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摘要：虚拟仪器是以计算机为基础，利用模块化的功能硬件和应用软件来完成信号采集、数据测试分析、结果表达处理等众多功能。将其应用到热工基础实验中，通过建立“热工基础虚拟实验室”，代替或补充部分热工实验教学，能够极大地满足学生的实验需求，达到人人可操作的层面，解决实践教学发展要求同实际实践场地之间的矛盾，充分满足每个学生进行热工基础实验的要求，解决理论课程与实验课程时间安排不协调问题等问题。
关键词：虚拟仪器；热工基础；实验教学
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）14-0267-02
一、虚拟仪器和虚拟实验国内应用现状
随着计算机科学和微电子技术的发展与普及，数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。美国国家仪器公司于20世纪80年代中期提出了基于计算机技术的虚拟仪器概念，把虚拟测试技术带入了新的发展时期，虚拟仪器代表了仪器发展的一种新方向。虚拟仪器是以计算机为基础，利用模块化的功能硬件和应用软件来完成信号采集、数据测试分析、结果表达处理等众多功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与PC机结合起来融为一体全新的仪器系统。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统中的关键，软件即是仪器。虚拟仪器的概念打破了传统的仪器由厂家定义、用户无法改变的局面，这样用户就可以根据自己的需求很灵活地定义、设计仪器系统，以满足各自的应用要求。与传统实验设备相比，虚拟仪器的优点表现在以下几个方面：①成本低。虚拟仪器的价格低廉，是传统仪器的20%左右。虚拟仪器的结构是基于软件体系的，不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化及温度变化影响的问题，从而延长设备的使用寿命，也可以节省大笔的维护费用。②灵活性大。传统仪器系统自身封闭、功能固定、可扩展性差，功能和模块由生产厂家定义，而虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。而且任何计算机技术的提升皆可及时提高虚拟仪器的功能。③数据处理功能强大。虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印，这是传统仪器无法做到的。④测量精确。传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，而虚拟仪器在PC機上运行，测量误差很小。通过将虚拟仪器技术植入通用计算机平台上，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台传统测试仪器一样。由于虚拟仪器技术采用可视化界面，数据采集过程全部由计算机控制，达到数显绘图同步，随时存贮、打印、调用、处理数据，调试过程简单、易掌握，直观性好、数据准确性高，重复利用率高等特点。若将虚拟技术借助学校网络平台，形成网上实验室，学生无论身处学校或校外任何地方，通过指定账户登录，均可方便地随时进行相关的真实的“虚拟实验”实践活动。
二、虚拟实验对实践教学的作用
目前不少高校正在积极开展实践教学的研究与探索。如何在以应用型人才培养为目标的本科院校开展有效的实践教学是每个专业需要认真研究的课题。当前在工科实验实践教学的开展过程中逐渐暴露出一些问题，如：①随着实践教学的开展，校内可利用的实验及实践场地不能满足不断增长的实践教学的需求，传统实验的拓展与改进受到限制。②受实验时间及设备数量等条件的限制，不能满足每个学生进行充分实验实践等等，实验教学往往没有很好地起到促进消化、强化和应用理论知识的作用。③理论课程与实验课程时间安排不协调问题，甚至出现实验课先于理论课程的现象，导致学生不能很好地将理论知识与实验实践有机结合起来。探索研究将基于虚拟仪器技术的“虚拟实验”搬入能源与环境专业课程教学的环节，在理论教学过程中导入“虚拟实验”的实践环节，增强理论知识与实际应用之间关系，同时是对实验教学环节的有效补充和引导，这对提高工科学生的实践能力，具有积极现实的意义。
三、热工基础虚拟实验改革内容、目标和拟解决关键问题
改革内容：主要以热工类课程包括工程热力学、流体力学、传热学等的实验教学为主要改革对象，研究将其中涉及的实验包括喷管实验、气体横掠单管试验、圆球稳态导热试验等进行“虚拟实验”开发。在单个热工虚拟实验的基础上，将原先必须在实验室完成的实验，建立以计算机为载体的热工虚拟实验室；建立网上热工基础虚拟实验室，教师可以在教学过程中利用虚拟实验室进行课题中的实验示范，增强教学印象和效果；学生可随时登录虚拟实验室，完成相应的实验操作，提交实验报告。改革目标：建立以计算机为载体的热工虚拟实验室；探索研究将基于虚拟仪器技术的“虚拟实验”搬入能源与环境专业课程教学的环节，在理论教学过程中导入“虚拟实验”的实践环节，增强理论知识与实际应用之间的联系，及时加深学生对理论知识的理解和应用，提高工科学生的实践能力。拟解决的关键问题：基于热工实验的特性，寻找合适的“虚拟实验”开发软、硬件，拟打算利用图形化编程软件LabVIEW，开发相关的热工实验，建立虚拟实验室，拟解决①校内可利用的实验及实践场地不能满足不断增长实践教学的需求，传统实验的拓展与改进受到限制；②受实验时间及设备数量等条件的限制，不能充分满足每个学生进行充分实验实践；③理论课程与实验课程时间安排不协调问题等问题。
四、具体实施方案、方法
将“虚拟实验”搬入专业教学的教研项目，总体上分三大步实施：第一步，完成适用于热工实验虚拟开发的软硬件设备的研究与选择；完成单个典型热工虚拟实验的开发（本项目研究部分）；第二步，完成选定热工实验的虚拟开发，并逐步应用到实验教学环节和理论课程教学环节；第三步，完成网上虚拟实验室的研发与建立，部分或逐步代替传统的热工实验。选择美国仪器公司基于C语言开发的图形化编程平台LabVIEW为开发软件，以圆球稳态导热试验的虚拟实验开发为对象，进行热工实验虚拟开发的软硬件设备的研究，建立单个典型热工虚拟实验的开发的基本程序和范例，具体实施方法与过程如下：①以实际圆球稳态导热试验为基础，建立传热数学模型。为了使虚拟实验更接近于实际设备的实验结果，根据在实际设备上获得的实验数据，以稳态导热基本理论为基础，结合实验数据进行修正，并通过origin等拟合软件对实验曲线进行拟合，得到测定材料导热系数随材料平均温度变化的数学模型；得到在某一初始温度和加热功率下，材料热面和冷面温度随时间变化的数学模型。②建立虚拟实验操作界面。利用LabVIEW自定义控件的功能，制作自定义阀门控件，使虚拟实验能更直观、更形象地模拟实际设备的操作过程，使LabVIEW的操作界面更接近于实验设备。③开发实验数据分析和报告生成功能。在LabVIEW中加载LabVIEW报告生成工具包，将虚拟实验的数据和图表导出到自定义格式的文档中，并将文档制作成可对实验数据和图表进行分析的模式，并完成实验报告。
五、成果和与创新之处
“热工基础虚拟实验室”的建立，可以大大提高能源与环节系统工程专业学生的热工实验效果，解决实践教学发展要求同实际实践场地之间的矛盾，充分满足每个学生进行热工基础实验的要求，解决理论课程与实验课程时间安排不协调等问题。在虚拟实验室建成初期，主要受益的是能源与环节系统工程专业学生；将“热工基础虚拟实验室”网络化，将其变成全校性公选实验课；同时教师在授课的同时，为了增强教学效果，也可随时通过学校多媒体教学系统，登陆进行实际操作，展示给课堂的学生。虚拟仪器是以计算机为基础，利用模块化的功能硬件和应用软件来完成信号采集、数据测试分析、结果表达处理等众多功能。把传统仪器的专业化功能软件化，使之与PC机结合起来融为一体形成全新的仪器系统。将其应用到热工基础实验中，通过建立“热工基础虚拟实验室”，代替或补充部分热工实验教学，能够极大地满足学生的实验需求。解决实践教学发展要求同实际实践场地之间的矛盾，充分满足每个学生进行热工基础实验的要求，解决理论课程与实验课程时间安排不协调等问题。
关键词：虚拟仪器；热工基础；实验教学
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）14-0267-02
一、虚拟仪器和虚拟实验国内应用现状
随着计算机科学和微电子技术的发展与普及，数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。美国国家仪器公司于20世纪80年代中期提出了基于计算机技术的虚拟仪器概念，把虚拟测试技术带入了新的发展时期，虚拟仪器代表了仪器发展的一种新方向。虚拟仪器是以计算机为基础，利用模块化的功能硬件和应用软件来完成信号采集、数据测试分析、结果表达处理等众多功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与PC机结合起来融为一体全新的仪器系统。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统中的关键，软件即是仪器。虚拟仪器的概念打破了传统的仪器由厂家定义、用户无法改变的局面，这样用户就可以根据自己的需求很灵活地定义、设计仪器系统，以满足各自的应用要求。与传统实验设备相比，虚拟仪器的优点表现在以下几个方面：①成本低。虚拟仪器的价格低廉，是传统仪器的20%左右。虚拟仪器的结构是基于软件体系的，不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化及温度变化影响的问题，从而延长设备的使用寿命，也可以节省大笔的维护费用。②灵活性大。传统仪器系统自身封闭、功能固定、可扩展性差，功能和模块由生产厂家定义，而虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。而且任何计算机技术的提升皆可及时提高虚拟仪器的功能。③数据处理功能强大。虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印，这是传统仪器无法做到的。④测量精确。传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，而虚拟仪器在PC機上运行，测量误差很小。通过将虚拟仪器技术植入通用计算机平台上，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台传统测试仪器一样。由于虚拟仪器技术采用可视化界面，数据采集过程全部由计算机控制，达到数显绘图同步，随时存贮、打印、调用、处理数据，调试过程简单、易掌握，直观性好、数据准确性高，重复利用率高等特点。若将虚拟技术借助学校网络平台，形成网上实验室，学生无论身处学校或校外任何地方，通过指定账户登录，均可方便地随时进行相关的真实的“虚拟实验”实践活动。
二、虚拟实验对实践教学的作用
目前不少高校正在积极开展实践教学的研究与探索。如何在以应用型人才培养为目标的本科院校开展有效的实践教学是每个专业需要认真研究的课题。当前在工科实验实践教学的开展过程中逐渐暴露出一些问题，如：①随着实践教学的开展，校内可利用的实验及实践场地不能满足不断增长的实践教学的需求，传统实验的拓展与改进受到限制。②受实验时间及设备数量等条件的限制，不能满足每个学生进行充分实验实践等等，实验教学往往没有很好地起到促进消化、强化和应用理论知识的作用。③理论课程与实验课程时间安排不协调问题，甚至出现实验课先于理论课程的现象，导致学生不能很好地将理论知识与实验实践有机结合起来。探索研究将基于虚拟仪器技术的“虚拟实验”搬入能源与环境专业课程教学的环节，在理论教学过程中导入“虚拟实验”的实践环节，增强理论知识与实际应用之间关系，同时是对实验教学环节的有效补充和引导，这对提高工科学生的实践能力，具有积极现实的意义。
三、热工基础虚拟实验改革内容、目标和拟解决关键问题
改革内容：主要以热工类课程包括工程热力学、流体力学、传热学等的实验教学为主要改革对象，研究将其中涉及的实验包括喷管实验、气体横掠单管试验、圆球稳态导热试验等进行“虚拟实验”开发。在单个热工虚拟实验的基础上，将原先必须在实验室完成的实验，建立以计算机为载体的热工虚拟实验室；建立网上热工基础虚拟实验室，教师可以在教学过程中利用虚拟实验室进行课题中的实验示范，增强教学印象和效果；学生可随时登录虚拟实验室，完成相应的实验操作，提交实验报告。改革目标：建立以计算机为载体的热工虚拟实验室；探索研究将基于虚拟仪器技术的“虚拟实验”搬入能源与环境专业课程教学的环节，在理论教学过程中导入“虚拟实验”的实践环节，增强理论知识与实际应用之间的联系，及时加深学生对理论知识的理解和应用，提高工科学生的实践能力。拟解决的关键问题：基于热工实验的特性，寻找合适的“虚拟实验”开发软、硬件，拟打算利用图形化编程软件LabVIEW，开发相关的热工实验，建立虚拟实验室，拟解决①校内可利用的实验及实践场地不能满足不断增长实践教学的需求，传统实验的拓展与改进受到限制；②受实验时间及设备数量等条件的限制，不能充分满足每个学生进行充分实验实践；③理论课程与实验课程时间安排不协调问题等问题。
四、具体实施方案、方法
将“虚拟实验”搬入专业教学的教研项目，总体上分三大步实施：第一步，完成适用于热工实验虚拟开发的软硬件设备的研究与选择；完成单个典型热工虚拟实验的开发（本项目研究部分）；第二步，完成选定热工实验的虚拟开发，并逐步应用到实验教学环节和理论课程教学环节；第三步，完成网上虚拟实验室的研发与建立，部分或逐步代替传统的热工实验。选择美国仪器公司基于C语言开发的图形化编程平台LabVIEW为开发软件，以圆球稳态导热试验的虚拟实验开发为对象，进行热工实验虚拟开发的软硬件设备的研究，建立单个典型热工虚拟实验的开发的基本程序和范例，具体实施方法与过程如下：①以实际圆球稳态导热试验为基础，建立传热数学模型。为了使虚拟实验更接近于实际设备的实验结果，根据在实际设备上获得的实验数据，以稳态导热基本理论为基础，结合实验数据进行修正，并通过origin等拟合软件对实验曲线进行拟合，得到测定材料导热系数随材料平均温度变化的数学模型；得到在某一初始温度和加热功率下，材料热面和冷面温度随时间变化的数学模型。②建立虚拟实验操作界面。利用LabVIEW自定义控件的功能，制作自定义阀门控件，使虚拟实验能更直观、更形象地模拟实际设备的操作过程，使LabVIEW的操作界面更接近于实验设备。③开发实验数据分析和报告生成功能。在LabVIEW中加载LabVIEW报告生成工具包，将虚拟实验的数据和图表导出到自定义格式的文档中，并将文档制作成可对实验数据和图表进行分析的模式，并完成实验报告。
五、成果和与创新之处
“热工基础虚拟实验室”的建立，可以大大提高能源与环节系统工程专业学生的热工实验效果，解决实践教学发展要求同实际实践场地之间的矛盾，充分满足每个学生进行热工基础实验的要求，解决理论课程与实验课程时间安排不协调等问题。在虚拟实验室建成初期，主要受益的是能源与环节系统工程专业学生；将“热工基础虚拟实验室”网络化，将其变成全校性公选实验课；同时教师在授课的同时，为了增强教学效果，也可随时通过学校多媒体教学系统，登陆进行实际操作，展示给课堂的学生。虚拟仪器是以计算机为基础，利用模块化的功能硬件和应用软件来完成信号采集、数据测试分析、结果表达处理等众多功能。把传统仪器的专业化功能软件化，使之与PC机结合起来融为一体形成全新的仪器系统。将其应用到热工基础实验中，通过建立“热工基础虚拟实验室”，代替或补充部分热工实验教学，能够极大地满足学生的实验需求。解决实践教学发展要求同实际实践场地之间的矛盾，充分满足每个学生进行热工基础实验的要求，解决理论课程与实验课程时间安排不协调等问题。