虛擬儀器技術(shù)(Virtual instrument)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：談小學(xué)科學(xué)教學(xué)中虛擬儀器的應(yīng)用相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!

　　談小學(xué)科學(xué)教學(xué)中虛擬儀器的應(yīng)用全文如下：

　　【摘 要】虛擬儀器是計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它不僅在工業(yè)過(guò)程中有廣泛的應(yīng)用，在小學(xué)教學(xué)尤其是科學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂中也具有良好的應(yīng)用前景。學(xué)校教育的宗旨是為培養(yǎng)有創(chuàng)新能力的優(yōu)秀人才。但在目前教育形式下，由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備周期及資金投入有限，學(xué)校教育還未實(shí)現(xiàn)最終目的。虛擬儀器在教學(xué)中的應(yīng)用，改善了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，有效地強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

　　引言

　　學(xué)校教育是為不斷進(jìn)步的社會(huì)培育人力資源的重要模式。教育宗旨是為現(xiàn)代企業(yè)輸送具備“信息素養(yǎng)”、能以信息技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)、進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和高新技術(shù)引入的綜合性人才。創(chuàng)新精神與創(chuàng)造性實(shí)踐能力是教育的關(guān)鍵。實(shí)踐教學(xué)是能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保證?，F(xiàn)實(shí)中，基于教學(xué)儀器設(shè)備使用周期及資金投入所限，校園實(shí)驗(yàn)室配置大多滯后于當(dāng)前先進(jìn)科技。實(shí)驗(yàn)條件的改善是人才培養(yǎng)所面臨的主要問(wèn)題。計(jì)算機(jī)科學(xué)與微電子技術(shù)的發(fā)展，為現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了可行性。虛擬儀器技術(shù)的引入從根本上解決了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)巨額投資與儀器設(shè)備使用周期所帶來(lái)的滯后效應(yīng)，對(duì)改善小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件及效果會(huì)起到事半功倍的作用。

　　一、 虛擬儀器的產(chǎn)生與內(nèi)容

　　在對(duì)集成化、數(shù)字化、智能化電子儀器需求越來(lái)越迫切的形勢(shì)下，計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通訊技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了具有里程碑意義的新一代儀器――虛擬儀器。虛擬儀器其基本思想是利用計(jì)算機(jī)管理儀器，組織儀器系統(tǒng)，將傳統(tǒng)儀器中某些硬件電路由軟件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而逐步代替儀器完成某些功能，如數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和儲(chǔ)存等。即實(shí)現(xiàn)軟件代替硬件。

　　回顧電子儀器的發(fā)展大約經(jīng)歷了4代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。模擬儀器基本結(jié)構(gòu)為電磁機(jī)械式;數(shù)字化儀器以數(shù)字形式顯示輸出結(jié)果;智能儀器內(nèi)嵌微處理器，既能自動(dòng)測(cè)試又有一定的數(shù)據(jù)處理功能;虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)的圖形能力和數(shù)值處理功能，建立圖形化的虛擬儀器面板，在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板，用戶通過(guò)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像操作一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器一樣。它打破了儀器功能只能由生產(chǎn)廠家定義、用戶無(wú)法改變的模式，虛擬儀器還可跟計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，不斷升級(jí)自身功能，特別適合教學(xué)、科研與生產(chǎn)制造部門，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

　　虛擬儀器歸納起來(lái)包括硬件系統(tǒng)(如圖1)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)兩大部分。

　　虛擬儀器核心思想是把本來(lái)需要硬件或電路實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化、虛擬化，最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。虛擬儀器軟件包括從低層到高層的三部分，如圖2所示。

　　虛擬儀器是計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它不僅在工業(yè)過(guò)程中有廣泛的應(yīng)用，在普教中也具有良好的應(yīng)用前景。重點(diǎn)是對(duì)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。小學(xué)教師可以在NI LabVIEW的幫助下，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作，向?qū)W生生動(dòng)地展示科學(xué)、技術(shù)、工程以及教學(xué)方面的概念和理論。LabVIEW可以輕松快速的搭建起數(shù)據(jù)錄入、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)或者分析信息的程序。最新推出的LabVIEW由NI公司與塔夫茨大學(xué)工程教育與實(shí)踐中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

　　二、 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較

　　由于虛擬儀器建立在有限的硬件基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能，在某些方面與傳統(tǒng)儀器有明顯的區(qū)別，詳見(jiàn)表1。

　　與傳統(tǒng)儀器比較，虛擬儀器所具有的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)智能化程度高，處理能力強(qiáng)。

　　高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤存儲(chǔ)器和豐富的軟件資源，這些配置突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)方面的限制，極大增強(qiáng)了儀器的功能，特別是數(shù)據(jù)分析、圖形顯示等更受到使用者的青睞。

　　(2)重復(fù)使用性強(qiáng)

　　應(yīng)用虛擬儀器，相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)量?jī)x器。與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可使多個(gè)用戶同時(shí)利用一臺(tái)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

　　(3)具有很高的靈活性

　　虛擬儀器用戶能夠按照自己的需要來(lái)選用傳感器、儀器的接口方式，開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用軟件。

　　三、虛擬儀器在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

　　虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，不是我們熟知的多媒體課件，而是計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量控制技術(shù)與傳統(tǒng)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的整合，它繼承了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)最可貴的真實(shí)性，并具備了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法企及的可視性、兼容性、可擴(kuò)展性、交互性等特點(diǎn)。當(dāng)前，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)嶄露頭角，已顯示出強(qiáng)大的生命力。虛擬儀器在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用廣泛，現(xiàn)舉例如下：

　　(1)小學(xué)科學(xué)聲現(xiàn)象教學(xué)中，對(duì)于聲音的產(chǎn)生，尤其是樂(lè)音的三要素的理解，學(xué)生剛開(kāi)始學(xué)習(xí)有一定的難度。在教學(xué)中，使用大量實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官參與，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深對(duì)科學(xué)概念和過(guò)程的理解。在教學(xué)中可以采用在電腦的聲卡話筒接口外接麥克風(fēng)或筆記本自帶的麥克風(fēng)，運(yùn)行虛擬儀器軟件，敲擊音叉，觀察聲音波形的疏密和振幅的大小，體會(huì)聲音是物理的振動(dòng)產(chǎn)生的，加深理解樂(lè)音的響度、音調(diào)和音品是由哪些因素決定的。

　　(2)在小學(xué)電學(xué)、熱學(xué)部分，學(xué)生對(duì)電流方向，熱傳導(dǎo)方向的理解是有一定難度的。運(yùn)行虛擬儀器程序，能讓學(xué)生直觀看見(jiàn)這一現(xiàn)象。

　　(3)在天體運(yùn)行教學(xué)中，對(duì)地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)引起地形的變化，以及火山、地震現(xiàn)象無(wú)法做演示實(shí)驗(yàn)。研究者應(yīng)用自制虛擬儀器較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。在教學(xué)地球自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)，八大行星運(yùn)行等教學(xué)中，而且可視性太差，無(wú)法現(xiàn)實(shí)觀測(cè)到，虛擬實(shí)驗(yàn)室就能直觀的演示這一現(xiàn)象。

　　(4)在教學(xué)生命科學(xué)時(shí)，有些實(shí)驗(yàn)無(wú)法直觀演示，如食物的旅行主要去了口腔、食管、胃、小腸和大腸。這些器官的主要特征和功能是怎樣的呢?通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)就很好的演示了整個(gè)過(guò)程。 　　(5)華中師范大學(xué)的魏開(kāi)平老師研究開(kāi)發(fā)的中小學(xué)數(shù)字化虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成了中小學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的數(shù)字化過(guò)程，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將中小學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科相關(guān)知識(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，結(jié)合中小學(xué)的教學(xué)需要完成各種虛擬的實(shí)驗(yàn)。

　　四、虛擬儀器的應(yīng)用在小學(xué)教學(xué)中的優(yōu)越性

　　(1)真實(shí)性：真實(shí)，客觀，可信度高。

　　真實(shí)，是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的生命。用計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)過(guò)程的虛擬實(shí)驗(yàn)之所以經(jīng)常收到批評(píng)，很大的原因在于虛擬實(shí)驗(yàn)的非真實(shí)性。例如，我們常見(jiàn)的單擺、彈簧振子可見(jiàn)顯示的振子周期是由課件設(shè)計(jì)者隨意選定，且可以持續(xù)作為無(wú)阻尼振動(dòng)到電腦關(guān)機(jī)。又例如教學(xué)摩擦力大小時(shí)，使用者只需改變小車質(zhì)量或拉力的數(shù)值，就可以看到設(shè)計(jì)者事先設(shè)定的結(jié)果，沒(méi)有意外且毫厘不差。這些都讓辛勤而誠(chéng)實(shí)的設(shè)計(jì)者和使用者在學(xué)生面前心緒氣短，更談不上以這些課件為工具讓學(xué)生開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)。

　　(2)經(jīng)濟(jì)性：低成本，兼容性好，實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)資源共享。

　　目前，工業(yè)級(jí)的虛擬儀器價(jià)格昂貴，科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬儀器產(chǎn)品化程度不高，功能不夠理想，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，虛擬儀器是經(jīng)濟(jì)的。據(jù)估算工業(yè)用虛擬儀器成本只有傳統(tǒng)儀器的二分之一，隨著技術(shù)進(jìn)步，成本將進(jìn)一步降低。另外，基于PC平臺(tái)的虛擬儀器具有良好的兼容性，充分共享已有的多媒體教學(xué)資源，使用方便且成本低廉。例如一款基于聲卡的虛擬儀器，如圖3所示，以PC聲卡為采集數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備，使用者幾乎不花錢就可以獲得一臺(tái)音頻信號(hào)發(fā)生器、一臺(tái)數(shù)字交流萬(wàn)用表和音頻示波器。實(shí)驗(yàn)中還可以把軟件拷貝給有家庭電腦的學(xué)生做課外研究，取得很好的教學(xué)效果。

　　(3)可存貯性：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)PC存貯，重復(fù)利用提高效率。

　　將新課教學(xué)中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存貯在PC中，運(yùn)用PC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力能夠方便地進(jìn)行圖像等處理。在后續(xù)課或復(fù)習(xí)課中可以調(diào)出PC中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重現(xiàn)新課的實(shí)驗(yàn)。

　　可存貯性還給虛擬儀器帶來(lái)便于交流、便于發(fā)布實(shí)驗(yàn)結(jié)果、便于遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

　　(4)豐富教學(xué)內(nèi)容。

　　我國(guó)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較薄弱，教學(xué)方式和方法單調(diào)呆板，學(xué)生對(duì) 實(shí)驗(yàn)的醒悟不大。采用虛擬儀器過(guò)程中，使用計(jì)算機(jī)，可豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深不同學(xué)科間的交流和滲透，更新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的素質(zhì)。

　　五、總結(jié)

　　實(shí)踐表明，采用虛擬儀器軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，提高實(shí)驗(yàn)技能，給學(xué)生更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，而且能和信息技術(shù)等學(xué)科相結(jié)合，提高了學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，使學(xué)生得到全面發(fā)展。

　　虛擬儀器在高等教育以及中等職業(yè)教育中的應(yīng)用越來(lái)越多，在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用還處于萌芽狀態(tài)，但虛擬儀器的應(yīng)用已顯示出廣闊的前景，必將引發(fā)一次深刻的實(shí)驗(yàn)教學(xué)革命。