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1．1傳感器
本設計采用的傳感器型號是Vaisala公司生產的氣象變送器WXT520，是一個輕巧的小型變送器，采用緊湊式包裝，可提供6種氣象參數。WXT520用于測量風速、風向、降水、氣壓、溫度和相對濕度。傳感器外殼的等級為IP65/IP66，適合于我國北方的惡劣天氣。WXT520采用32VDC，并使用可選擇的通信協議輸出串行數據:SDI－12、ASCII自動和輪詢。有4個串行接口可供選擇:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配備了一個安裝用8針M12接頭和一個維護用4針M8接頭。
1．2主控系統
主控系統包括數據采集器與控制器，具體包括控制器、采集器、通訊模塊、供電電源和存儲模塊等部分。主控器通過嵌入式軟件與供電、采集、通訊、存儲等單元協調工作來完成。自動氣象站的核心是數據采集器，負責數據收集、傳輸、統計分析和數據存儲［4］。采集器電路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的擴展性，操作性、支持第三方控制器，包括時鐘管理、實時及周期間隔定時器、復位、關機、高級中斷及調試單元(DBGU)。通訊單元為西門子6GK7型工業以太網通訊單元，可以做到網絡統一，可與支持EtherNet/IP的設備連接，結合使用Ethernet功能使其具有傳感器監控器及控制值備份等現場實際應用功能，要想完成任務下達命令和數據上傳功能需要通過網絡來實現。通訊模塊起到關鍵作用，所以要求其具備以下功能:①支持國際標準通訊協議，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有標準RS232串口;②可以自動監測聯網狀態，短線1min內自動撥號重新連接，防止數據的丟失;③接口速率為可選的1200～9600kB/s范圍。存儲單元:因采集數據的頻率較短和跟蹤監測的時間范圍較長，因此采用存儲容量為閃迪256G固態硬盤，用于保證存儲容量及數據的安全性、穩定性和讀取速度，同時存儲單元可以記錄系統工作狀態。防雷單元:由于監測系統需要全天候連續工作，所以需要面對復雜天氣狀況，因此加裝防雷設備對于整個系統的安全性尤為關鍵，本系統采用的是雷太LY1－B系列電涌保護器(一級防雷器)。供電單元:由于本系統需要在田間進行監測，不宜采用城市供電，因此選用了太陽能電池進行供電，對電池的容量要求為在無光線的環境中可以連續供電10天。擴展單元:新型傳感器需要有相應的端口或接口與主控系統相連接，以滿足系統升級或新添設備需要。
2系統設計
農田氣象信息遠程監測系統的主控器選用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260處理器。該處理器可以采用Linux操作系統，通過嵌入式應用控制程序，實現農田環境多要素氣象數據的采集、處理及存儲的功能。被采集到的氣象要素基于TCP/IP協議的通訊網絡，采用無線GPRS方式，根據實際情況選擇最佳的組網方案，實現無線氣象數據傳輸，并基于LabVIEW開發農業氣象信息管理軟件，使氣象信息能夠被讀取。
2．1采集控制設計
采集系統可以實現采集并對采集到的氣象要素信號進行處理。采集系統內部設有存儲器，可以進行信息清除并對采集到的各氣象要素的數據進行存儲，有接口USB實現信息數據的備份功能。系統設有通訊接口RS232/RS485，可以通過該接口與GPRS/CDMA等通訊設備連接。該系統有時鐘校準功能，通過監控中心下達指令，對氣象站的時間進行校準。數據處理的方法需要設計采集數據的時間間隔。氣象數據的監測主要為定時掃描各傳感器的數據，通過通訊模塊將數據的電信號傳到主控系統中經既定程序(LabVIEW)計算;通過屏幕可以直接讀取實時數據，針對特定時間段的數據可以進行有目的的分析，如平均值，不同時間點的變化趨勢數據以及不同周、月份、年份的數據統計分析等［5］。收集數據默認為溫度、相對濕度、降雨量、風向、風速及氣壓;當增加傳感器時，在主控系統中重新設置就可以進行增加項目數據的收集。各氣象數據中氣溫、相對濕度、雨量、氣壓的數據傳感器每10s測定一次，根據氣象學上常規的統計方法，通過程序收集到1min內每10s的瞬時氣象數據。氣溫、相對濕度、雨量、氣壓在1min內會收集到6個數據，舍棄一個最高值和一個最低值，使用其余的4個測定數據來計算算術平均值，此值為監測系統最終在屏幕中實時顯示的瞬時數值。風向、風速的監測頻率為1次/min，系統計算每5min內5次測定值的算數平均值，此數據在LabVIEW程序界面中實時顯示。所有測定的數據在數據庫中均有保存，如統計部門需要對數據進行特殊分析，均可在數據庫中將數據導出。在數據庫中如有異常數據，一般以超過臨近時間點兩倍的數據值進行特殊標記，以便提醒管理員對相應數據進行核實和異常情況的分析。
2．2通訊設計
前端采集部分與后端監控中心系統通信采用無線GPRS通信方式，由于農田氣象站放置在室外，因此不適宜采用光纖傳輸，而采用GPRS無線能夠解決此問題［6］。GPRS采用的組網方式是公網固定IP的方式。GPRS擁有傳遞及時、通信信號好等優勢，在并組網時減少對原有網絡資源的浪費，節約了成本，并可以在室外復雜環境中實時進行監測，而且具有一定的安全性。室外自動氣象站與氣象信息管理系統需要建立點對點的網絡連接，在連接過程中需要以無線方式登陸到以太網絡來獲得網絡地址。要實現網絡服務器地址和端口映射在氣象管理系統中，需要氣象信息管理系統軟件采用其網絡子網地址，這樣在管理系統顯示軟件中就可以實現氣象數據的雙向通訊，進行有效的信息傳遞和收集［7－8］。圖2為基于GPRS無線通訊的氣象信息系統示意圖。
2．3軟件設計
氣象信息管理系統可以通過網絡來查看氣象信息。本研究天氣顯示采用的軟件是LabVIEW，此軟件是美國國家儀器公司推出的一門圖像化編程語言，同時也是著名的虛擬儀器開發平臺［9－10］。作為一門圖形化編程語言，LabVIEW秉承了其簡單易用的一貫作風，使用戶能夠快速編寫出強大的應用程序。本研究的LabVIEW編寫程序圖，如圖3所示。為了方便敘述，本文把風向、風速、溫度、濕度、雨量和氣壓多種氣象數據統稱為氣象信息值。氣象系統天氣前面板顯示圖，如圖4所示。通過該系統對哈爾濱市香坊區東北農業大學校內氣象信息值進行監測，與氣象臺預報數據作為參考進行對比，氣象信息值監測結果如表1所示。表1中實測的時間跨度是實驗當天早6:00至晚18:00。從數據中可以看出，實測日期當天監測到的溫度、濕度、雨量、風速和氣壓與參考值相比，具有良好的線性關系，系統可以準確計算出當天所監測氣象信息的平均值。此收集到的氣象數據只是一天中的部分數據，所以經過系統分析計算出來的數據只能代表所監測時間范圍內的氣象信息，與氣象臺的參考值有偏差。
3結論
1虛擬儀器的特點和構成
1.1虛擬儀器的特點
與傳統儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優點，具體表現為：
智能化程度高，處理能力強虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。
復用性強，系統費用低應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統功能更靈活、更高效、更開放、系統費用更低。通過與計算機網絡連接，還可實現虛擬儀器的分布式共享，更好地發揮儀器的使用價值。
可操作性強，易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數據庫系統或通過網絡發送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。
1.2虛擬儀器的構成
虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開發與設計2個方面考慮。
硬件電路的設計主要根據用戶所面對的任務決定，其中接口設計可選用的接口總線標準包括GPIB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強以及良好的開放性能等優點，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀器生產廠家的認可，目前VXI模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最理想平臺，是儀器硬件的發展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設計一般可以選擇用現有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調理和高速數據采集；信號輸出與控制；數據實時處理。這3部分概括了數字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數據采集模塊和高速實時數據處理模塊就能構成1臺示波器、1臺數字化儀或1臺頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊和實時數據處理模塊就能構成1臺函數發生器、1臺信號源或1臺控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現場總線接口和各類傳感器接口。系統的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。常用的控制方案有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計算機控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數據。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發展通道。將VXI儀器制作成寄存器基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件，是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優點在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進行通信的。這種高速通信可以使測試系統吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開關、多路復用器、數/模轉換輸出卡、模/
數轉換輸入卡、信號調理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用ASCII字符進行通信，與這種器件十分相似是獨立HPIB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協議”相互進行通信，這種異步協議定義了在器件之間傳送命令和數據所需的掛鉤要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數字信號處理部分的模塊。
軟件的開發與設計包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅動軟件和應用軟件（軟面板）。軟件結構如圖1所示。
VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和編程函數庫等。該軟件在編程語言和VXI總線之間建立連接，提供對VXI背板總線的控制和支持，是實現VXI系統集成的基礎。
儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅動軟件，他的設計必須符合VPP的2個規范，即VPP3.1《儀器驅動程序結構和模型》和VPP3.2《儀器驅動程序設計規范》。
“軟面板”設計就是設計具有可變性、多層性、自、人性化的面板，這個面板應不僅同傳統儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關按鈕、報警裝置等功能部件，而且應還具有多個連貫操作面板、在線幫助功能等。
2虛擬儀器在數據采集中的應用
利用虛擬儀器制作數據采集器可以按照硬件設計、軟件設計兩個步驟來完成。
2.1硬件設計
硬件設計要完成以下內容：
1)模/數轉換及數據存儲
設置具有通用性的數據自動采集系統，一般應滿足能對多路信號盡可能同步地進行采集，為了使所采集到的數據不但能夠在數據采集器上進行存儲，而且還能及時地在采集過程中將數據傳送到上位機，選用存儲量比較適中的先進先出存儲器，這樣既能滿足少量數據存儲的需要，又能在需要實時傳送數據時，在A/D轉換的同時進行數據傳送，不丟失任何數據。)VXI總線接口
VXI總線數據采集器通常可以利用兩種VXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通過總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進行設計，具體消息基接口的框圖見圖2。
3)采樣通道控制
為了滿足幾種典型系統通道控制的要求，使通道的數量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預置計數器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設計成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結束采樣，只要截止通道號大于起始通道號就可以了。整個控制在虛擬儀器軟面板上進行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設置計數器的初值以及采樣的通道總數。
4)定時采樣控制
由于不同的自動測試系統對采樣時間間隔的要求不同，以及同一系統在不同的試驗中需要的采樣時間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時間間隔設置在2μs~13.0ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2μs。所有這些選擇設置可以在虛擬儀器軟面板上進行。
5)采樣點數控制
根據不同測試系統的需求，將采樣點數設計成可在一個比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進行。
6)采樣方式控制
總結各種自動測試系統的采樣方式不外乎軟件觸發采樣和硬件觸發采樣。在硬件觸發采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可以是定時進行的或等轉速差進行的。所有這些采樣方式，對于數據采集器來說都可以在軟面板上進行選擇。
2.2軟件設計
軟件是虛擬儀器的關鍵，為使VI系統結構清晰簡潔，一般可采用組件化設計思想，將各部分彼此獨立的軟件單元分別制成
標準的組件，然后按照系統的總體要求組成完整的應用系統，一個標準的組件化的虛擬儀器軟件系統，如圖3所示。
應用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴展其功能的必要工具，以及利用PC機、工作站的強大功能。同時VPP聯盟提出了建立虛擬儀器標準結構庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研制與開發提供了標準。這也進一步使由通用的VXI數據采集模塊、CPU/DSP模塊來構成虛擬儀器成為可能。
基于虛擬儀器的數據采集器的軟件包括系統管理軟件、應用程序、儀器驅動軟件和I/O接口軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發，往往很困難，但現在NI公司提供了所有這四部分軟件，使應用開發比以往容易得多。
下面簡單介紹以NI公司的LabWindows/CVI為開發環境，來進行VXI虛擬儀器的驅動程序開發的方法。
第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊開發者利用LabWindows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設計的一個圖形用戶界面（GUI）。一個LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及許多其他控制項和說明項構成。
第二步：LabWindows/CVI事件驅動編程。應用程序開發環境LabWindows/CVI中設計一個用戶接口，實際上是在用戶計算機屏幕上定義一個面板，他由各種控制項（如命令按鈕、菜單、曲線等）構成。用戶選中這些控制項就可以產生一系列用戶接口事件（events）。例如，當用戶單擊一個命令按鈕，這個按鈕產生一個用戶接口事件，并傳遞給開發者編寫的C語言驅動程序。這是運用了Windows編程的事件驅動機制。LabWindows/CVI中使用不同類型的控制項，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的開發平臺中，對事件驅動進行C程序編程時可采用2種基本的方法：回調函數法和事件循環處理法。
回調函數法是開發者為每一個用戶界面的控制項寫一個獨立的用戶界面的控制函數，當選中某個控制項，就調用相應的函數進行事件處理。在循環處理法中，只處理GUI控制項所產生的COMMIT事件。通過GetUserEvent函數過濾，將所有的COMMIT事件區分開，識別出是由哪個控制項所產生的事件，并執行相應的處理。
第三步：應用函數/VI集與應用程序軟件包編寫。應用函數/VI集需針對具體儀器模塊功能進行編程，應用程序軟件包只是一些功能強大、需要完善的數據處理能力的模塊才需要提供，如波形分析儀模塊、DSP模塊等。
3結語
本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實際的虛擬儀器軟硬件設計的一般方法，這些方法經過實際設計工作運用證明是可靠的，可供系統工程技術人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數據采集、測試時參考使用。
參考文獻
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【關鍵詞】Labview軟件;MATLAB軟件;Visual Basic軟件;JAVA軟件;優缺點
1.引言
傳統示波器是電子工業、科學研究和教學實驗領域中一種必備的儀器，并且都在這些領域中占有重要的地位。在高速發展的現代科技技術下，對傳統測控儀器提出了新的技術要求，主要包括智能化、自動化、多樣化等等[1]。傳統儀器跟其他傳統測控儀器一樣，越來越不能滿足這些新技術的要求，與此同時，新儀器的開發對開發商與用戶都帶來了更大的挑戰。基于上述原因，新型的測控儀器設備的出現是當務之急，虛擬儀器這個概念變得不再陌生。
虛擬儀器的開發基于強大的計算機軟件和硬件，把傳感器技術，自動化控制技術等有效的融合在一起[2]。軟件設計平臺的靈活性，依據用戶不同的特殊需求創建出人機友好操作界面，實現并取代各類特殊、昂貴的測試儀器的功能。
實現用戶友好操作界面的軟件操作平臺有很多，例如，Labview軟件，MATLAB軟件，Visual Basic軟件，JAVA軟件等，本文將對實現虛擬示波器用戶操作界面的開發性軟件進行比較。
2.虛擬儀器的發展
2.1 國外發展狀況
近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發了不少的虛擬儀器開發軟件，方便了開發商利用這些開發軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統，并編制測試軟件，最具影響力的是NI公司的Labview和Labwindows/CVi開發軟件，美國HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺軟件，美國Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS軟件以及HEM Data公司的Snap-Master平臺軟件等都是國際上公認的優秀虛擬儀器開發平臺[3]。從1988年陸續有虛擬儀器產品面市，當時有五家制造商推出30種產品。此后，虛擬儀器產品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達95家共生產1000多種虛擬儀器產品，銷售額達2.93億美元，占整個儀器銷售額73億的40%。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國，生產虛擬儀器的主要廠家有HP公司目前生產100多種型號的虛擬儀器，Tektroflix公司目前生產約80多種型號的虛擬儀器。
2.2 國內發展狀況
國內虛擬儀器的開發和研究起步相對比較晚，清華大學，重慶大學，西安交大以及東方震動和噪聲技術研究等高校和公司對虛擬儀器的產品和設計平臺以及NI產品做了大量的研究工作，所研究和開發的結果在某些方面都得到了很好的應用，比較突出的是重慶大學測試中心所研究的虛擬儀器，目前，部分院校的實驗室也引入了虛擬儀器系統，包括上海復旦大學，上海交通大學，華中科技大學等[4]。于此，又開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研，其中華中科技大學機械學院所開發出的Inventor可重構虛擬實驗臺、深圳藍津信息技術有限公司開發出的DRVI快速可重組虛擬儀器平臺等影響力比較大，中國農業大學的研究人員利用虛擬儀器開發平臺開發了用于精密播種機性能檢測的實驗室自動化系統。山東大學醫學院基于虛擬儀器技術研究了胸雙極立體心電圖及其三維可視。
2.3 未來的發展趨勢
虛擬儀器正在持續且迅速地發展，它即將取代測量技術在傳統領域的各類儀器，使儀器的功能和技術性能方面具有了靈活性和經濟性，因而更適應當代科學技術迅速發展和科學研究所提出的更高更新的測量需求[5]。并且隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器技術也會在向網絡化方向發展，即基于網絡的虛擬儀器。網絡技術和虛擬儀器技術相結合，產生了基于網絡的虛擬儀器，使用的網絡化虛擬儀器，可以在任何地點，任何時間獲取測試的數據，因此圖像化編輯平臺的發展將帶動和完善虛擬儀器的發展。國內專家預測未來的幾年內我國將有50%的儀器為虛擬儀器，國內將有大批企業使用虛擬儀器系統對生產設備的運行狀況進行實時監測。
3.幾種虛擬示波器常用開發環境的特點
3.1 基于Labview的虛擬示波器
Labview是一種基于圖形編程語言的可視化優秀開發平臺，它與傳統編程語言最大的區別是使用圖形語言，以框圖的形式編寫程序[6]。它與VisualC++、visual basic、LabWindows/CVI等編程語言不同，是使用圖形化程序設計語言G，而不是基于文本語言的程序代碼，用方框圖代替了傳統的程序代碼，一個Labview程序主要包括前面板、框圖程序、圖標/接線端口3部分[7]。為用戶提供一個便捷、輕松的設計環境，利用它設計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統或數據采集系統，并可以任意構建儀器面板，而無須進行任何繁瑣的計算機程序代碼的編程，從而可以大大簡化程序的設計。
在設計虛擬示波器時，程序包括數據采集，波形顯示，信號處理，波形存儲和回放幾個模塊。因而硬件部分的主要功能就是采集外部的信號，可以是PCI、USB、DAQ等數據采集裝置，然后是信號調理，目的就是完成信號緩沖、放大、濾波等功能[8]，Labview開發平臺自帶的函數具有強大的信號處理功能，充分發揮Labview的優勢所在。在它的前面板上可以非常直觀地顯示出旋鈕，開關，波形等示波器應有的界面設置，參數設置，可以根據開發者的想法自行定義，具有很強的靈活性[9]，真正的操控系統的是后面板，建立功能模塊，元器件的連接，按鍵功能的實現等等，模塊化的實現使虛擬示波器的功能更加完善。
3.2 基于MATLAB的虛擬示波器
MATLAB是Matrix和Labortaty前三個字母的縮寫，意思是“距陣實驗室”[10]。是一套功能十分強大的計算機輔助和設計教學軟件，MATLAB具有以下的主要功能：數值計算功能，符號計算功能，圖形處理功能及可視化功能，可視化建模及動態仿真功能。
基于MATLAB平臺設計的虛擬示波器可以充分發揮它的數據分析功能，不僅方便了實驗研究，也可以為控制系統的設計與優化提供了有效的途徑[11]。基于MATLAB的虛擬示波器硬件系統主要是完成數據采集系統的設計，主要有MCU、數字I/O、A/D、數據通信接口，以及電源部分組成。而對計算機串口以及數據輸入的控制，由MATLAB軟件的儀器控制工具箱中的函數來完成。通過調用MATLAB的數據采集，畫圖程序來完善虛擬示波器的功能。MATLAB是很好的數據分析處理軟件，而將其與Labview相結合編程可以極大的提高系統的數據采集、分析、故障診斷的能力，具有很強的技術提升空間。
3.3 基于Visual Basic的虛擬示波器
Visual Basic簡稱VB，是Microsoft公司推出的一種Windows應用程序開發工具。在界面設計、文件處理、多媒體應用、數據訪問等方面提供了有力的幫助，具有易懂、易學的優點。對于虛擬示波器開發而言，VB在數據處理和圖形顯示方面不如Labview。在使用VB開發工業測量與控制系統應用軟件時，需要對待測量信號進行實時采集、顯示、以及實時處理等VB并不擅長。對此類應用程序的開發，最為理想的解決方案是將VB的圖形用戶界面開發及其他方面的優勢和LabVIEW在數據采集、顯示與處理方面的優勢結合起來[12]，互相取長補短，從而開發出功能更加強大的測控軟件系統。
MATLAB與VB的結合主要有兩種方式。其一是在VB中引入MATRIXVB，使得VB可以調用MATLAB函數。其二是將在MATLAB中編寫的文件編譯成VB可以調用的DLL文件。通過混合編程，利用VB和MATRIXVB，快速、簡潔地生成虛擬儀器[13]。
3.4 基于JAVA的虛擬示波器
JAVA是由Sun Microsystems公司推出的JAVA程序設計語言和平臺的總稱。面向對象的一次編譯隨處運行的高級語言，提供了強大的網絡支持，用Java實現的HotJava瀏覽器跨平臺、動感的Web、Internet計算的功能。推動了Web的迅速發展，常用的瀏覽器均支持Java applet[14]。基于JAVA開發網絡化的虛擬測控系統具有強大的網絡和跨平臺的優勢。
基于JAVA的網絡化虛擬示波器，利用socket和多線程技術實現，使用雙緩存技術解決了波形顯示時的閃爍問題，由系統啟動用戶界面線程，同時啟動不斷偵聽對客戶連接請求的線程。如果偵聽到客戶的連接請求，就開辟一個新的線程來處理其連接請求。與此同時還要查詢數據是否已經傳送完畢，一旦完成便要通知用戶界面線程更新界面。
除了上述的幾種開發平臺外，還有C++ Bulider，Visual ，VC等都可以是結合多種軟件的虛擬儀器開發平臺，另外國內也有一些虛擬儀器開發系統，如吉林大學自主研發的圖形化虛擬儀器開發平臺LabScene，重慶大學研制的虛擬儀器開發系統VMIDS等等[15]。并在相應領域取得了一定的成果。
4.結束語
在各領域的應用中，虛擬儀器正在取代著傳統儀器，它的優勢也是顯而易見的，它的出現是儀器界的一次革命，具體表現為：智能化程度高，處理能力強;復用性強，系統費用低;可操作性強等等。對于虛擬儀器的設計而言，軟件設計是核心，對于每一種虛擬儀器的開發平臺都有它自己的特色與缺陷，MATLAB是一款數字處理與圖形化處理的強大軟件，在設計虛擬示波器時可以發揮它強大的數據處理功能，對于Visual Basic而言，它的缺陷是存在的，但它是一款作為結合型開發軟件的好處;利用JAVA的開發的虛擬儀器是現在乃至未來的重要開發平臺，它是儀器朝著網絡化的發展，就目前而言，Labview是虛擬示波器開發軟件的首選，它的圖型化編程語言使用戶和開發者都能比較容易理解。在實際應用中，我們不僅僅局限于單種軟件開發工具，可以將它們結合起來使用，取長補短，各抒其長，會使所開發的虛擬儀器得到更全面的設計。再者在實施方案前，對開發平臺進行分析探討、比較，最終選擇適合的虛擬平臺，對之后的工作會帶來更多的便利。
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關鍵詞：輔助教學；儀器分析；虛擬實驗平臺；建設
中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2012）07-0172-02
藥品檢驗是藥學專業的核心課程，儀器分析則是測定藥物的物理常數、鑒定藥物真偽、檢測藥物純度和雜質限量、測定藥物含量及效價的主要方法，具有取樣量少、靈敏度高、自動化程度高、分析速度快、應用范圍廣等特點。隨著技術的發展，儀器分析的基本原理和實驗技術已經成為藥學研究和應用工作中必須掌握的基礎知識和基本技能，藥物研究、生產及檢驗等各種行業機構對高效液相色譜儀、氣相色譜儀、分光光度計、質譜儀等設備的依賴已經到了不可或缺的地步。培養熟練掌握儀器分析技術的專業人才，是藥學教育的主要任務之一。
當前儀器分析教學面臨的主要問題
教學儀器嚴重不足，教學效果有限 實驗教學所用儀器多數為貴重、精密物品，且數量極為有限，如質譜儀、核磁共振波譜儀等大型分析儀器，一般學校只購置1臺。而近年來的擴招使得學生數量成倍增加，教學儀器資源更顯缺乏。教學儀器的不足，使得很多學校的實驗實訓課程變成了觀摩課、試教課，學生得不到足夠時間和強度的實際操作鍛煉，實驗教學效果不理想。
儀器落后，與實際應用脫節 技術的快速發展使得分析儀器更新換代的頻率加快。而在學校的實驗教學中，往往由于經費原因，所使用的儀器得不到及時更新，從而與實際應用脫節。學生在校期間學會的分析儀器操作技能，到了實際工作環境中用不上，仍然要學習新一代儀器的使用，這使得學校實驗教學的意義大打折扣。
教學成本高，學生無法熟練掌握儀器 儀器分析實驗教學需要用到大量的藥品、試劑，教學成本很高，所以往往以小組的形式進行實驗，真正得到動手鍛煉的學生只占少數，而且也只能進行有限次數的操作。在這種情況下，學生只能對儀器有一個基本的認識，而無法熟練地掌握儀器使用技能。在一些高端儀器的實驗教學中，這一問題尤為明顯。
實驗操作層次較低，無法深入了解儀器功能 當前，儀器分析教學安排的都是操作層次較低、步驟簡單的實驗，立足于讓學生了解儀器、知道基本操作過程，而無法做到讓學生深入、全面地掌握儀器的用途。這導致了學生對儀器的認識淺嘗輒止，難以了解除實驗所用以外的儀器的使用方法，也沒有機會碰到使用儀器過程中的各類特殊情況，無法培養學生對各種問題的分析和處理能力。
存在操作安全、環境污染等隱患 儀器分析實驗中部分試劑是危險的化學物品，如果操作不當會發生安全事故，同時，實驗過程中排放的“三廢”也會對環境造成污染。但為了保證教學質量，一定量的實驗實訓課程必不可少，這容易引發安全問題和環境污染問題。
虛擬儀器分析實驗的研究及其應用
虛擬儀器分析實驗指的是利用計算機系統，引入現代信息技術和虛擬現實技術，模擬各種分析儀器，使受訓者可以像在真實環境中一樣運用各種虛擬實驗器械和設備，對建立起來的實驗模型進行實時仿真操作，從而完成各種預定的實驗。
筆者利用中國知網，對中國期刊全文數據庫、中國優秀碩士學位論文全文數據庫、中國博士學位論文全文數據庫進行跨庫檢索，以模糊匹配方式查到2000年以來藥學相關學科內關于“虛擬儀器分析實驗”主題的期刊論文共253篇，學位論文共3篇。其中，2008年以來的論文共97篇，約占38%，表明虛擬儀器分析實驗是近年來的研究熱點。所查論文的主題主要包括了“虛擬儀器分析實驗的概念和應用”、“虛擬儀器分析實驗的優缺點”、“虛擬儀器分析實驗教學系統的設計”等。許多研究人員從不同角度對虛擬儀器分析實驗進行了探討，如楊雪等人研究了虛擬實驗中情感、表現和行為三個層次的設計思路，傅增智、徐靜等對比研究了虛擬實驗和真實實驗，代曉青則探討了虛擬實驗對受訓者操作規范的培養作用。
國內外多所大學，如霍普金斯大學、上海交通大學、大連理工大學等都對虛擬實驗室建設進行了研究，并建設了一些適合于藥學、化學專業的虛擬實驗室。中國藥科大學建立了一套《氣相、液相分析實驗》仿真系統并取得了一定的應用效果。重慶醫藥高等專科學校開發了一套實訓教學系統用于虛擬儀器分析實驗教學。國內外軟件市場上也出現了相關的虛擬實驗室產品，例如Chem SW公司的GC-SOS氣相色譜模擬和優化軟件，大連理工大學的儀器分析虛擬實驗室。筆者通過網絡調查，發現中國藥科大學、重慶醫科高等專科學校、大連理工大學、廣東藥學院等高校已經應用了虛擬儀器分析實驗系統。
輔助教學的虛擬儀器分析實驗平臺建設思路和要點
建設思路 用于輔助教學的虛擬儀器分析實驗平臺的建設，目前主要有以下三種建設思路：第一，引進市場產品。購買成熟的虛擬儀器分析實驗平臺，是最便捷的解決方案，具有流程簡單、部署方便、實現容易、后期維護有保障等優點，缺點在于需要一定的經費支持，尤其是一些國外的虛擬軟件，價格十分昂貴。此外，直接引進的產品還存在不一定能完全滿足當前實驗教學需求、定制相對困難等問題。第二，引進其他高校開發的系統。國內許多高校都開展了虛擬儀器分析實驗教學研究，并出現了不少優秀成果。例如，中國藥科大學開發的儀器分析實驗仿真教學實習系統，可以進行試劑的仿真配置，完成氣相色譜系統和液相色譜系統的仿真操作，自動記錄學生的操作過程，進行仿真實驗考核等功能。引進其他高校開發的系統，優點在于能夠在較大程度上滿足當前實驗教學的需求，同時所需經費也不是很高，缺點是后續的服務可能會不到位、系統無法更新等。第三，自行開發或委托開發。自行開發或委托第三方公司開發虛擬儀器分析實驗教學系統，能完全根據自己的實際實驗教學需求進行功能的規劃和系統的設計，具有較強的靈活性和兼容性，前提是必須擁有具有系統分析能力的工作人員。自行開發可以結合學校信息化教學建設工作及相關科研項目展開，是當前許多學校選擇的建設思路。
建設要點 在虛擬儀器分析實驗平臺的建設中，有許多值得注意的地方。筆者認為，一個先進的虛擬儀器分析實驗平臺必須具備以下三個特點。第一，用戶界面逼真。用戶界面逼真是虛擬儀器分析實驗平臺必須具備的第一個特點。因為虛擬儀器分析實驗平臺是用于仿真實驗的，要達到用戶在虛擬實驗平臺上學習、操作后，在真實儀器上能夠無需再次學習、非常熟練地使用。所以，用戶界面必須逼真，儀器的形狀、顏色，相關提示燈和提示信息的顯示、操作過程和操作結果的模擬，都要和真實儀器相差無幾，才能達到實驗的效果。因此，最新的3D技術、虛擬現實技術必須在實驗平臺中應用。第二，富于交互。儀器分析實驗過程本質上就是人機交互過程。如果虛擬儀器分析實驗平臺不具備較強的交互性，就只能算是一個儀器分析實驗演示軟件，而無法起到實驗的作用。一個先進的虛擬儀器分析實驗平臺，應該是富于交互的，各類按鈕的功能和支持的動作，要和真實儀器一致，同時，各種交互操作應該是簡潔明了的。多點觸控技術應該在實驗平臺中得到應用。第三，充分設定各種應用情景。虛擬實驗的最大好處在于可以模擬任意特殊的情況而不會產生任何危險。因此，應充分設定各種應用情景，讓受訓者在虛擬實驗過程中可以任意操作，認識各種特殊乃至危險的后果，從而讓受訓者更為徹底地掌握儀器的特性和使用方法，加深對儀器的認識和對安全操作的理解。
虛擬儀器分析實驗平臺的教學效果
虛擬儀器分析實驗平臺具有運轉快速、界面簡潔、覆蓋面廣、利用方便等特點，能比較真實地模擬相關實驗的過程，讓學生提前熟悉儀器及掌握儀器的操作，認識實驗項目的操作步驟和要點，有利于學生對真實儀器的操作，節省真實實驗的材料和時間。通過虛擬實驗，可以讓學生多次重復實驗而無時空限制、安全及污染等問題；可以讓學生規避真實實驗的諸多忌諱，甚至違規操作，以進一步掌握儀器的使用辦法；可以通過各種設定好的特殊情況，感受儀器操作過程中可能出現的問題，以全面地鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。
北京中醫藥大學在2006級中藥學、中藥分析、中藥制藥班應用“高效液相色譜法定性和定量分析實驗”虛擬教學后進行教學效果問卷調查得知，有81.2%的學生愿意進行虛擬實驗學習，有84.8%的學生通過虛擬學習清楚地知道了如何操作儀器。2007年底，清華大學在將儀器分析實驗多媒體網絡教學平臺應用于化學系、化工系、環境系及核物理學院等院系的儀器分析實驗教學中，經過連續5個學期的教學數據對比分析，發現接受了虛擬實驗教學的學生個人得分同比超過其他院系的學生，儀器分析實驗教學質量得到了明顯提高。第二軍醫大學應用了虛擬實驗平臺后，82%的學生認為虛擬教學系統的交互性有利于知識傳授，76%的學生認為運用虛擬教學系統有助于提高相關教學內容的教學效果和教學效率，73%的學生認為虛擬教學系統更適合于輔助教學。
當然，虛擬實驗替代不了真實實驗。由于其缺少實物感，操作正確的情況下結果唯一，無法反映現實中操作正確也有可能出現不良后果的情況，虛擬儀器分析實驗主要用于輔助教學，結合真實實驗教學，以取得更好的教學效果。
綜上所述，在藥學教育工作中，虛擬儀器分析實驗平臺具有廣泛的應用前景。科學地運用虛擬實驗手段，拓展教學空間，能有效解決很多用常規方法無法解決的教學問題。建設一個界面逼真、富于交互、充分設定各種應用情景的虛擬儀器分析實驗平臺，用于輔助教學，將有效緩解當前儀器分析教學中面臨的主要問題，可以成為實驗教學的有益補充，豐富和完善儀器分析實驗教學的教學形式，降低教學成本，增強教學效果，從而提高儀器分析實驗教學的質量和水平。
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一、引言
虛擬儀器技術是當前儀器與測量發展的一個重要方向，它為各學科提供了一個通用的測量及儀器設計平臺，因此“虛擬儀器實踐”課程不僅提供了虛擬儀器技術理論與實踐結合的環節，也是學生綜合應用所學各門學科知識的一個很好的實踐機會。對于工科學生來說，加強對他們的實踐能力的培養尤為重要。
“虛擬儀器實踐”課之前的教學內容是讓學生完成“虛擬儀器實驗箱”配套的實驗指導書上的5個實驗，實驗指導書詳細介紹了實驗步驟，學生按照實驗指導書的內容完成即可。但是每次課程結束，學生仍然不懂虛擬儀器的基本知識，更不用說獨立完成一個虛擬儀器的設計與實現，遠遠達不到開設這門課的目的以及培養學生創新實踐能力的目標，因此對這門課的教學改革勢在必行。
通過分析“虛擬儀器實踐”課程的課程目的以及學生的實際情況，我們在課程中借鑒了以課題研究為導向的教學方法，對課程內容、授課模式和考核方式等幾方面進行了改革，經過2年的教學實踐，均取得了較好的教學效果和學生反饋。
二、課題研究為導向的教學法
課題研究為導向的教學法，是指在教學中引入課題研究任務，引導學生帶著一定的目的性主動學習，這可以提高學生學習的積極性，并提高獨立科研的能力。從課程伊始布置課題任務，期末提交課程設計報告，課題研究任務貫穿整個課程教學過程。
以課題研究為導向的教學過程，學生可以根據興趣自主選題，所以學習的興趣和動力較大，不僅會自己去研究“怎么做”，還會研究“怎么做得更好”，因此是學生在教師的指導下變被動學習為主動學習的過程。
課題研究為導向的教學法，實際上是以建構主義教育理念為指導的“做中學”，要求學生通過“動手做”獲得直接經驗，并運用已掌握的知識去分析和解決實踐中的問題，對獲得的數據進行整理、分析等處理，最終得出結論。因此，學生得到的知識是鮮活的知識，并且易于內化為認知結構。
做中學的教學思想被認為是最有效的教學策略之一。正如美國“2061計劃”中指出，最有效的向各類學生教授科學的策略應是支持學生對他們自己動手的和與他們的生活和文化相關的活動形成他們自己的理解[7]。
對于如何開展做中學，國內外教育界做了很多有效的嘗試和探索，丹麥的奧爾大學創立的課題（項目）組織教學（project organized）模式便是一個成功范例。這一模式包括選擇課題、師生協同研究、撰寫研究報告、課題評價四個階段，真正做到了按課題（項目）組織教學，以課題研究貫穿于教學的全過程。
三、課題研究為導向的教學實踐
在“虛擬儀器實踐”課程教學過程中實施以課題研究為導向的教學法，不僅僅是幫助學生更好地掌握虛擬儀器技術的知識，包括虛擬儀器系統的構成、虛擬儀器的編程環境和編程方法、虛擬儀器的編程技巧以及優化策略，也重在培養各種能力，包括發現和運用學習資源的能力，合作學習的能力，口頭表達能力和書面表達能力，運用在大學學到的知識和發展的智力等。
改革以后的課程內容、授課模式和考核方式都圍繞以上目標進行，課程內容不再是幾個固定的實驗，而是學生自主完成一個課題的設計并實現；授課模式也主要是“以學生為中心”的研究型課堂模式，教師主要工作是答疑和點評；課程考核是根據課題完成情況和課程設計報告的情況綜合評分。具體步驟如下。
（一）確定課題
主要是給學生們布置課題任務，同時介紹考核的標準、查找文獻的方法、課程設計報告的格式要求，并提供示范的優秀作品。
課題的確定是實施項目教學法的關鍵環節。選題既要新穎有趣，能夠激發學生的興趣，又要有一定綜合性和難度，能夠讓學生對所學知識進行綜合、學會理論聯系實際、學會解決處理實際問題，從中培養學生的綜合能力。
為了激發學生的學習熱情和創新意識，鼓勵學生根據自己的興趣愛好以及查找資料的結果自主選題，再由教師審批確定。
（二）知識梳理
任何一個領域的知識都是有結構的。把知識放到一個大的架構下學習，有助于掌握和理解，有益于記憶和應用，可以有效提高學習效率。學生在小學期生產實習時已經學過了LabVIEW的基本知識，但是比較零碎，沒有構建起虛擬儀器技術的整體知識脈絡，因此，在學生開始他們的課題研究之前，我們用2個課時給學生做了必要的知識梳理，把虛擬儀器技術的基本知識點貫穿起來，也解決了學時少的情況下盡可能提高課題研究質量的問題。
（三）課題研究
學生可以選擇獨立完成或者2人一組完成課程設計。學生利用網絡、參考書籍查找相關資料，實現課題的預期效果。在教師的建議和指導下，學生尋找符合項目性能指標要求的傳感器和元器件，完成硬件電路的搭建。硬件電路完成后，進入軟件框圖程序設計。最終進行軟硬件系統調試，完成設計要求。也允許有一定難度和實用價值的純軟件的課題。
（四）課題評價
每組同學用PPT和課題成果演示相結合的方式展示課題的研究成果以及獲得的知識和技能，老師進行點評，主要從綜合性、界面友好性、程序規范性、創新性四個方面進行評價和考核，鼓勵學生的創新意識和有難度的課題。
（五）撰寫報告
之前絕大多數學生都沒有做過小論文，我們參考畢設論文的格式向學生提出了課程設計報告的要求（即應包括摘要、關鍵詞、全文、心得總結及參考文獻，且參考文獻應在文中標注等），并給出示例范文。這不僅使學生得到了初步的科學研究訓練，也為即將到來的畢業設計做了很好的過渡。
四、教學實踐的實施效果
我們從2014年開始對電子信息工程專業兩屆共108名學生進行了以課題研究為導向的“虛擬儀器實踐”課的教學改革探索。學生用9周時間，利用美國NI公司LabVIEW虛擬儀器軟件、數據采集卡及其他傳感器和元器件分別完成了自動溫度監測儀、多媒體小助手、基于LabVIEW的遠程實驗、實時變聲器、基于LabVIEW的多媒體通訊系統、十字路通燈控制系統、直流電機轉速控制儀設計等多個課題的設計。學生們還自擬了全國大學生體質健康測試計算器、學生宿舍簡易監控系統等反映學生日常生活需要的題目，學生們做得興趣盎然，相關作品參加校內外的虛擬儀器競賽也獲得了較好的成績。
通過本課程，學生不但完成了虛擬儀器技術相關知識的學習和綜合應用，還加深了對傳感器技術、測控技術、計算機原理與接口技術、信號與系統、計算機網絡技術等理論知識的理解。課堂氣氛活躍，學生分析能力、組織協調能力和動手能力顯著提高，基本達到了預期教學目標。
為了提高學生的課程論文質量，我們要求每個課題都小題大做。從課題調研、提交方案、課題完成，到最后的論文提交，完成了一個系統的學術訓練過程。在最近的這期教學實踐中，我們強化了方案環節，要求學生在前期要提交一份研究方案的報告，因此這期提交的論文質量整體上比上期有較大的提高。學生在完成論文后普遍有一種成就感。
五、教學實踐中的教學體會及應注意的問題
以課題研究為導向的“虛擬儀器實踐”課的教學改革探索取得了比較好的教學效果，但是還是有些需要注意改進的問題。
（一）項目設計要合理
學生的層次和素質有較大的差別，為了滿足每個學生的不同需求，使他們有不同程度的收獲，項目設計必須有層次。同時，給學生布置任務時一定要提出明確的要求和目標。
另外，根據學生的反饋，多數學生希望在選題時能夠得到更多老師的引導和支持。我們的學生經過多年應試教育的培養，創新意識比較缺乏，希望老師有現成的題目給他們。改變這種狀況還需要長期的培養和引導。
（二）把握好教師的地位
以課題研究為導向的教學中，學生為主體，教師設計課題任務、提供指導和建議并且做好督促和檢查。
由于已經是大四階段，很多同學在外實習，加上考研的比例很大，所以不少學生直到期末交稿的截止期限前才真正開始做，這就很難保證課題研究的質量。因此教師要經常性的檢查，以增加他們的時間緊迫感，確保課題和論文完成的質量。
【關鍵詞】虛擬儀器 實驗教學 創新能力
計算機技術與儀器的結合是當今儀器發展的一個重要方向，這種結合有兩種方式，一種方式是將計算機裝入儀器中，這就是所謂的智能化儀器，隨著計算機功能的日益強大和體積的日趨縮小，這類儀器的功能越來越強大，有著廣泛的應用前景。另一種方式是將儀器裝入計算機中，充分利用計算機的軟硬件資源和操作系統實現各種儀器功能，這就是所謂的虛擬儀器。
一、虛擬儀器技術在實驗教學中的應用優勢
虛擬實驗室具有易于構建，易于實現試驗硬件及測試數據共享，便于異地在線檢測和遠程測控等特點，這些特點使得虛擬儀器在學校實驗室中可以發揮重要作用。運用虛擬儀器技術，可以應用現有設備搭建功能強大的實驗系統，從而節省大量的購置設備費用，可以提高儀器界面的人機交互能力和可視化程度，給實驗者提供更好用的儀器。與傳統實驗室相比，虛擬實驗室具有獨特的優點：1.能充分利用計算機現有資源；2.容易實現技術更新；3.自動化、智能化程度高；4.功能齊全、靈活、方便。這些優點在實踐教學中產生了不可忽視的作用，能夠彌補傳統實驗室的不足。虛擬儀器最簡單的應用就是代替常規的儀器，如函數發生器、示波器等，對實現信號產生及波形記錄，可以取得較好的效果。用計算機虛擬出的函數發生器，其波形、頻率、幅值等都可用鍵盤或鼠標進行設置，完全能代替常規的儀器使用。學生可以利用這種虛擬儀器及時進行數據處理，觀察和分析實驗結果。虛擬儀器的設計和使用，大大提高了學生的實驗興趣、實驗效果和效率，鞏固了他們對該課程和理論知識的掌握。
二、改變實驗教學模式，培養創新人才
有關“測試自動化”方面的傳統實驗大多數以驗證性為主，實驗內容單一，學生無需思考，按部就班地按照實驗步驟就可以做完實驗，缺乏設計性和創新能力的培養。引入虛擬儀器系統，就可靈活地增加各種設計性實驗內容， 使學生根據實驗要求，自行設計各種軟面板，定義儀器的功能，以各種形式表達輸出檢測結果，實時進行分析。因此，虛擬儀器設計不僅能鍛煉學生的獨立構思和設計能力，而且能激發學習的興趣。
三、提高實驗室水平，滿足實驗教學的新要求
虛擬儀器技術包括：信號調理技術、數據采集技術、數據處理技術、數據輸出和傳輸技術等，也就是說，虛擬儀器技術使過去互不相干、獨立分散的許多技術領域，相互影響，相互融合，并形成新的技術方法和規范。這就要求從事實驗教學的教師具有綜合實驗能力和雄厚的理論基礎，能夠緊跟現代科學技術的發展步伐，能夠不斷更新和調整實驗方法和手段，使實驗室的實驗教學設備保持其先進性。虛擬儀器的引入對人力資源的建設提出了更高的要求，而唯有人力資源得到有效的開發，才能使虛擬儀器發揮出應有的作用。
四、可以顯著降低試驗成本和提高實驗效率
傳統臺式儀器價格相對較貴，若購進一套新型的完整的測試設備少則幾萬元，多則幾十萬元，另外，還具有占用空間大、更換不方便的缺點。而虛擬儀器很大程度節約了經費，提高了試驗效率。虛擬儀器已在學生的畢業論文實驗中開始推廣使用，這種訓練不僅加強了學生對虛擬儀器的工作原理、使用方法及功能的認識，而且開闊了學生的思路和眼界，提高了處理問題和解決問題的能力。因此，開發和利用虛擬儀器系統是改革實驗教學的一個新的發展方向，必將在我校實驗領域開辟新的天地。
建設現代化的教學、科研實驗室是一項具有挑戰性的工作。虛擬儀器的產生和發展推動了試驗方式的改革，將虛擬儀器引入實驗室教學，不僅可更新實驗設備，降低實驗儀器費用，還可減少實驗測量中的人為誤差，提高實際測量的準確度，實驗效率較高。此外，在激發學生自主學習的積極性，增加單位時間的實驗內容，促進學生動手能力的提高和創新意識的培養等方面也收到了良好的效果。
五、結束語
虛擬儀器克服了傳統儀器自成系統，功能單一，體積龐大，儀器繁多，操作次數過多出現滑絲、指示不準等機械故障所導致的測量誤差。不僅虛擬儀器工作平臺的PC機可以一機多用，就是實驗室也可以一室多用，節省了大量的設備購置費，可緩解實驗室空間不足，又使現有的計算機資源得到充分利用。
將虛擬儀器技術引入實驗教學，不僅可更新實驗設備，降低實驗儀器費用，還可減少實驗測量中的人為誤差，提高實際測量的準確度，實驗效率較高。此外，在激發學生自主學習的積極性，增加單位時間的實驗內容，促進學生動手能力和創新意識等方面也收到了良好的效果。參考文獻：
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關鍵詞：LabVIEW SQL；Server2008；LabSQL心電數據庫
中圖分類號：R318 文獻標識碼：A
1引言
傳統的心電圖診斷系統主要由三大功能模塊組成：心電信號的記錄、分析和診斷結果表述。在以往的臨床經驗中，這三大功能通常由手工完成，并完全依靠醫生的臨床經驗[1]。隨著虛擬儀器技術的發展，人們可以通過虛擬儀器來實現心電圖的信號處理、結果表達，從而解決傳統心電圖診斷方法中數據處理、表達、傳輸、存儲等方面的問題。LabVIEW作為虛擬儀器技術常用的應用開發軟件，能夠充分利用計算機的軟硬件資源，具有編程簡單、結果直觀等特點，與數據采集卡結合可以建立良好的數據采集系統[2，3]。隨著心電采集技術的發展，很多對采集系統的拓展工作已經可以實現心電數據的處理和應用，包括診斷系統的開發以及通過與網絡技術結合實現遠程心電監護等方面[4-6]。但是，這些拓展應用中，主要側重于心電數據的采集、處理、網絡傳輸等，較少關注心電數據的存儲技術與管理。
數據的存儲與管理、維護是信號采集系統的重要組成部分，數據庫技術與LabVIEW虛擬儀器的結合，一方面可以利用數據庫強大的數據管理能力，另一方面可以發揮LabVIEW在信號采集上的優勢，從而實現大規模心電數據的有效管理和維護。目前，四大權威心電數據庫[7]均為歐美國家建立，國內在基于大規模人群的心血管流行病學調查分析方面同樣開展了相關研究工作，致力于構建國人自己的心電數據庫[8-10]。大規模心電數據庫的建立離不開工程實現技術，在虛擬儀器技術與心電信號采集系統結合的趨勢下，基于虛擬儀器技術平臺設計心電數據庫在工程實踐上有很重要的意義。
本文介紹基于LabVIEW心電信號采集平臺的心電數據庫設計。在LabVIEW環境下，搭建了基于LabSQL與SQL Server的心電數據庫系統，一方面利用LabSQL建立LabVIEW和SQL Server數據庫管理系統之間的連接，實現LabVIEW與SQL Server之間的心電數據傳輸，方便心電數據的存儲，另一方面設計了心電數據庫基礎表及數據表間關系，為心電數據的管理提供了便利。該系統已成功用在基于LabVIEW的心電數據采集系統研發中。基于LabSQL和SQL Server的數據庫設計方法具有通用性，可方便地推廣到與LabVIEW結合的數據采集和管理系統中，具有良好的工程應用價值。
2基于LabSQL的數據庫連接
2.1基于LabVIEW的心電采集系統簡介
速度快、性價比高等優點[13]。SQL Server在電子商務、數據倉庫和數據庫解決方案等應用中起著重要的作用，能針對數據庫中的數據提供有效的管理，并有效地保證數據的完整性和安全性。
3.1數據庫設計
臨床實踐中，心電圖可以作為診斷心臟類疾病檢測的主要手段。心臟類疾病的發生與病人的年齡、性別、個人史、其他疾病等有關[10]。因此，病人的基本情況是心電數據庫中重要的一部分。作為基于LabVIEW心電采集系統的一部分，心電數據庫主要數據表的設計需要滿足采集系統需求。同時，數據表的設計還需要參考標準心電數據庫PTB（PhysikalischTechnische Bundesanstalt）中病歷的臨床摘要。PTB數據庫是心電研究中常用的標準心電數據庫，具有十分重要的參考價值。
基于上述分析，心電數據庫可以劃分為三個表。
1）病人基本信息表（Patient）
病人基本信息表如表1，主要用于記錄病人的各項基本信息。其主要數據結構和數據項如下：病人的病歷號、性別、年齡、檢查原因等，其中病人病歷號碼具有唯一標識性，被選作該表的主鍵。主鍵是指在數據表中能唯一標識表中每個數據行的一列或者多列。一個數據表只能有一個主鍵，并且主鍵列不允許取空值。SQL Server 會自動為主鍵創建索引。在使用主鍵時，該索引可以加快訪問速度并有助于實現數據的唯一性。
4結束語
在LabVIEW環境下，利用LabSQL工具包的相關子VI模塊，實現了與SQL Server 數據庫的連接，并將數據存儲在專門設計的心電數據庫中，搭建了完整的心電數據采集和管理系統。該系統包含病人的基本信息和心電數據記錄，有效地實現了大規模心電數據輸入和管理的自動化。該心電采集系統及心電數據庫的建立，為心電數據的臨床分析和集中研究提供便利。
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關鍵詞:機械參數;測試系統;虛擬儀器
中圖分類號:TH122文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01029302
1 機械工程測試系統概述
機械工程測試系統的基本任務是從測試對象獲取反映其變化規律的動態信息,一個功能完善的機械工程測試系統由傳感器、信號轉換裝置、信號分析處理裝置和顯示與記錄等功能模塊組成,無疑,討論和設計機械工程測試系統及其構成要素,是十分有意義的。
測試系統的第一個環節是信號的傳感,即是將被測量的量或被觀察的量通過一個被測量傳感器或敏感元件轉換成一個電的、液壓的、氣動的或其他形式的物理量,被測的或被觀察的量與被轉換的輸出量之間根據可利用的物理定律應該具有一種明確的關系。傳感器就是用來完成這種轉換的裝置。
第二個環節為信號的轉換和調理。被測物理量經傳感環節被轉換為電阻、電容、電感或者電壓、電流、電荷等電參量的變化,由于在測試過程中不可避免地遭受各種內、外干擾因素的影響,且為了用被測信號驅動顯示、記錄和控制等儀器或進一步將信號輸入計算機進行數據處理。因此經傳感后的信號尚需進過調理、放大、濾波、運算分析等一系列加工處理,以抑制干擾噪聲、提高信噪比,便于進一步傳輸和后續環節中的處理。
第三個環節是是對這些信號進行分析處理以及顯示記錄,包括信號的時域分析、頻域分析、相關分析等。原始波形顯示、處理后波形顯示等。從而還可以分析出機械運轉的工況等。
2 虛擬儀器技術在機械工程測試系統中的應用現狀
科學技術的日益發展,對現在的機械工程測試系統影響很大,特別是相對于傳統的測試系統來講。以前要用特定的儀器對信號進行分析,但是利用虛擬儀器組建的機械工程測試系統卻不用專用的儀器,而是利用計算機作為連接虛擬儀器軟硬件的平臺,信號源通過調理后數據采集卡就可以獲取數據進行分析處理。現代計算機技術對機械工程測試技術和儀器的發展產生了革命性的影響。
測試系統的發展經歷了模擬測試儀器、計算機測試系統及虛擬儀器三個階段。現代機械工程測試技術以計算機為中心,計算機的發展必然促進測試技術和儀器的發展。在此背景下,虛擬儀器的產生也就水到渠成。
在虛擬儀器中,軟件是虛擬仗器系統的關鍵,目前國內外這種軟件主要有美國DSP公司的DADISP軟件,以實驗后數據處理分析和表示見長美國NI公司的系列虛擬儀器開發平臺(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美國QUATECH公司的DASLab軟件包和惠普公司的VEE軟件平臺都是可以搭建虛擬測試系統的軟件平臺,以圖形化編程和界面靈活見長。
由于PC的功能變得越來越強大,速度快,價格低,在標準PC上連接一個或多個儀器模塊構成測試儀器成為一種趨勢。這種儀器即為虛擬儀器。
虛擬儀器的軟件開發平臺LabVIEW中,“所見即所得”的可視化技術是應用于測試領域的雛形。虛擬儀器注重測試人員在進行工作中的感覺。用仿真的面板給人以真實儀器的感覺,用豐富的曲線圖像向測試人員傳遞信息,是虛擬現實技術在機械工程測試領域中的廣泛應用趨勢。
在機械工程測試系統中,應用虛擬儀器編的越來越普遍,因為很多傳統的硬件設備在虛擬儀器中都可以用軟件代替,從而降低了大量的設備浪費,降低了成本,并且還可以直觀化的顯示其結果,將多種的傳統儀器合并到一套虛擬儀器測試系統中,有利于編程,也有利于增強測試系統的準確度。
3 機械工程測試系統開發環境
3.1 應變測試系統
虛擬應變測試硬件系統組成如下:
虛擬式應變測試儀由硬件和軟件兩大部分組成,這里采用PCDAQ體系結構組建虛擬儀器。其原因是因為PCDAQ系統是以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器系統,它充分利用了主流和普及的PC機總線、機箱、電源以及豐富的軟件,以極少的硬件就能形成功能完備的應變測試系統平臺,這種方案的性價比最佳。
下圖是一個模擬信號的數據采集過程示意圖,從這個圖中可以看到模擬的信號通過設定的通道以后,再經過多路開關,經過刀D轉換等將模擬信號變為數字信號,這些信號到達計算機中,計算機中的已經編好的LabVIEW程序對其信號進行分析處理。
對信號進行采集時,采樣頻率、采樣通道以及采樣點數是需要用戶設定的參數,用戶通過前面板的參數選擇項根據實際需要進行設置,這些范圍和數據采集卡的精度有關。本文設計的應變測試這一塊,對與滿足數據采集卡精度要求的應變信號,都可以通過數據采集卡,并對其進行相關設定的分析。
3.2 位移測試系統
位移檢測技術在工業生產中有著廣泛的應用。位移檢測是機械量檢測的基礎,將機械量轉化成位移量來檢測是機電一體化技術的重要組成部分之一。對位移的檢測不僅為提高產品質量和生產安全提供了重要數據,同時也為其他參數的檢測提供了基礎。
實現位移測量的關鍵是信號的轉換即傳感器的選用。本文對位移的測量通過電渦流位移傳感器CWYDO504將位移信號轉化為電壓信號進行測量;通過傳感器把非電量轉化成相應的電壓信號,再經過信號調理電路進行測量。在測量過程中,為了保證測試系統的可靠性與測試精度,在測試系統的設計過程中必須注意傳感器地選擇、信號調理模塊的選擇以及系統抗干擾設計。
在進行位移測量時,本檢測系統可以將位移量轉換成電壓信號供數據采集卡。在執行機構帶動位移傳感器運動時可以進行電壓信號的采集,最后通過標定將電壓信號轉換成相應的位移信號,實現位移的測量。位移信號經過調理后,傳輸到數據采集卡中,數據采集卡選用NI公司生產的PXL-6251多功能數據采集卡。
3.3 壓力測試系統
本測試系統是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試,以此液壓實驗臺做壓力信號源,隨著液壓系統向高壓、大功率、高精度方向發展,液壓系統的結構變得越來越復雜,故障率也隨之增加,安全問題日益突出,因此,在液壓系統工作過程中,需要確切的了解液壓系統內部的壓力和流量等,這對于防止系統出現意外故障和有效提高系統工作效率具有十分重要的意義。所以本系統選取液壓試驗平臺的液壓管道壓力為被測對象。
數據采集是LabVIEW的核心技術之一,也是LabVIEW與其他編程語言相比較的優勢所在。使用LabVIEW的DAQ技術,模擬信號數據采集是LabVIEW的DAQ中的一個主要功能,為用戶提供了功能強大、方便快捷的模擬信號采集解決方案。
壓力信號經過調理后,傳輸到數據采集卡中,數據采集卡選用NI公司生產的PXI-6251多功能數據采集卡,其主要功能參數如下:
(1)16路模擬輸入通道,16位精度,1.25MS/S采樣率;
(2)2路模擬輸出,16位精度,2.8Ms/s輸出速度;
(3)24路數字I/O,2路定時計數器。
3.4 流量測試系統
本測試系統是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試,以此液壓實驗臺做流量信號源,以液壓實驗臺的對于液壓系統來說,最重要的兩個參數就是流量和壓力,兩個參數要求精度高,穩定性好,易于調節。在多功能液壓測試試驗臺中,流量調節控制涉及到電機、變量泵、流量調節閥、排量反饋傳感器、電控模塊、流量傳感器、計算機、管路等多個環節,影響流量的有負載、壓力、溫度、泄漏等因素。在液壓測試中,要得到準確的流量參數、必須對流量調節各環節進行分析計算,確定各環節對流量的影響。并采取措施改善流量調節的精確性和穩定性。以提高流量控制精度。
根據本液壓系統實驗臺,流量傳感器要求流量變化范圍:0.6-6m3/h,精度要求:1級。
通過信號調理后的信號可以與數據采集卡設備相連,通常情況下數據采集設備是一個數據采集卡,與計算機的連接可以采用多種方式。NI的數據采集設備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火線等各種總線。本文選用PXI總線的PXL-6251多功能數據采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx軟件,選擇物理通道和任務輸入通道進行流量信號采集。
3.5 溫度測試系統
溫度是機械工業生產和科學研究實驗中的一個非常重要的參數,許多系統的工作都是在一定的溫度范圍內進行的,需要測量溫度和控制溫度的場合及其廣泛。目前的溫度測量控制系統常采用單片機控制,該技術應用十分廣泛,但其編程復雜,控制不穩定,系統的精度不高。而利用虛擬儀器開發和設計的溫度測量系統,采用普通PC機為主機,利用圖形化可視軟件LabVIEW為軟件開發平臺,來監測溫度的變化情況,采集數據并進行處理、存儲、顯示等。設備成本低,使用方便靈活。
模塊化設計數據采集,數據采集模塊的設計對后續的數據顯示和分析結果以及整個系統功能的實現,具有直接影響,本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驅動程序設計這一模塊,充分利用集成的功能全面的DAQ函數庫和子VI,設計可以實現對數據采集的控制,包括觸發控制、通道控制等的數據采集模塊。
4 機械測試系統總體設計思路
在對傳統的機械工程測試系統測試過程及傳統的測試儀器和現有的虛擬測試系統進行對比研究后,本文的系統總體的結構為:
(1)本文設計開發的機械工程測試系統采用模塊化結構,可以在一個測試系統中同時組建應變、位移、壓力、流量和溫度測試系統。并且每個測試系統用模塊化進行設計前后面板,方便程序設計和用戶操作與控制。
(2)采用數據庫對數據進行存儲、管理和查詢。基于需要對測試數據進行存儲、調用、管理和查詢,并且處理的數據量大,本文設計通過數據庫來存儲、管理和查詢數據。建立一個Access數據源,通過ADO數據庫訪問技術,充分利用ADO的靈活性,通過編程模型實現對數據庫的操作,執行用戶命令,實現對數據的管理。利用ADO技術的LabVIEW數據庫訪問包-LabSQL,用戶可以直接在LabVIEW中以調用子VI的方式實現對數據庫的訪問。
(3)每個測試儀在進行設計時,選用的模型是“菜單選擇結構”。在后面板中利用“case”結構完成在前面板中不同的按鈕選擇,選擇好一個測試以后,這個測試儀就可獨立的工作。在完成相關的需要的工作后可以選擇退出,也可以選擇進入到另一個測試儀。利用菜單編輯器對程序進行編輯,要改變程序的操作項直接從菜單編輯器中修改,為程序作總體設計。
(4)前后面板的人性化設計。程序設計包括前面板和程序框圖兩部分,系統前面板由參數設置和五個測試系統構成。當用戶在前面板操作相應的功能時,后面板的程序框圖有與之協調的字VI運行,這樣可以保證運行操作的同步性和準確性。同時在前臺對話框有供測試人員填寫參數或者選擇功能界面。為了便于后續人員按自己的要求進行小范圍修改,后面板程序框圖也以直觀簡潔的方式進行設計。
5 結論
本文以虛擬儀器LabVIEW為開發平臺,按照機械工程測試系統的要求,充分利用已有的標準化系統資源,開發了便于更新、機動靈活、成本低廉、中文界面的機械工程測試系統,提高了測試的綜合應用效率。
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關鍵詞：虛擬仿真實驗 大學物理 實驗教學
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0068-02
1 簡介
《大學物理實驗》課程是高等理工科院校對大學生進行科學實驗基本訓練的必修通識課程，是學生進行物理課程學習以及專業課程學習的基礎。它具有多樣化的實驗方法和手段以及綜合性很強的基本實驗技能訓練，對于培養學生嚴謹的科學思維、創新能力和理論聯系實際能力，引導學生確立正確的科學思想和科學方法，提高學生科學素質以適應科技發展與社會進步等方面有著十分重要的意義。
高校擴招及社會對高校實驗教學提出更高要求，使得各高校實驗教學方面的缺陷凸顯，學校面臨實驗設備的質量和數量不足，無法為廣泛的實驗教學提供有效的支持，學生實驗能力培養欠缺等嚴峻形勢。2001年，教育部提出了積極開展網絡實驗室建設的建議，鼓勵各大高等院校搭建網絡實驗室，實現資源的共享與互補。
基于虛擬儀器的仿真實驗系統及網絡實驗室是利用虛擬儀器技術和互聯網技術的實驗平臺，整個實驗系統由客戶端、實驗管理服務器、互聯網、實驗單元和實驗儀器單等部分組成，具有良好的資源共享性、互動操作性、擴展性和安全性，允許多用戶、多實驗同時進行，可以讓學生在任何時候、從任何地點訪問實驗室，從而大大提高實驗教學的伸縮性和適應性。
虛擬仿真實驗系統在實驗方式上可以彌補普通教學中的實驗教學環節不足或輔助實驗教學；在教學模式上可綜合利用計算機技術，完成傳統教學中無法實現的實驗條件和實驗內容，突破傳統的實驗教學模式，提高實驗教學質量，因而在各高校的實驗教學中得到了長足的發展，在《大學物理實驗》課程教學中也得到了廣泛的應用。
在對大學物理虛擬仿真實驗的使用過程中，我們發現了一些虛擬仿真實驗值得改進和加強的地方，在此提出，以供商榷，期望虛擬仿真實驗能日臻完美，更貼近《大學物理實驗》課程教學的要求，在課程教學及創新人才培養方面發揮更大作用。
2 大學物理實驗教學對虛擬仿真實驗的更多期待
2.1 虛擬儀器更趨真實
虛擬仿真實驗及網絡實驗室的基礎是虛擬儀器。虛擬儀器是在美國國家儀器公司1986年提出的“軟件就是儀器”這一口號的基礎上發展起來的，其概念是用戶在通用計算機平臺及必要的數據采集硬件的支持下，根據測試任務的需要，通過軟件設計來實現和擴展傳統儀器的功能。與廠家設計并定義好功能的、有固定的輸入輸出接口和操作面板的、只能實現一類特定測量功能的傳統儀器不同，虛擬儀器的用戶可以根據自己的需求設計儀器系統，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現“軟件就是儀器”這一概念。
虛擬儀器應用于物理實驗教學將有助于改革傳統的實驗教學，充分利用網絡資源開展網上實驗，并可開出符合課程內容的許多新實驗，改變實驗技術跟不上新技術的局面，使學生的創新能力及掌握新技術、新知識的能力得以提高。但目前虛擬實驗儀器模型的種類比較缺乏，無論就外觀還是功能而言，其真實性與實驗室的具體實驗器材相比都還存在欠缺之處，這會導致學習者在現實環境下進行實驗操作時產生疑問，無所適從，不利于知識的遷移。比如光學中的邁克耳遜干涉儀實驗，不同廠家生產的儀器在外觀、調節部件及功能等方面有較大的差別，如果學生在虛擬實驗中接觸的儀器與實際操作所使用的儀器相去甚遠的話，學生的困惑是可想而知的。因此，完善虛擬元件模型，豐富虛擬器材品種，增強虛擬儀器的仿真效果，是一般認知過程的需要，它既可加深學生對儀器本身設計原理的理解，也有助于學生發現實驗設備設計的優勢和缺陷，激勵學生探索性思維。
2.2 包含更豐富的實驗原理
《大學物理實驗》課程教學的主要任務是培養與提高學生科學實驗基本素質，確立正確的科學思想和科學方法；培養與提高學生創新思維、創新意識、創新能力；培養與提高學生的科學素養。課程教學的基本要求是學生具有理論聯系實際和實事求是的科學作風，嚴肅認真的工作態度，主動研究的探索精神，遵守紀律，團結協作和愛護公共財產的優良品德。要完成上述教學的主要任務和基本要求，教學過程的一個基本出發點就是學生要對實驗原理有一個比較正確、全面和清晰的認識理解。
目前，主流的仿真虛擬軟件在知識導航的設計上基本上延續了傳統多媒體課件的導航模式，通過使用圖片、動畫、語音等多媒體元素，以線性結構展示整個實驗的過程。這種模式不僅使學生比較難于在短時間內掌握實驗的整體框架和關鍵操作要領，而且忽略了實驗原理對實驗的主導及指導作用，不利于學生對實驗原理的認知和理解。虛擬仿真實驗如果能充分利用易于被學生接受的視覺及聽覺技術來展示實驗原理，并在整個實驗過程中貫穿實驗原理這一條主線，讓學生認識到全部的實驗都是基于實驗原理進行的，都是在實驗原理的框架下完成的，學生對實驗原理的認識和理解無疑會更上一層樓，對科學思想和科學方法方面的領悟會更深入，對理論聯系實際能力的培養也會更有效。
2.3 能夠再現復雜具體的實驗環境
實驗是人類認識萬千世界的重要方法。實驗研究和理論研究作為兩種相輔相成的科學研究方法，是推動社會進步和科技發展的重要力量。實驗教學以其直觀性、實踐性、創造性等優點，在培養學生學習基礎知識、提高動手能力、掌握科學研究方法等方面發揮著重要作用。虛擬實驗將計算機技術、軟件技術以及網絡技術和傳統實驗儀器結合起來，改變了實驗系統的構建模式，可提升實驗儀器的整體性能，突破實驗操作的時空限制，是傳統實驗的變革。
虛擬實驗的最終目的是為了認識現實世界，也就是說，虛擬實驗最終是要回到復雜具體的真實實驗環境中的。我們從虛擬世界獲得的知識，其在現實世界中的有用，或者說有效程度，取決于虛擬對現實的模擬程度。目前的虛擬大學物理實驗基本上都是理想化的：儀器是標準的，方法是正確的，環境是理想的，結果是完美的，一切都是無誤差的，因為都是由設計好的程序來實現的。但真實的實驗環境卻是復雜而具體的：實驗儀器需要組裝、調試和校準，同一套實驗方法的施行也會因人而異，實驗環境會因時因地而改變，實驗結果也就包含了多方面的誤差在內。所以，如果能在虛擬大學物理實驗中增加對一些對常見環境變化的模擬，考慮一些可預知的人的因素，使其所虛擬的實驗更加接近真實，其教學效果或許會更加優秀。仍以邁克耳遜干涉儀實驗為例，如果能把底座不水平、兩端鏡距離過大（即超出相干長度）、兩鏡不平行時如果夾角逐漸增大或減小、沒放置補償板等情況都模擬實現的話，該虛擬實驗與真實情況的差距即可得到進一步的改善。
2.4 對創新實驗能力的更多培養
培養與提高學生創新思維、創新意識和創新能力是《大學物理實驗》課程教學的主要任務之一。與所有的實驗教學一樣，創新能力的培養在《大學物理實驗》課程教學中尤為重要。在傳統實驗教學過程中，開展探索型實驗是使學生獲得創新能力培養鍛煉的有效方式之一。
與傳統實驗一樣，虛擬實驗也可分為演示型實驗、動手操作型實驗和探索型實驗。在探索型實驗中，學生要經歷從實驗設計到實驗結果的整體過程，他們必須自己思考如何選擇及操作實驗儀器，如何實施及改進實驗過程，如何判斷實驗數據的準確性和誤差程度，如何總結規律或發現問題等等。所以這類虛擬實驗應該具備極強的交互能力：虛擬儀器應具有真實設備的所有功能屬性；實驗操作應該可以自主調整；測量結果應反映真實情況等。如此，學生方可通過虛擬而探索出真知，達到對創新能力培養的目的。
3 結語
在《大學物理實驗》課程教學中，為了利用虛擬實驗，達到較好的教學效果，期望虛擬實驗能在虛擬儀器的真實性、對實驗原理的更好體現、對實驗環境的模擬，及對創新能力的更多培養等方面做得更多更好。
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