚拟信号发生器、虚拟频率分析仪和虚拟数字滤波器等。多个演示实验构成一个开放性的虚拟实验室。一套虚拟仪器系统就可以实现各种常用仪器的全部功能。如下图4所示是虚拟函数信号发生器的前面板，通过设置前面板参数可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。如想产生不同参数的波形只需设置频率、幅值、相位和方波的占空即可。

图4

虚拟函数信号发生器前面板3.演示型实验的教学反馈在数字系统中要注意信号频率与采样频率之间的关系要满足采样定理，即最高信号频率小于采样频率的一半。被采样的频率在奎耐斯特以下，频率混叠的是高于奎耐斯特的频率。在传统授课模式下，由于很抽象学生很难理解这种频率混叠现象，而采用虚拟仪器技术教学只需简单的调节虚拟函数发生器的信号采样频率和频率参数，即可直接显现，教学效果是纯理论教学难以达到的。（二）虚拟仪器教学系统模块二：实操型实验1.实操型实验：助力中职生技能水平提升虚拟仪器实操型实验内容是学生选取实验题目设计方案、操作实验和处理数据等，学生将自己所学的知识和兴趣结合起来，融入到实验项目中去，充分发挥学生的能动性和自主性，在实验中训练动手能力和分析问题、解决问题的能力。虚拟实操型通过搭接实物电路、利用软件仿真电路，学生在实验过程可以对实验数据进行分析，总结实验数据和结论，充分发挥学生的主体地位和实际解决电路问题的能力。下面通过虚拟温度检测系统来说明实操型实验的实验过程。

2.实操型实验应用实例：虚拟温度检测系统实操型实验即利用LabVIEW、数据采集卡开发的实际操作型实验，在虚拟仪器面板上即可以显示测试结果。下面是LabVIEW虚拟温度检测系统实例：（1）建立一个测量温度的VI。（2）实验步骤1)选择

File»New，打开一个新的前面板窗口。2)从

Controls»Numeric

将选中的

Tank放到前面板中。3)从“结构”里选择for循环，用一个随机数乘以100，结果输出到温度计。（3）实验结果前面板图：如图4所示图4：虚拟温度检测系统前面板

图5程序框图3.实操型实验教学反馈实操型实验中，只需把实验设备与虚拟仪器准确无误连在一起，就能顺利完成实验，得出正确的实验结果。虚拟仪器系统提供的实操型实验有：三极管输入输出特性曲线实验、OTL功率放大实验、三端集成稳压器LM386稳压性能实验、以及共射级放大电路实验、温度对静态工作点影响的实验等，只要实验中需要使用到相关的测量仪器，基本上都可以采用虚拟仪器技术来完成。虚拟仿真技术可以预先对电路进行设计分析，试验通过后再结合硬件进行真实电路焊接和组装。虚拟仪器提供内容丰富的实验平台，学生设