引言
随着计算机和网络技术的迅速发展，以及科学研究进一步深入发展的需要，虚拟实验技术日渐成熟和完善。虚拟实验作为继理论研究和实验研究的第三种科学研究方法，对社会发展和科技进步起着越来越重要的作用，代表着科学研究方法的重要发展方向。教育教学改革的不断深化对实验教学在培养学生的科研能力和综合素质等方面提出更高的要求。实验教学的教学内容、教学模式、教学方法亟待革新与完善。虚拟实验技术的成熟发展和实验教学改革的迫切需要使得虚拟实验在教学的应用从理论走向实际应用。
1将虚拟仪器引入测试实验教学的意义
在传统的实验教学中，由于教学资金投入有限，实验教学仪器相对落后等问题，导致实验教学内容陈旧，学生的知识体系在深度和广度上的构建受到影响;由于实验系统的构建模式不够完善，实验项目的开展受到影响，限制学生参与实验的开发和独立操作，学生的动手能力和创新思维能力没有得到有效的训练和培养。另外，由于实验对于时间和空间上的限制和要求，实验教学模式比较单一和固定。针对这些问题，将虚拟仪器引进测试实验教学具有非常重要的意义。
1.1促进学生知识层次深度的发展
将虚拟实验引入测试实验教学，不仅在较低实验成本的前提下完善实验内容，保证实验精度，而且在缩短实验时间、解决实验难题、进行有效的控制和反馈、实验数据的保存、核对、检索、调用和实验结果的表达、筛选等方面具有巨大优势。将虚拟实验与传统实验相结合，为增加测试实验的先进性，将现代科技进步的成果渗透到测试实验课程内容中去，为前沿科学知识走进实验教学课堂，提高学生的知识层次提供条件上的重要保证。
1.2促进学生知识体系广度的拓展
大学测试实验作为一门实践性课程，其目的不仅是帮助学生掌握课堂上所学的理论知识，而且帮助学生增加对理论知识之间逻辑关系的了解，增加对多学科知识综合性的掌握，保证知识体系广度发展。就目前大学测试实验教学来说，由于实验原理和技术的复杂性，课程的设置是以独立的实验项目来划分，实验项目的理论比较封闭，实验原理之间的联系较少，实验仪器不易扩展，仪器功能固化在硬件上，无法升级和维护，存在容易损坏、功能单一、重复利用率低等问题，对于加强实验项目的相关性，扩展学生的知识体系非常不利。虚拟实验系统基于软硬件结合、模块化和层次化设计思想，将系统分为功能模块、虚拟仪器模块和实验项目模块三个层次，用户可根据实验设计要求的需要重组和配置各种模块，仪器功能易于增减和修改，改变以前仪器功能固化在硬件上，无法升级的缺点，在实验系统的构建和设置上具备灵活性和开放性，并且具有易优化、易维护等特点。将虚拟实验系统引入大学实验教学课堂，将虚拟实验方式和传统实验方式结合起来，通过虚拟实验灵活和开放的系统构建和设置特点，增加实验项目之间实验原理的相关性和多学科交叉性，促进学生掌握本学科知识体系的内在联系，加强对其他学科知识的综合了解。
1.3促进教学模式维度的发展
传统实验教学模式中，由于实验操作存在着时间和空间上的不可跨越性，学生必须在规定的时间到指定的实验室做实验，因此，实验课程教学模式的时间维度和空间维度无法扩展，存在局限性。在虚拟实验中，我们利用虚拟实验系统的网络功能，运用成熟的Internet作为传输媒介来传输实验数据和仪器控制命令，实现实验项目的异地实时操作和控制功能，突破时间和空间的限制，使得实验课程的远程教学成为可能。通过日渐普及的Internet，位于网络任何一端的学生，注册取得相应的登陆权限，就可以进行实验课程预览、实验项目操作、实验报告提交以及实验结果反馈、沟通交流和整理备份等工作。从这个角度讲，虚拟实验技术和传统实验方式有效结合，打破传统的实验课程教学模式，是实验课程的远程教学发展的转折点和突破点，从时间和空间上促进教学模式的维度发展。
2虚拟实验室的实现
2.1虚拟实验室结构原理
虚拟实验室相对于传统实验室而言，以计算机网络为核心，利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，基于模块化和层次化的设计思想，采用软硬件结合的方式，协调相关硬件和有效设备形成虚拟实验系统，并利用网络技术实现异地采集、分析和远程操作实验，它一方面极大限度的共享数据资源，另一方面学生可以突破时空的限制，通过校园局域网或Internet，随时随地进行实验，同时获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。
通过网络，虚拟实验室主要由三个功能模块组成—实验室服务器(LabServer)、服务代理端(ServiceBroker)、实验客户端(LabClient)(见图1)。
[attach]50847[/attach]
实验室服务器(LabServer)是由实验室的管理员操作并管理，同时也是执行真实在线试验的硬件，主要作用是控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据。
服务器代理端(ServiceBroker)位于实验室服务器和实验室客户端的中间，用于交换协调二者的信息，主要作用是提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境以及动态网页的生成，并提供存储管理服务。
实验客户端(LabClient)是运行在终端的用户计算机，为用户提供试验的交互式操作界面，通过浏览器如IE，maxthon等即可访问。
2.2虚拟实验室的构成
本虚拟实验室主要由虚拟实验和真实实验两部分组成(见图2)。虚拟实验部分主要完成验证性、原理演示性实验。比如，信号的频谱分析实验、信号的发生实验等等，通过利用LabView编程构建各种虚拟实验，然后以LabView内置的Web发布功能为基础，将其嵌入到实验室服务器，学生只需用网页浏览器即可通过Internet登陆访问虚拟实验室进行实验。
[attach]50848[/attach]
真实实验部分主要完成仪器共享型、远程控制实验。比如，直流电机的转速测控实验、RC瞬态电路充放电实验等等，主要是利用NI-ELVIS搭建各种测试实验，并通过数据采集卡PCI-6251和USB摄像头将实验数据和图像传递给学生。学生根据交互式界面进行实验参数设置、实验数据的采集控制，从而完成远程实验。
3设计的虚拟实验应用实例
3.1信号的频谱分析实验信号频谱分析是测控课程中学生学习的重点，同时又是难点。对于这些抽象的知识，老师在课堂上费尽心力讲解，学生依然很难理解。有些学生虽然学会信号频谱（相位谱、幅值谱）的计算方法，但对计算出的谱线形状只能凭空想象，缺少直观认识，久而久之，学生学习的积极性下降。通过此虚拟实验，可以解决这些问题，学生进入虚拟实验室通过选择需要的的信号类型，设定信号的频率和相位，就可观察到信号的频谱图和相位图，这样学生不仅直观的了解谱线形状，而且对原信号频率和相位对谱线的影响有更深刻的理解。实验远程前面板（见图3）。
3.2信号产生与处理实验
信号的产生与处理是整个测控课程的核心，学生只有学会基本信号的处理方法，才能进一步对复杂信号进行分析和处理。窗函数和滤波器的正确使用在信号的处理过程中发挥着非常重要的作用，学
[attach]50849[/attach]
生仅靠死记硬背窗函数和滤波器的作用，很难真正掌握这部分知识。通过本实验，学生可以选择需要的信号、滤波器类型、窗函数，直观的观察滤波器和窗函数对信号及其功率谱的影响，加深对理论知识的掌握。实验前面板（见图4)。
[attach]50850[/attach]
3.3窗函数比较实验
窗函数在信号分析处理中起着非常重要的作用，给信号合理的加窗，可以减少频谱泄露。学生在此实验中通过给各种频率和幅值的信号加不同的窗函数，可以观察信号时域与频域的变化，从而加深对不同窗函数作用的理解和掌握。实验远程面板见图5)。
[attach]50851[/attach]
3.4直流电机转速测控实验
直流电机转速测控实验是测控课程重要的综合实验项目之一。学生进入虚拟实验室，申请程序控制权后，便可开始实验。在实验的过程中，学生改变PID参数设定，通过波形图表很直观的看到电机转速的调节曲线，从而对课本所学知识如PID调节器的特性（Ke、Ti、Td对调节器的影响），控制性能指标（超调量、响应时间）等有更深刻的理解，进而激发学生对课本知识的学习兴趣。同时，为让学生有一种真实实验般的体会，对实验的过程有充分的临场感，程序通过USB摄像头采集NI-ELVIS电路连线和电机转速变化图像，学生可以一边做实验，一边观察电机转速的变化，从而让学生得到最真实的感受和最佳实验效果。实验远程前面板（见图6）。
[attach]50852[/attach]
3.5RC瞬态电路充放电实验
RC电路是基本的电路单元，是工科学生最基本的实验电路之一，因此正确分析和掌握该电路的充放电特性是学习复杂电子电路的基础。通过该实验学生可以动态的观察RC电路充放电的全过程，并可根据充放电曲线得到RC电路的时间常数。实验远程前面板(见图7)。
[attach]50853[/attach]
3.6555数字时钟计数实验
555数字时钟电路设计实验是电工电子课程的一项重要实验，有效的实验不仅帮助学生正确理解电路工作原理，同时对测试课程知识的学习也有很大帮助。在本实验中，学生可以移动图像，观察555数字时钟电路的电路连线，并可通过显示控件中的计数值，大体估算数字时钟的周期和频率。从而加深对所学理论知识的掌握。555数字时钟计数实验前面板(见图8)。
4总结
LabView虚拟实验室在设计上采用虚拟仪器的
[attach]50854[/attach]
技术思想，充分发挥资源共享的特点，使得测试实验教学的面貌焕然一新。从学生的反馈信息来看，参加虚拟实验提高他们学习测试技术课程的兴趣，对测试课程的学习态度发生很大改变。在此基础上，把虚拟仪器技术更加充分的引入实验教学，可以建立起更加完备的虚拟仪器测试实验教学系统，使虚拟仪器技术更好的为教学服务。
来源：《现代仪器》，转载请注明出处-仪器信息网(www.cncal.com)