虚拟仪器平台在高等职业技术教育中的应用研究

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  • 更新时间2020-05-21
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  [摘要]在高职理工科教学中,需要涉及诸多电子技术、信号分析等大量实验。伴随着计算机技术的发展,虚拟仪器平台被广泛应用在实验教学当中。基于虚拟仪器平台在高等职业技术教育中的应用,对虚拟仪器引入高等职业技术教育的意义和应用情况进行探讨。


  [关键词]虚拟仪器平台;高等职业技术教育;应用状况


  作者:刘炳杰


  高等职业院校是我国高等教育和职业教育的重要结合,曾经是我国教育的“热门”,但是随着本科高校的扩展,高等职业院校出现了严重的萎缩,教育经费也面临短缺。高等职业院校开设的很多专业都涉及到实验,但是由于传统实验设备的落后和更新困难,学生缺少动手实验机会,成为制约职业教育发展的瓶颈。而当前计算机技术飞速发展,能够模仿出很多实验过程,学生通过在虚拟平台上进行实验,就能够达到较为理想的实验效果。基于此,对虚拟仪器平台在高职院校实验教学中的应用进行研究和探讨。


  一、虚拟仪器概述


  虚拟仪器是一种软硬件充分结合、匹配应用的产物。经软件编程,用户进行仪器界面的自定义,利用数据采集系统将信号输入计算机,形成界面操作,从而在虚拟中实现测量、分析等试验过程。虚拟仪器的关键是软件,通过操作人员在界面上指令性的控制,将预期的一系列操作进行实施,将传统硬件仪器虚化为计算机软件,在具有传统硬件仪器基本功能的同时,还能够根据实验的要求进行多种软件的切换,从而达到实验的目的。因为虚拟仪器天生带有计算机的属性,因而在自动性、扩展性、外部连接性、操作等方面都具有很大的外延性,能够根据实验的要求进行延伸。从当前的虚拟仪器发展趋势来看,其已经成为实验室教学的重要组成部分。


  二、虚拟仪器引入高等职业技术教育的意义


  1.降低了高等职业技术教育实验的成本。虚拟仪器引入高等职业教育的价值是巨大的。从成本层面看,一方面高职院校职业技术教育需要开设实验内容的专业涉及到通信、电子等专业,这类专业的传统实验器材和设备成本较高,而且这类专业技术发展迅速,因而要有效的开展教学实验,就需要不断地采购实验器材,这对于高职院校来讲是十分困难的。采用虚拟仪器,用软件替代硬件,不但可以降低采购成本,而且更新实验器材只需变更软件就可以,这样就大大降低了实验器材的采购成本。另一方面,在实验中,传统实验器材会出现消耗、损坏等,而采用虚拟仪器基本上避免了上述情况,从而获得“一次花费,长久使用”的效果。


  2.改善高等职业技术教学条件。高等职业技术教育主要分为理论课程和实验课程。传统的理论课程例如信号与系统,一般以课堂上老师按照教材讲解为主,内容较为抽象,学生理解起来比较困难。而通过采用虚拟仪器进行教学,能够在理论课讲授的过程中,利用虚拟仪器向学生直观的显示出系统或者信号的特点,在教学条件改善的基础上,增强了学生学习的便捷性。而在实验课程中,受传统实验器材成本较高、硬件易损耗、维修困难等制约,学生不敢轻易尝试实验,而虚拟仪器就避免了这个问题,并且根据技术的发展,及时进行程序修改和技术升级,从而使学生能够便捷地使用虚拟仪器进行学习[1]。此外,虚拟仪器不只用于实验教学,还能够通过虚拟仪器与网络技术的结合运用打造虚拟网络实验室,拓展教学的深度。不过需要说明的是,虚拟仪器是一种理想化的实验操作,能够满足实验教学需要,但是在实际生产中,由于电压、温度等情况的影响,还存在意外情况,这一点在实验和实际生产中要加以区分。


  3.提高了高等职业技术院校学生的动手能力。高等职业教育旨在培养动手能力强的学生,使得学生毕业后能够直接从事相关工作。虚拟仪器的引入能够帮助高等职业院校实现教育目标。虚拟仪器的引入改善了原本因为实验条件不足而过度重视理论教学而轻视实验教学的现状,学生通过虚拟仪器平台和计算机就能够进行仿真实验,帮助学生在虚拟操作的环境下不仅能够认识到相关仪器,也可以通过实际操作,掌握真正仪器仪表的使用和操作方法,使学生在面对真正的仪器仪表时不至于一无所知、手足无措。动手能力的提高不是在课堂教学中就能够完成的,需要学生在课下花费大量的时间进行练习和操作。而虚拟仪器能够给学生提供充分练习的时间,有利于激发学生自主学习的热情,从而在很大程度上提高了高职院校学生的动手能力。


  4.丰富高等职业技术教育的过程。虚拟仪器引入高等职业技术教育,其出发点在于通过教学条件的完善,提高学校的教学水平,培养合格的技术应用人才。虚拟仪器能够在教学、实验、科研等方面发挥其巨大的作用和价值,从而丰富高等职业技术教育的过程。在教学环节,通过虚拟仪器可以制作数字万能表、逻辑分析仪等,从而将教学内容“实物”化,大大丰富教学手段,使得教学的效果更加逼真。在实验阶段,通过编程的更新等,能够使学生在一个虚拟操作平台上完成多种实验,提高实验的效率和应用效果。在科研环节,将计算机技术与之充分结合,搭配遠程控制仪器,通过网络协议、网络通信等实现虚拟网络实验室的创建,能够为科学研究提供良好的条件。


  三、虚拟仪器在高等职业技术教育中的应用


  虚拟仪器在高等职业技术教育中的应用,其实验过程主要包括四个步骤和环节。


  1.实验前准备。实验前准备是根据高等职业技术教育大纲的要求,针对教学课程的标准,在虚拟仪器平台上添加相应的模块和软件。教师要根据教学要求,以实际仪器为标准进行编程,从而实现虚拟仪器的仿真模拟。例如,在实验中需要用到万能表,教师在实验前就需要根据教学需要以实际应用的万能表进行编程,在虚拟仪器平台上模拟出万能表,从而为学生实验开展做准备。上述例证只是虚拟仪器的简单应用,涉及到更为复杂的仪器操作,还需要教师在实验前做更为充足的准备。


  2.实验操作。经过实验前的准备,学生能够应用准备好的虚拟仪器操作平台进行实验操作。在操作过程中,学生可利用软件对数据进行跟踪和采集。例如,学生在首次实验失败后,能够反复进行实验,直到实验成功为止,在这个过程中,不用担心仪器的损耗、故障等问题[2]。在对实验数据进行分析的过程中,如果学生在中途出现思维停顿等情况,可以暂停实验,进行观察,甚至将实验数据进行回放,重新进行观察。这种数据的采集和观察方便简单,能够集中实验过程中学生的主要精力,从而有利于学生提高实验的效果,保障实验的质量。


  3.实验扩展。虚拟仪器平台天生带有计算机的属性,因而在自动性、扩展性、外部连接性、操作等方面都具有很大的外延,能够根据实验的要求进行延伸。在实验过程中,学生能够根据实际情况进行实验模型的设计,在一些复杂的实验中,学生能够发挥创新性思维,进行自主设计,通过方案撰写、编程设计、虚拟实验操作等一系列操作,来实现实验的检验。通过网络学生还能够与教师进行远程的沟通与交流,从而在深度和广度上大大拓展实验的外延。


  4.虚拟仪器技术更新。现代技术发展迅速,高等职业技术教育也要跟随时代发展步伐不断进行教育内容的革新、实验设备的更新。传统仪器设备因为成本高昂,一般受制于条件限制,一般5~10年才更新一次,这种更新不仅使得学生无法接触最新的技术,而且由于设备老化等因素,学生在后期采用传统仪器的实验效果也不是很好。而虚拟仪器技术是基于软件的技术体系,更新方便,基本上6~12个月就能更新,根据现有技术的发展,在现有模块的基础上进行二次开发,从而使得技术更新赶上时代发展步伐,最大限度满足实际应用需要。


  四、结语


  高等职业技术教育与社会生产联系紧密,将虚拟仪器技术引入教学过程中,能够大大增强教学与生产实践的联系程度,从而为培养适应社会需求的人才打下基础。