（教育技术学专业论文）虚拟仪器技术在电子物理教学实验中的开发与应用.pdf

四川师范大学硕士学位论文 摘要 教育技术学专业专业 研究生甘泉指导教师张松 本文“虚拟仪器技术在电子物理教学实验中的开发与应用 是现代教育技 术与虚拟仪器技术相结合所发展出的一个课题。针对二般情况下的电子物理教 学的测量实验环境，是本次课题讨论的主要背景。本文从虚拟仪器技术分析出 发，以开发教育新资源与教学新工具为目的，展开相关的理论研究与编程探讨。 旨在将虚拟仪器技术融入教育技术领域，实现两者的有机结合，为现代教学实 验设备的革新升级提供更新、更有效的帮助。 在当前仪器发展的形势下，以软件为关键部分的数字化的虚拟仪器，被视 为未来实验室中最具优越性的实验工具，它以其自身独特的优越特性，将为各 个学科及工业领域，包括教育领域，提供各种各样高性能、低价格、具有互动 性与智能化的全新数字化仪器。与传统的仪器相比，无论是从仪器的成本、智 能化处理能力、开发难度与升级周期，还是移植性、仪器功能的定义上，虚拟 仪器都俱有着无可比拟的技术优势。虚拟仪器的仿真特性还将使其在虚拟现实 的教育领域开发中，扮演重要角色。同时，虚拟仪器具有强大的商络通信功能， 这使得它在当前的远程教学领域中也成为了一个不可或缺的部分。 。 本文从教育技术理论为思想基础，以革新教学资源为初衷，旨在面向普通 中小型的实验室进行仪器设备的虚拟化升级，以低价高效地教育成本，换取完 全适合教育环境的教学仪器设备。 论文的大体构架分为以下几点： l 、针对虚拟仪器的相关背景与技术做一般的介绍，结合教育技术的要求， 讨论虚拟仪器技术在教育领域内的研究价值与意义。 2 、大体针对虚拟仪器学科的技术内容进行介绍与分析，以及其环境要求， 以便使大家对虚拟仪器技术本身有一个比较全面的了解。 i i i 四川师范大学硕士学位论文 3 、最后，在虚拟仪器设计思想的基础上，本文将理论结合与实际开发应用 作为工作的重点，并针对电子物理测量实验的相关要求，设计开发了一系列教 学实验中的虚拟仪器，为进一步虚拟仪器在各级各类的实际教学中的投入实践， 提供了可行的帮助。 关键字：教育技术虚拟仪器技术教育资源教学工具 电子测量实验数字仪器 四川师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et i t l eo ft h i sa r t i c l ei s t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fv m u a l i n s t r u m e n t st e c h n o l o g yo ne l e c t r o n i c se d u c a t i o n ”m yw o r ki sb a s eo nt h ec o m b i n e o fe d u c a t i o nt e c h n o l o g ya n dv n t u a li n s t r u m e m s t e c h n o l o g y t h i sw o r k s p r e c o n d i t i o nh a sb e e nf o u n do nt h et e s tc o n d i t i o no fe l e c t r o n i c se d u c a t i o n ，f r o mt h e a n a l y s i sa b o u tv l r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y , s e tt h ea i mt od e v e l o p i n gm o r en e w e d u c a t i o nt o o l sa n de x p l o i t i n gf r e s he d u c a t i o nr e s o u r c e i ns t a t eo fp h y s i c sm e a s u r ei n s t r u m e n t sc u r r e n t l y , d i g i t a lv i t u a li n s t r u m e n t sw i t h s o f t w a r ea sc r u c i a lp a r th a v eal o to fp r e d o m i n a n c e sa n di th a sb e e nr e g a r da st h e e x p e r i m e n tt o o lt h a th a ss u p e d o r i t yi nf u t u r el a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t sw i l lb e t h eb r a n d - n e wd i g i t a li n s t r u m e n ti ne v e r ys u b j e c ta n di n d u s t r i a lf i e l d ，i n c l u d e s e d u c a t i o nf i e l d , a n do f f e r sal o to fv a r i o u sh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e ， i n t e l l i g e n c e ，m u t u a l ，h i g hm o v a b i l i t yt o o l s m ya r t i d ej u s tp r o b ei n t ot h em o d eh o w t oc o m b i n ee d u c a t i o nt e c h n o l o g ya n dv m u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g ye f f i c i e n t l y a n d h o wt om a k ev i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g yb r i n gt om o r es t r o n gh e l pt ot h e e l e c t r o n i c se d u c a t i o n t h a tv i r t u a li n s t r u m e n t sw h i c hd e v e l o p e db a s eo nt h er e q u e s t f r o ml a b o r a t o r yw i l lb ea ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e m e d u c a t i o n ，e s p e c i a l l y , e s p e c i a l l y e l e c t r o n i cp h y s i c s d i g i t a lv m u a li n s t r u m e n t sh a v em a n yk i n d so fp o w e r f u lf u n c t i o n s b ya l la p p e a r a n c e st h e yw i l lb et h em o s tu s e f u lt o o l si nl a b o r a t o r y v m u a l i n s t r u m e n t sa l et h ec h e a p e r , m o r ee f f i c i e n t , h i g hi n t e l l i g e n t , m o r ea c t i v et o o l s t h e y c a nb e u s e di nv k t u a le n v i r o n m e n te d u c a t i o n ，o rn e t w o r k se d u c a t i o n ，e t c t h i sp a p e ri si d e o l o g i c a lf o u n d a t i o nf r o me d u c a t i o n a lt e c h n i c a lt h e o r y , a i m sa t f a c i n go r d i n a r ym e d i u mo rs m a l ll a b o m t o r yt oc a r r yo u ti n s t r u m e n te q u i p m e n tw i t h t e a c h i n gr e s o u r c ei n n o v a t i o na so r i g i n a li n t e n t i o n a l lo ft h ew o r k si sm a d eo ft h r e ep a r t s ： f i r s t , a i ma tt e c h n o l o g ya n dt h er e l a t e db a c k g r o u n do fv t r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g yt o d o g e n e r a li n t r o d u c t i o n ，c o m b i n a t i n ge d u c a t i o n a lt e c h n o l o g yt o d i s c u s s i n gt h eq u e s t i o na b o u th o w t op u tv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi ne d u c a t i o n a l f i e l d ，a n dt h et h e s i s r e s e a r c hv a l u ea n ds t u d ym e a n i n g v 四川师范大学硕士学位论文 s e c o n d l y , t h e r eh a sr o u g h l yi n t r o d u c e de n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t a n dt h e t e c h n i c a la n a l y s i sa b o u tv i r t u a li n s t r u m e n t , i no r d e rt om a k ee v e r y b o d yh a v ea n o v e r a l lu n d e r s t a n d i n gf o rv i r t u a li n s m m a e n tt e c h n o l o g y f i n a l l y , t h i sw o r k sf o c u si sf o r mt h e o r e t i c so fe d u c a t i o na n dv m u a li n s t r u m e n t s t e c h n o l o g yt od e v e l o pas e r i e so fv i r t u a li n s t m m e m sf o re l e c t r o n i c sl a b t h e s ev i r t u a l i n s t r u m e n t sw i l lb eu s e f u lf o r r e a le d u c a t i o nc i r c u m s t a n c e sa n dc a l lh e l pt on e w e x p l o i t a t i o n k e yw o r d s ：e d u c a t i o nt e c h n o l o g yv m u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g ye d u c a t i o n r e s o u r c ee d u c a t i o nt o o l s p h y s i c sm e a s u r ee x p e r i m e n t d i g i t a li n s t r u m e n t s v i 四川师范大学硕士学位论文 刖舌 教育技术学是现代教育科学发展的重要成果，教育技术参与教育过程，改 变了整个教育过程的模式，改变了教育过程的组织序列，改变了分析和处理教 育、教学问题的思路。 确切地说，教育技术超过了其各组成部分的总和，它是按照具体的目标， 根据对人类学习和传播的研究，以及利用人力和非人力资源的结合，“从而促使 教学更有效的一种系统的设计、实施、评价学与教的整个过程的方法。 在这样一个复杂而动态的体系中，教育技术所包含的技术范围，也将是不 断更新与发展的。可喜的是，当前的教育技术领域正紧随着多项相关学科的发 展，不断扩大内容和深化结构，并进一步溶入新的技术与思维。换言之，现代科 学技术和现代教育理念的不断发展，赋予了教育技术充实的内涵和无限的生命 力。 根据教育技术学a e c t 9 4 概念中对教育技术的本质特征的描述，教育技 术的本质特征分为三点：一是开发和使用各种学习资源：二是用系统方法设计 和组织教学过程；三是追求教育的最优化【3 】。 其中学习资源的开发与使用一条，是教育技术不可或缺的内容! 资源的定 义包括了人员、资料、活动、设备等多项内容。而教学设备的开发与使用，更 是一项重要的研究方向。 本次论文所着重研究的课题，就是针对教学资源之中设备的开发，引入当 前一个重要的技术领域虚拟仪器技术，对之进行分析与讨论。使之与教育 技术进行有机的结合。 虚拟仪器( v i ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 技术是2 1 世纪科学技术中的核心 技术之一，包括了计算机技术、自动控制技术、测量技术、电子技术、软件工 程、网络通信、总线技术等多个学科。简言之，虚拟仪器技术是仪器技术与计 算机技术深层次相结合的产物。美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司于2 0 世 纪8 0 代中期首先提出了基于计算机技术的虚拟仪器的概念，并以此为起点，把 虚拟测试技术带入了新的发展时期，虚拟仪器也逐渐为工业界和学术界所认知。 经过了近二十年的发展，它已经成为了2 l 世纪测试技术和仪器技术发展的主要 方向。 四川师范大学硕士学位论文 虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上是一种基于计 算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器有机 地结合在一起，大大减少了仪器硬件的成本，并缩小了体积，通过软件实现对 数据的显示、存储以及分析处理。它的出现，使测量仪器与计算机之间的界限 消失，是仪器领域的一次革命。 将虚拟仪器技术利用到教育技术领域之中，将为教育技术体系提供一个新 的研究方向。就课堂资源开发而言，虚拟仪器技术可以为教学提供各种低成本 的仿真仪器与设备，尤其对于电子物理教学课程中，更能体现出电子测量仪器 的仿真效果：另外，虚拟仪器的引入；也为仿真与模拟教学的理论研究，提供 了新的实例与基础。 在教育技术体系的框架内，进一步完善虚拟仪器技术与教育技术的结合， 根据具体教学要求，研发适于教学使用的虚拟仪器，无疑会给当前课堂教学， 尤其是电子物理教学带来令人鼓舞的效果。 2 四川师范大学硕士学位论文 第一章内容综述 1 1 课题背景 当前教育体系遍及社会的各个领域，一方面教育要对其它行业进行培训与 指导，另一方面，教育自身也在其它行业的发展影响下不断改善与进步。教育 技术作为教育体系之中的突前力量，其本身就具备着改革性质，拥有着极大的 活跃性。它必然要紧密联系当前最新最强的学科技术，充实教育的肌体，以求 保持社会教育的先进性【辩。 与此同时，以计算机技术为代表的高新科技，正使我们的社会发生着日新 月异的改变。将新技术运用于教育实践之中，是教育技术的一项重要课题。 在对大规模、自动化、智能化电子测控系统的需求愈发迫切的形势下，计 算机技术、仪器技术和通信技术的结合，开创了仪器仪表的里程碑虚拟仪 器技术。 虚拟仪器技术的优势在于可以由用户自己定义自己专用的仪器系统，且功 能灵活，构建容易，所以应用的范围极其广泛，尤其在军事、科研、开发测量、 检测、计量、测控领域更是不可多得的工具。毫不例外，它的开发与运甩，同 样可以服务于教育领域，在教育技术的框架下，为各类教育机构提供相应的教 学设备与教学资源。 随着教育技术的快速发展，新技术、新产品不断涌现，教育者对教学仪器 也有了更新的要求，尤其对仪器的功能、灵活性、可维护性等方面的要求，也 越来越高。所以，越来越多的教育技术工作者，看到了虚拟仪器技术领域这一 重要的研究方向，加入到虚拟仪器技术应用于教学产品开发的行列中。随着虚 拟仪器技术的进步与发展，教学用虚拟仪器将在教育范围内得到越来越广泛的 普及应用。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器的开发平台软件， 以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试 系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是美国n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 公司所研发的l a bv i e w 软件和l a b w in d w o s c v i 开发软件。其中， l a bv i e w 采用图形化编程方案，是一款非常实用且便于学习掌握的开发软件。 3 四川师范大学硕士学位论文 l a bw i n d o w s c v i 则是为熟悉c 语言的开发人员准备的、在w i n d o w s 环境下的 标准a n s i c 开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i s 公司的e z - - t e s t 和t e k t n s 软件，以及 美国h e md a t a 公司的s n a p - - m a t t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪 器开发平台软件。虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用p c 机组建成为灵活的虚 拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试 系统。它可以借不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子 仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。 + 本课题研究的主要内容是基于当前现有的虚拟仪器技术，结合教育技术的 理念，针对电子物理教学中常用的仪器，进行相关的资源开发与应用。所研究 的背景正基于此，选用n i 公司推出的虚拟仪器设计语言l a b v i e w7 作为主要开 发工具，在当前虚拟仪器的开发实验室研发成果基础上，进一步探讨虚拟仪器 如何使用于教育领域。并着手自行开发部分可运行的教学用虚拟仪器，作为实 验工具。 本次课题立足并借鉴当前国内外虚拟仪器的现有技术成果，对开发过程做 出必要的技术分析与内容介绍，本文重点在于探讨虚拟仪器技术与教育技术的 理论结合，以及电子物理教学常用的虚拟仪器实例开发。 1 2 虚拟仪器技术的概述 1 2 1 虚拟仪器的基本概念 仪器技术发展至今，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪 器、层叠式仪器系统阶段。从2 0 世纪8 0 年代进入了虚拟仪器系统时代。 1 9 8 2 年的美国，出现了一种与p c 配合使用的模块仪器，自动测试系统结构 也从传统的机架层叠式结构发展成为模块式结构。与传统仪器不同的是，模块 式仪器本身不带仪器面板，因此必须借助于p c 强大的图形环境和在线帮助功能， 建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的操作、控制、数据分析与显 示。这种与p c 结合构成的、包括实际仪器使用与操作信息软件的仪器，也就是 最早具有真正意思的“虚拟仪器 ( v i ) 。这种现代仪器技术与计算机技术深层 次结合的产物，随着二十年来的发展，已成为当今计算机辅助测试( c a t ) 领域 4 四川师范大学硕士学位论文 的一项重要技术： 所谓虚拟仪器，是以计算机为基础，用户根据自己的需求来定义的设计测 量仪器，配以相应测试功能的硬件作为信号的输入输出的接口，完成信号的采 集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器系统。利用虚拟 仪器软件开发平台( 如l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v l ) ，在计算机的屏幕上形象地 模拟各种仪器的面板( 包括显示器、指示灯、旋钮、开关、按键等) 以及相应 的功能。人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，进行 仪器功能选用，设置工作参数，启动或停止仪器的工作等。在计算机控制下， 通过调用不同功能的软件，对输入信号进行采集与控制，完成各种各样的信号 分析、处理，实现各种测试功能【9 i 。 虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者是在 操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器，用 户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作就如同在真实仪器上操作一样直 观、方面、灵活。虚拟仪器因此而得名。 虚拟仪器的基本功能由三大功能模块组成：信号的采集、数据的处理、结 果的输出与表达。其基本结构模式如下图所示： 。q 瞬施n t n d c o m m l c 采集与猕l ， 现畸遗d 吐t 瓤蚋- 磁阻b 伽a t 抽入式数鼍采集扳) 饼忸要珊嘲， ( o p i b 仪墨 稍一 【v 仪嚣 r s 2 3 2 一 ( r s - 2 3 2 仪嚣， d 啦知蛐 _ 【数冕分析 d 嘀鲁i 国+ s i 弘i d 巍嘀瞄遗 ( 教宇信号处理 脚t 缸秭h 商n g 数字涎渡 s h b 晒 c 统计：， n 衄烈j c i l 知艟蜘函 数字分析 图1 1 虚拟仪器基本结构 d 缸 p 麒n a 斑m c 数据表达 n e 慵崎 i 网络、， h 叫电胃o - ，毗 嬲输出。) f m i _ 0 i 统计 g r a p h i c a l u s e r i n t e 商e c e ( 数事分析) 虚拟仪器的概念是1 9 8 6 年由美国国家仪器公司( 以下简n i 公司) 首先提 出的。n i 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就以“软件就是 仪器 来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重要的位置，但 这并不排斥测试硬件平台的重要性。使用者可以根据不同的测试任务在虚拟仪 5 l 四川师范大学硕士学位论文 器开发软件的提示下编制不同的测试软件，实现当代科学技术复杂的测试任务。 1 2 2 虚拟仪器技术的研究意义 由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与 仪器领域中的应用，新的测试理论、测试方法、仪器结构不断出现。电子测量 仪器的功能和作用已发生了质的变化。 在这样的前提之下，传统的仪器已经不能满足科技的发展要求。新的科技 发展趋势，导致了仪器技术的革命。其中计算机处于核心地位，计算机软件技 术和测试系统更紧密地结合成_ 个有机体，导致仪器的结构、概念和设计观点 发生了突破性的变化。正是在这样的背景下出现了新的仪器概念虚拟仪器。 虚拟仪器在技术性能方面所具有的极大的灵活性与诱人的经济性，特别适 应于当今科学技术发展和科学研究深化所提出的更高更新的测量课题和测量需 求。虚拟仪器技术进步意义，大体上有以下四点： 1 、性能高 在p c 技术的基础上发展起来的虚拟仪器技术，“继承 了现成即用的p c 技 术为主导的技术优点，包括功能超卓的处理器和文件i o ，在数据高速导入磁盘 的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计 算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 2 、开发时间少 在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通 讯方面的最新技术结合在一起。n i 设计的软件构架提供了灵活、强大的功能。 以可轻松配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量控制解决方案。 3 、扩展性强 n i 的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。只需更 新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上 的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到 现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 4 、无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不 - 四川咖瞄大学硕士学位论文 断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求， 而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。n i 的虚拟仪器软件平台为 所有的i o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单 个系统，减少了任务的复杂性。 1 2 3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成。 1 、虚拟仪器的硬件系统组成 虚拟仪器是基于计算机的测量设备，其硬件由计算机及i o 接口设备组成。 i o 接口设备主要完成信号的采集、放大、模数转换及数模转换和信号输出控 制等。不同的总线有其相应的i o 接口硬件设备。 按总线分类，虚拟仪器系统主要有以下几种构成方式： 图1 2 虚拟仪器i 0 设备示图 ( 1 ) p c d a q 系统。此系统以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬 件平台组成插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机本身的总线，将数据采 集卡( d a q 板) 插入计算机的空槽中即可。 ( 2 ) g p i b 系统。此系统是以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台 组成的虚拟仪器测试系统。 ( 3 ) 串口系统。此系统是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平 台组成的虚拟仪器测试系统。 ( 4 ) v x i 系统。此系统是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平 四川师范大学硕士学位论文 台组成虚拟仪器测试系统。 ( 5 ) p x i 系统。此系统是以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平 台组成虚拟仪器测试系统。 无论虚拟仪器设计时采用上述哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件 与计算机相结合的【1 1 1 。 2 、虚拟仪器的软件 虚拟仪器必须解决好人机接口( 用户接口) 和机机接口( 计算机与仪器模 块接口) 问题，虚拟仪器软件由两大部分构成：应用程序和i o 接口仪器驱动 程序。 。 ( 1 ) 应用程序( 包含两方面功能的程序) 实现虚拟仪器面板功能的软件程序； 定义测试功能的流程图软件程序。 ( 2 ) i o 接口仪器驱动程序：完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信。 虚拟仪器可以在相同的硬件平台下，通过不同测试功能软件模块的组合，实现 功能完全不同的的各种仪器，即虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。软 件是虚拟仪器的核心，体现了测试技术与计算机技术深层次的结合。 开发虚拟仪器必须选用合适的软件开发平台，目前的虚拟仪器开发平台有 如下两大类： 基于文本式编程语言开发工具：如v c + + ，v b ，c + + b u i l d ，l a b w i n d o w s c v i 及d e l p h i 等。 基于图形化的编程语言开发工具：如l a b v i e w ( n i 公司) ，h p v e e ( h p 公 司) 。 1 3 国内外虚拟仪器技术的研究现状与发展趋势 1 3 1 国内外虚拟仪器的现状 当前的虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通 用接口总线、v x i 总线，以及已经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e 1 3 9 4 总线。世界各国的公司，特别是美国n i 公司，为使虚拟仪器能够适应上述 各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的插件，可灵活地组建不同 8 四川师范大学硕士学位论文 复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。 r s 2 3 2 总线是p c 机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的 虚拟仪器或测试系统。g p i b 仪器总线已经风行多年，由于它只是8 位并行仪器 总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。 但是，采用g p i b 总线的仪器或插件，仍然大量存在，一直在应用，因此g p i b 总线仍然是组建中等水平自动测试系统所欢迎的总线。v x i 总线是在v m e 总线的 基础上发展起来的仪器总线，成为当今国际上测量仪器总线的主体。它可以满 足当代科学技术发展的测试要求，成为世界各国开发虚拟仪器最重视的开发对 象。在这一方面，不仅常有新软件出现，也常有高水平的系统开发成果的报道。 从事虚拟仪器开发的厂家和公司，也很注意u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 串行总线虚拟仪器的开发，一是因为虚拟仪器系统主控常采用p c 机，而当今p c 机已经更多地采用u s b 总线和i e e e1 3 9 4 总线，二是因为u s b 总线已经得到广 泛的支持。微软w i n d o w s 系列全面支持u s b 总线，s u n 公司和d i g i t a l 公司也已 经支持u s b 。但是，u s b 总线只限于用在较简单的测试系统中，当今用虚拟仪器 组建自动测试系统，更有前途的是采用i e e e l 3 9 4 串行总线，这是因为这一种高 速串行总线，能够以i 0 0 、2 0 0 或4 0 0 m b s 的速率传送数据，显然会成为虚拟 仪器发展最有前途的总线。目前国际上虚拟仪器所用i e e e1 3 9 4 总线的传站速 度的最高记录，已经达到1 0 0 r o s 。 虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系 统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出模块化仪器的主流平台p x i ，这是与c o p a c tp c i 完 全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台p x i c o m p a c e ，p c i 的传输速度 已经达到l o o m b s ，是目前已经发布的最高传输速度【7 】。 虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、 表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的 高级分析库和开发工具库。例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数 字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪 声发生、数值运算、时域和频域分析等。 作为仪器领域中新兴的技术，虚拟仪器的研究、开发在国内已于上世纪9 0 9 四川师范大学硕士学位论文 年代中期起步，哈尔滨工业大学、西安交通大学、重庆大学、复旦大学、电子 科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科企业，在研究和开发仪器产品 和虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系列有 益的工作，取得了令人瞩目的成果。虚拟仪器技术在国内正有着良好的发展【2 】。 1 3 2 虚拟仪器的发展方向与趋势 虚拟仪器的主要发展方向是高度的集成化与网络化。 l 、集成化 如果将多种测试仪器的测试、虚拟式仪器库功能的形成过程软件化，用一 个个文件来表示一台台仪器的功能，这样便将多种仪器的测试分析功能集成于 计算机内，这称之为“测试集成 。同样，如果将仪器的面板控件也一一软件化 后集成于机内，并使这些仪器的功能软件和控件软件在同内的“框架协议”软 件平台上进行软件装配、软调试，最后便形成一个多品种的虚拟仪器库。 2 、网络化 随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器 领域是虚拟仪器发展的一个重要趋势。网络化虚拟仪器的一般特征是将虚拟仪 器、外部设备、被测试点及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成 测试任务。使用网络化虚拟仪器，可以在任何地点、任意时刻获取到测量的数 据信息，也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。网络化虚拟 仪器的发展将是虚拟仪器发展史上的又一次革命。 1 4 本次课题研究的主要内容 1 4 1 虚拟仪器技术在现代教育技术范围内的应用 将虚拟仪器用于教学领域，是虚拟仪器技术的一个重要方向。同时也是本 次课题研究的主要目的，即将虚拟仪器技术与教育技术相结合，开发相应的虚 拟教学设备，用于物理实验之中，减少设备的成本投入，提高教学的效率与教 学设备的功能。 教育技术的一个主要目标就是改革教育现状，推出新的技术以提高教学效 率与质量。教育技术本身是具有开放性与发展性的，这种发展性即包括了教学 概念与教育方式上的理论探索与变革，另一方面也包括了教学工具和资源上的 1 0 四川师范大学硕士学位论文 变革。比如，如何选择及使用教学媒体，或是如何提高教学媒体的功能与价值， 这是教育技术工作者要面对的一个重要课题【6 】。 教学设备属于教学媒介和资源的范围之中，而这些设备中有相当大比例的 传统的电子仪器。这部分仪器在教学过程中从事着演示、操作、测量等工作。 作为教育资源的部分仪器，如果采用虚拟仪器技术，在计算机实验室中，创造 我们常用的电子仪器，则可达到既节省资金、又提高教学质量的目的。另外， 维护电脑的同时，即等于存放了大量的电子仪器，不必另行维护存放，节省了 额外的开支。虚拟仪器具有功能完善、成本低廉、集成性强、易于维护和修改 等优点，对于教学用途，可适应多环境下的实验仪器要求。 1 4 2 虚拟仪器在电子物理教学中的应用与现实 虚拟仪器是对仪器的一种仿真与模拟。这与仿真教学和虚拟环境的教育技 术，在本质上如出一辙。操作人员即可以是教师，也可以是学生，都能通过图 形用户界面用鼠标或键盘来控制仪器运行，以完成对电路的电压、电流、电阻 及波形等物理量的测量，几乎和真的仪器一样。 因此，在电子物理教学之中，学生们完全可以利用实验室中的电脑，完成 针对多种电子仪器的操作练习。一方面，是学生们掌握仪器的操作与使用方法， 用于对一般电子测量仪器的操作人员的培训：另一方面，学生们可以在掌握虚 拟仪器技术和电子物理技术的基础上，利用软件平台开发新的虚拟仪器，这则 针对测量工程师的技能培训。在虚拟仪器技术韵帮助下，电子物理实验教学完 全可以摆脱传统仪器死板的操作格局，以更生动的仿真形式，完成教学与鸯学， 甚至创新的教育目的。 现在已经在电子物理教学之中成熟使用的虚拟仪器大致有7 种虚，分别是 数字万用表( m u l t i m e t e r ) 、信号发生器( f u n c t i o ng e n e r a t o r ) 、示波器 ( o s c i l l o s c o p e ) 、波特图仪( b o d ep l o t t e r ) 、数字信号发生器( w o r dg e n e r a t o r ) 、 逻辑分析仪( l o g i ca n a l y z e r ) 、逻辑转换器( l o g i cc o n v e r t e r ) 。这些虚拟实现 的仪器设备将出现在同一台电脑之上。而学生们在使用这些虚拟仪器的同时， 已经接受到了真正的实践练习。在教学环境中加入网络技术之后，虚拟仪器则 可以融入到一个更广阔的教学范围之中，作为网络虚拟实验室或虚拟现实教学 资源的一部分，为更多的学员们共享使用。 四川师范大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器在教育技术中的应用价值与意义 由于虚拟仪器具有许多令人鼓舞的优势，而且随着电子技术与计算机技术 的发展，其价格也在不断下降，这就使得它更快地进入越来越多的领域，如果 我们不局限把虚拟仪器当成是测量分析仪器，而是将其视为一种更广泛有效的 工具和技术的话，那么运用于教育领域则是顺理成章的事了。 从虚拟仪器本身的特点与优势，可以看出，虚拟仪器系统及其技术在学校 教育方面，尤其是计算机辅助教育方面可以发挥更加有利的作用。利用计算机 的强大功能，代替传统仪器，也将成为教育技术的一个不可忽略的研究方向。 2 1 传统教学仪器与虚拟仪器的比较分析 2 1 1 传统教学仪器的特点和不足 在应用学科的教学过程中，学生们的实际动手能力是一项重要的技能。如 何让学生更高效合理地使用和操作相关的设备，是教育者应该加以考虑的问题 之一。而另外的一个问题，则是在教学中我们应该选择怎样的仪器呢? 在虚拟仪器投入到教学领域之前，教学选用的是传统电子仪器。这些传统 电子仪器曾广泛地利用于各行各业，发挥过重要的作用。但时至今日这些传统 仪器已然不能适应时代的发展了。至少已体现出传统仪器面对当前要求的疲态。 传统电子教学仪器之所以不能适应当前时代的要求，是由它本身固有的特 点所决定的。这些不足归纳起来，大体有以下几点【1 3 】： l 、传统仪器的功能定义由厂商来完成。这使得出产的仪器，模式面定化， 单一化，只能适合通用的模式，在需求情况多变的情况下，传统仪器不能灵活 地改变其固定功能。即系统封闭、功能固定、可扩展性差。 2 、传统仪器是实物体，接口在出厂时就已经制作完成，这就使得它与其它 器件的连接受以限制，连接数目也很有限。 3 、图形界面单调，需要人工读取数据，信息量小。 4 、数据无法编辑。传统仪器对数据的处理能力十分有限，而且功能也单一。 5 、硬件是关键部分。这就造成传统仪器的折旧问题变得很明显，占用空间， 存放，维护、修理等阿题也不能忽略，都将消耗费用。且更新的周期必然较长。 6 、传统仪器的价格昂贵。以硬件为关键的仪器，在制造工艺没有大的改革 四川师范大学硕士学位论文 的前提下，成本很难下降。 7 、技术难以更新：传统仪器一旦成型投入使用，就很难升级更新。即使可 以，也要送回厂家，将新软件重新固化，升级的成本较高。 8 、传统仪器的开发成本与难度较高，需要专业开发人员，制造硬件时间长， 必须在专业厂家内完成。 鉴于上面的这些传统仪器的固有特点，导致了其难以改变的不足。传统仪 器已经不能满足当前时代的要求。 2 1 2 虚拟仪器的价值与优势 虚拟仪器的出现与兴起，改变了传统仪器的概念、模式与结构，从基本上 改变了传统仪器的观念，同时也摒弃了传统仪器所难以克服的不足与缺点，以 其特有的优势显示出了强大的生命力。 虚拟仪器与传统仪器相比，其特点可以归纳为： l 、通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成的扩展仪器 的功能，增加仪器的性能，大大减少了仪器的开发成本。 2 、仪器的功能是由用户根据实际需要由软件设计和定义的( 而不是事先由 厂家定义好的) ，可以灵活方便地制定仪器，满足用户的特殊要求。 3 、研制周期较传统仪器大为缩短。因为虚拟仪器关键是软件的开发，则可 以根据需要随时进行升级与二次开发。” 4 、虚拟仪器开发灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它届边设备互 联。借用计算机强大的运算能力与网络技术，虚拟仪器体现出了传统仪器不可 比拟的优势。 2 1 3 虚拟仪器在教育技术中的运用前景 1 、虚拟仪器作为测量分析仪器在教学、科研中的运用 高等学校特别是理工科学校，教学、科研需要大量的测量分析仪器设备， 特别是实验教学，每种仪器都必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，因 此仪器设备所需投资巨大，一般学校很难满足，造成许多学校仪器设备缺乏和 过时陈旧等现象，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器系统，情况就大不一 1 3 四川师范大学硕士学位论文 样了。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教 学科研的质量与效率【3 3 】。 2 、虚拟仪器技术在仪器设备使用实验教学中的运用 实验教学是许多专业必须进行的一项教学活动。掌握测量仪器和设备的操 作使用方法是每个学生进行科学实验基本前提。传统的教学方法是让学生在教 师的指导下进行实际的操作使用，随之而来的问题是教师的工作量很大而很难 对所有学生进行指导，既影晌教学效果又容易造成仪器损坏。运用c a i 教学软 件辅助实验教学，能较好克服存在的部分困难。但是，由于电子技术实验教学 方面的c a i 软件还很少，而且功能不强，交互性、操作性和界面的真实程度较 差，适应范围窄，在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性溯。 如果用虚拟仪器开发平台如l a b w i n d o w s 开发各种不带相关功能硬件的“虚 拟仪器 不但简单易行且交互性、可操作性和真实感与实际虚拟仪器基本相同。 3 虚拟仪器技术与计算机模拟仿真技术结合在c a i 和科研中的运用 将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术通过数据交换共享结合起来建成虚 拟仿真实验室，对一些科学现象和规律进行仿真实验，能够代替部分实际实验 项目供教师和学生进行教学与研究。学生利用计算机模拟仿真软件对实验进行 模拟仿真，仿真的结果通过虚拟仪器系统进行观察、分析、处理。由于仿真软 件和虚拟仪器均具有人机交互能力，这样在这个虚拟的交互式仿真世界，给人 创造一种近乎进行真实实验的感觉。 4 、虚拟仪器技术与i n t e r e n t 技术结合在远程教育中约运用 利用i n t e r n e t 资源和技术，如a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ，动态服务器主 页) 、s o c k e t ( 套接字) 等，将i n t e r n e t 与虚拟仪器结合起来，可以为远程教育 中实验教学这一公认的难题提供一种全新的解决方案。 2 2 虚拟仪器在现代教育技术领域内的理论基础 2 2 1 仿真教学概念 计算机模拟技术即利用计算机模拟真实环境的技术。在仿真环境中，使用 者通过电脑设备，模拟现实情况感知和操作仿真世界里的对象，与仿真世界里 的对象交互，从而获得身临其境的感觉和体会例。物理现象及实验进行计算机模 1 4 四川师范大学硕士学位论文 拟较传统单一教学方法及实物实验方式的优点主要有以下几点： 1 、强调主导学习 通常的实验课，常常是教师讲解并演示物理现象与实验过程，实验步骤已 经事先确定下来，学生只是重复一下每个实验步骤，在这种以教师为中心、知 识的传递主要靠教师对学生的灌输的模式下，作为认知主体的学生在教学过程 中自始至终处于被动状态，其主