虛實結合的傳感器與檢測技術實驗教學模式研究

朱勇 李彥 林許勝

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?傳感器與檢測技術是一門實踐性很強的課程，而傳統實驗教學模式的弊端影響了實踐教學的效果。將虛擬仿真技術導入課程實驗教學環節，并對虛實結合的新型實驗教學模式進行了應用探索。新的教學模式打破了時間和空間的限制，拓展了實驗的廣度和深度，使學生能夠直接面對實際工程應用問題，展開創新設計、系統構建和結果驗證，打通了理論知識和實踐應用的通道。學生在解決實際工程問題的過程中，工程技術素養得到全面提升，為其成長為具備創新能力的應用型技術人才奠定了基礎。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?傳感器;虛擬仿真; 檢測系統;虛實結合

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2022）03-0079-03

當前國家經濟建設的發展迫切需要大量具備創新能力的應用型技術人才，這也是大多數地方本科院校的人才培養目標。所謂應用型人才是指能將專業知識和技能應用于所從事的社會專業實踐的一種專門的人才類型，實踐能力是其最顯著的標志特征。傳感器與檢測技術作為工科電類專業的核心課程之一，旨在培養學生在電子信息、智能制造、計算機應用、精密儀器和工業控制等眾多領域中，具備生產過程中各種電量、非電量參量的檢測（信息采集、變換、分析、處理）、顯示、控制及系統的產品設計制造、科技開發、應用研究等方面的能力[1，2]。因此，該課程對實踐能力的培養顯得尤為重要，而實驗教學正是提升實踐應用能力的重要手段，因此本文對課程實驗教學模式的改革進行了深入探討。

一、現有實驗教學模式的問題

傳感器與檢測技術涉及電工電子技術、傳感器技術、光電檢測技術、控制技術、計算機技術、數據處理技術、精密儀器技術等眾多基礎理論學科的交叉融合，同時傳感器包括電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁敏式、熱電式、光電式、輻射與波式、化學與生物式等多種類型，可以說理論雜散且對象群龐大。課程的具體培養目標為：（1）熟悉非電檢測與測量方面的基本知識與基本方法。（2）掌握傳感器的基本知識和基本理論，理解各種常用傳感器的基本結構、工作原理、參數及工作特性。（3）掌握傳感器的基本測量電路及其輸入和輸出特性。（4）認識傳感器在各種測控電路中的重要作用。（5）能夠根據測量要求正確地選擇與使用各類傳感器，并設計相應的測量系統。（6）能夠對測量結果進行誤差分析和數據處理。以上目標都要求達到理論與實踐的高度統一，突出應用能力的培養，這對課程實驗教學來說是很大的挑戰，傳統的教學模式呈現出一些弊端[3]。

1.在目前的人才培養方案中普遍壓縮了各專業課程的總課時，導致更多地將時間分配到課堂理論教學環節，而學生實驗時間顯得不夠充分。

2.目前實驗室的儀器設備以實驗箱的形式存在，其中集成了各種信號源、傳感器、測量電路以及測量儀表，對學生來說是個黑盒子的結構，只能機械地根據實驗指導書進行電路接線，很難將理論和實踐結合在一起。

3.一些諸如汽車車速測量、有毒環境的氣體檢測等高代價和高風險的實驗很難在實驗室搭建實體環境。

4.目前實驗室的實驗項目只能局限于針對基礎理論的驗證性實驗，而不能開展面向實際工程應用的設計性和綜合性實驗。

5.信息技術的發展日新月異，傳感器技術也正向微型化、集成化、無線化、智能化和網絡化方向發展，加之導入新興科技的新型傳感器不斷出現，實驗室的實驗裝置總是滯后于新技術的發展。

二、虛擬仿真實驗技術的應用

虛擬仿真技術是伴隨著計算機軟硬件技術的發展而發展的，其以信息技術、系統技術、圖形圖像技術、數值計算技術以及各領域的專業理論為基礎，以計算機為工具，通過建立仿真模型對實際的系統進行虛擬實驗研究，從而給到人們正確的認知[4]。虛擬仿真技術通?？梢苑譃閷ο鄳锢韴鲞M行分析的場的仿真以及對電路進行分析的路的仿真。傳感器與檢測技術課程內容從總體上來說可以分為傳感器的工作原理以及轉換電路的特性兩大模塊，因此虛擬仿真實驗的導入也從這兩方面進行探索。針對傳感器的工作原理，由于其與傳感器的實體結構密切相關，采用基于有限元技術的COMSOL Multiphysics軟件進行多物理場的仿真;而對于傳感信號的轉換電路，則利用NIMultisim仿真軟件進行電路的設計和搭建，輸出測試結果。

各種類型的傳感器由于基本工作原理的不同，可能涉及電磁學、結構力學、聲學、熱學、流體力學、化學等各領域的基礎理論。學生可以利用COMSOL Multiphysics軟件在相應的物理場模塊中建立等尺寸的傳感器幾何模型，定義各組成部件的材料屬性，確定激勵源參數和邊界條件，然后將模型空間進行網格刨分，在細分單元中進行基于物理場規則的微分方程數值求解，最后將計算結果通過后處理以數據可視化的形式展現出來。學生通過這一流程的操作，可以深入地理解傳感器的結構組成、工作原理、性能影響參數以及輸出信號特征，從而將理論知識和實踐操作真正結合，獲得對傳感器特性的感性認知。

傳感器的信號調理和轉換涉及交直流電橋、差動放大、差動整流、調幅調頻、相敏檢波、運算放大、電荷放大、電壓放大、脈沖寬度調制等多種典型電路。在NIMultisim仿真軟件中內置了大量的電子元器件和虛擬儀表資源，學生可以根據傳感器信號的測量要求，交互式地設計和搭建電路原理圖，并利用高效的仿真引擎模擬電路行為，以圖像化的方式輸出測量數據、波形和特性曲線并執行相應的數據分析[5]。學生還可以在電路的主要節點設置測量點，從而知曉信號從輸入、變換，再到輸出的整個流程環節。這樣學生就可以把所學的理論知識靈活地應用到電路設計中，并通過自己的實踐分析電路的特征和規律，進而進行設計優化，而不僅僅停留在傳統實驗的驗證模式上，有助于創新性應用能力的培養。

在面對復雜的實際工程場景時，還可以進行多物理場的耦合仿真和場路結合的聯合仿真，通過構建貼近工程應用實際的實體模型和真實系統來完成設計性和綜合性的實驗，增強學生對工程問題的分析能力和解決能力，真正達到應用型人才的培養目的。

三、虛實結合的實驗教學過程

實驗教學模式改革的目標是根據“虛實結合、以虛促實”的原則，遵循“學生中心、項目導向、工程意識、創新實踐”的實驗教學理念，重在培養學生在傳感與檢測系統的綜合設計、安裝操作、運行維護以及故障分析等方面的工程技術能力。指導教師具體的教學過程如下。

（一）基本原理講授

在日常課程的講授環節，結合相關實驗的知識點，重點就各類型傳感器的結構、工作原理和調理轉換電路以及檢測系統等關鍵知識點展開理論講解。講解時以項目為導向，完全結合實驗環境所設置的工程案例背景，為學生順利完成實驗打好扎實的理論基礎。

（二）實驗預習指導

在實驗開始前，引導學生認真預習實驗指導書和工程技術規范要求，熟悉實驗背景、實驗目的、實驗原理、實驗方法和實驗步驟，并引導學生自我探究，完成初步的傳感器選型、電路設計和系統組建，形成初步的技術方案。

（三）實驗過程指導

在實驗進行過程中，完全以學生為中心，讓學生沉浸于虛擬的實驗環境中，按照工程應用的規律，層層探究，逐步分析，形成正確的元器件和系統解決方案，并對實驗結果進行分析，進而提出并驗證合理的改進措施。指導教師可在實驗室現場或通過通訊工具與學生保持聯系，為學生實時解決問題。

（四）實驗結果評價

實驗完成后，學生可將實驗過程和結果總結成實驗報告，并將成果在班級范圍內進行演示匯報。全體學生和指導教師共同參與討論和評價，并給出改進建議。

（五）實驗反饋釋疑

在學生完成實驗后，結合實驗的完成情況，對學生提出的問題答疑解惑，使學生在經過充分實踐體驗后，能真正理解問題本質，提高工程實踐應用能力。同時接受學生對實驗對象、實驗系統、實驗內容、操作方式等的意見反饋，以便今后的改進和完善。

四、虛實結合的實驗學習過程

學生在進行虛實結合的實驗過程中，建立解決工程問題的基本方法論體系，需要充分理解并靈活應用各類實驗方法。

（一）觀察法

學生進入仿真軟件對傳感器模型和電路元件進行選型，可觀察具體系統構成和元件結構，了解其功能，獲得感性認知;學生還可模擬用示波器對測量電路的電壓和電流波形進行觀測，分析其動態特性。

（二）比較法

學生對同一個測量參數對象可以選取不同類型的傳感器，基于不同的工作原理構建測量體系，并對比分析測量結果的有效性;同時學生還可以在同一個測量體系中搭建不同的信號調理電路，對比分析測試系統的效率和測試結果的精度，從而獲得最優的方案。

（三）控制變量法

學生在進行虛擬仿真實驗時，可控制傳感器結構尺寸、材料屬性、激勵源參數、測量電路參數等，形成多變量組合，從而真正理解影響傳感檢測系統的關鍵因素。

（四）歸納法

學生在進行多變量組合實驗時，對各參數組合下的特征值歸納成數據統計表，進行系統的分析，掌握其規律和趨勢。

（五）逆向思維法

學生首先根據工程應用的要求設定檢測系統應該達到的目標值，然后再反向逆推需要采用的傳感器型號和測量電路方案。

五、實驗教學模式的創新

（一）實驗方案的創新

現有的實驗設備結構封閉、功能單一，可拓展性不強，且不具備設計性和綜合性的實驗功能。新的實驗教學模式通過構建傳感器和檢測系統的虛實仿真環境，充分將電類學科的專業知識和信息化、數字化的先進技術相融合，采用自主構建加交互式操作的方式，使學生能夠針對工程實際案例，分析問題、設計方案、搭建系統、操作運行、驗證結果，完成解決工程問題的全流程系統化訓練。

（二）教學方法創新

新的實驗教學模式以解決實際工程問題為導向，充分體現了設計性、綜合性和創新性的特點，融合了情景式、探究式、交互式、案例式和反思式等多種教學方法。通過模擬工程的場景構建，使學生在虛擬的實驗環境中進行實景體驗;按照工程問題的解決步驟，引導學生層層探究，獲取正確解決方案;學生可進行實時的建模、運行、優化和結果分析;實驗所有參數和問題點設置均來自工程實際案例，具備極強的實踐性;指導教師可在實驗中和實驗后進行及時評價，引導學生反思、糾錯和提高。

（三）評價體系創新

新的實驗教學模式建立過程與結果相結合、主觀與客觀相結合、理論分析和實踐操作相結合的綜合評價體系。在實驗過程中，指導教師可實時介入進行錯誤提示和記錄評價，幫助學生進入正確的技術路線;評價體系既有根據既定參數指標進行校核做出的客觀評價，又有由教師或學生根據解決方案的可靠性和完善性做出的主觀評價;評價針對兩個層面：（1）結合問題點的理論設計和分析以及形成解決方案的過程。（2）結合具體元器件的實踐操作、數據測量以及結果驗證的過程。

六、新型實驗教學模式的成效

（一）“以虛補實”拓展實驗廣度

以虛擬的實驗環境為學生提供真實、豐富的系統實景認知和操作體驗，解決了現有實驗室設備不足、實驗環境缺乏等關鍵性難題，具有較強的操作性、真實性和互動性，對于電類專業技術人才的培養有著獨特優勢。同時，還可將虛擬實驗教學延伸為泛在化的網絡虛擬實驗室，突破了傳統實驗的時空限制。

（二）“以虛促實”增強實驗深度

彌補了以往綜合性和設計性實驗難以開展的不足，學生可針對具體的工程問題，分析項目需求和指標要求，對傳感器等元器件進行選型，并研究其工作特性。在此基礎上進行整個檢測系統的構建，并根據仿真結果驗證設計思路正確與否，從而進一步優化，直至達到符合工程應用的要求?？梢哉f完全打通了課程實驗和實踐應用的通道，將實驗的內涵進行了縱深的拓展。

（三）“虛實結合”提升實驗效果

以項目為導向，以應用為主線，通過虛擬實驗和實體實驗的充分結合，將傳感與檢測的理論知識充分融入實驗過程中，讓學生在項目設計、工程實操、現象分析、交互練習的實驗過程中，系統掌握基本原理、設計方法、元件特性、操作規范等方面的知識，顯著提升了實驗教學的效果。

七、結語

針對傳感器與檢測技術課程傳統實驗教學模式所存在的實驗時間不足、實驗設備封閉、實驗環境受限、與工程應用和新技術發展脫節等一系列問題，將虛擬仿真技術導入課程的實驗教學環節，構建了虛實結合的新型實驗教學模式。在新的實驗模式下，學生能夠直接面對工程應用的實際需求，將所學理論知識充分應用到從元器件選型、特性分析、測量電路設計、測試系統搭建以及解決方案迭代優化的全流程中，完全打通了理論和實踐之間的通道。在“學生中心、項目導向、工程意識、創新實踐”的實驗教學理念指引下，進一步拓展了實驗的廣度和深度，提升了實驗教學的效果，增強了學生對實際工程問題的分析和解決能力，為其將來能夠成長為服務國家經濟建設發展的創新型應用人才奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

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[4]李曉芳，盧付強，時翔.虛擬仿真技術在物聯網工程專業教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2021（39）：160-163.

[5]張總，劉哲，王春梅，等.基于虛實結合的傳感器原理與應用教學研究與探索[J].儀器儀表用戶，2021，28（4）：96-99，12.

◎編輯 馬燕萍