虛擬仿真技術(shù)在“敏感材料與傳感器”課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用研究

摘要：通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索“敏感材料與傳感器”課程教學(xué)改革的新方法，首先，具體分析了“敏感材料與傳感器”課程教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題；然后，針對(duì)這些問(wèn)題，提出構(gòu)建該課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系的建議，并重點(diǎn)闡述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案，提出適應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的配套教學(xué)措施。研究結(jié)果有望促進(jìn)“敏感材料與傳感器”課程的線上和線下融合式教學(xué)，為該課程的教學(xué)改革提供新方法。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)敏感材料與傳感器教學(xué)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)體系

ResearchontheApplicationofVirtualSimulationTechnologyintheTeachingPracticeof“SensitiveMaterialsandSensors”Course

WANGHuanwen1*GONGYansheng1YUQian2

1.FacultyofMaterialsScienceandChemistry，ChinaUniversityofGeosciences，WuhanCity，HubeiProvince，430074China;2.CollegeofResourcesandEnvironment，South-CentralMinzuUniversity，WuhanCity，HubeirgHRuNTac0hIeEsvG/ehybD8m3Meq7HoZVXdpbjfFrM=Province，430074China

Abstract：VirtualSimulationtechnologyisemployedtoexploreanewmethodofteachingreformof“SensitiveMaterialsandSensors”courseinthispaper.Firstly，theproblemsexistingintheteachingpracticeof“SensitiveMaterialsandSensors”coursearespecificallyanalyzed.Then，inresponsetotheseissues，suggestionsareputforwardtoconstructavirtualsimulationexperimentsystemforthecourse，withafocusonelaboratingontheimplementationplanofvirtualsimulationexperimentsandproposingsupportingteachingmeasuresthataresuitableforthevirtualsimulationexperimentteachingsystem.Theresearchresultsareexpectedtopromotetheintegrationofonlineandofflineteachinginthecourseof"SensitiveMaterialsandSensors"，providinganewmethodfortheteachingreformofthiscourse.

KeyWords：VirtualSimulationtechnology;SensitiveMaterialsandSensors;Teachingpractice;Experimentalsystem

近些年，虛擬仿真技術(shù)逐漸發(fā)展成為炙手可熱的教學(xué)手段，其通過(guò)創(chuàng)建一系列高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，大大提高了學(xué)生的參與性和積極性[1-3]。傳感器在開(kāi)拓新能源和新材料領(lǐng)域具有重要地位[4-5]，傳感器正常工作的核心是敏感材料，只有敏感材料特性不斷發(fā)展，尤其是納米材料和納米科技的快速發(fā)展，才能促進(jìn)傳感器的高速發(fā)展。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料科學(xué)與工程專業(yè)是一個(gè)綜合性專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)是該專業(yè)本科教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。“敏感材料與傳感器”課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)選修課程，內(nèi)容涵蓋各類敏感材料和各類常用傳感器的基本理論、工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域，深受學(xué)生喜愛(ài)。但受限于學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)踐環(huán)節(jié)非常有限，僅局限于電阻溫度系數(shù)的測(cè)定等簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，離傳感器實(shí)踐需要差距明顯。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)快速且長(zhǎng)期的實(shí)踐教學(xué)，以及即時(shí)的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)，且學(xué)生參與度高、實(shí)驗(yàn)靈活性強(qiáng)和場(chǎng)地投資成本小，可大規(guī)模地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)[6]。因此，充分利用虛擬仿真技術(shù)大力發(fā)展“敏感材料與傳感器”課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能有效地解決現(xiàn)階段該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)面臨的棘手問(wèn)題。

1課程教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，材料與化學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程教學(xué)實(shí)踐有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但“敏感材料與傳感器”課程現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)還存在諸多問(wèn)題。

（1）現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)只是理論實(shí)驗(yàn)，不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求，無(wú)法建立“理論—實(shí)踐—應(yīng)用”反饋機(jī)制。該課程目前僅開(kāi)設(shè)了電阻溫度系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單且實(shí)用性不足，不能較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。

（2）現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)體系無(wú)法將領(lǐng)域內(nèi)重要科學(xué)研究成果成功轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例。隨著納米材料和納米技術(shù)的快速發(fā)展，利用納米技術(shù)制作的基于原子尺度的傳感器尺寸小且精度高，極大豐富了傳感器的理論、拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。例如：將納米顆粒沉積到硅基板上更有效地進(jìn)行化學(xué)和氣體傳感器應(yīng)用，利用微流控設(shè)備中的金納米線檢測(cè)血液樣本中的膽固醇，使用硅上的碳納米管（CarbonNanotube，CNT）來(lái)檢測(cè)有害的氨氣痕跡，基于流體的微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）設(shè)備中樣品的微量微生物檢測(cè)等。相關(guān)的科學(xué)研究結(jié)果已經(jīng)陸續(xù)報(bào)道，如能將這些創(chuàng)新性的研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)案例，必然會(huì)引起學(xué)生極大的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)專業(yè)認(rèn)同感和自豪感。然而，目前，該方面的教學(xué)資源和案例還相當(dāng)缺乏。

（3）“敏感材料與傳感器”課程的內(nèi)涵與外延在不斷擴(kuò)展，新儀器和新方法不斷涌現(xiàn)，特別是傳感器飛速發(fā)展對(duì)材料本身的制備過(guò)程提出了更苛刻的要求，現(xiàn)有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以同步適應(yīng)專業(yè)的發(fā)展。

HaWw2/0+FDQzEZT555/HN2c81u2Acgpy717gxnZSYIw=（4）面向傳感器應(yīng)用的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)體積大且成本高，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，場(chǎng)地、學(xué)時(shí)和經(jīng)費(fèi)條件使得學(xué)生的參與度受限，特別是一些關(guān)鍵材料制備工藝，無(wú)法惠及更多的學(xué)生，教學(xué)效果大打折扣。

立足以上分析，利用虛擬仿真技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室獲得的高水平科研成果成功轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)基于納米傳感器的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，納米傳感器材料包括納米粒子和納米團(tuán)簇、納米纖維和碳納米管、石墨烯、金屬有機(jī)框架等。以上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)材料的設(shè)計(jì)思路、制備過(guò)程、材料演變等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為飽滿，并且涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，有助于開(kāi)闊學(xué)生視野、強(qiáng)化動(dòng)手能力、增強(qiáng)學(xué)科交叉思維的意識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中，該實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容除服務(wù)于材料科學(xué)與工程專業(yè)，還可以面向化學(xué)、物理、環(huán)境、電子等多個(gè)專業(yè)的學(xué)生，不但可以拓寬學(xué)生學(xué)科交叉的知識(shí)面，還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)很好的教學(xué)效果，同時(shí)還避免受場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等方面的限制，對(duì)實(shí)踐教學(xué)具有重要的意義。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建

鑒于以上實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，本研究提出將虛擬仿真技術(shù)耦合至“敏感材料與傳感器”課程教學(xué)實(shí)踐中，促進(jìn)該課程的教學(xué)改革。為了充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在該實(shí)踐課程中的作用，材料科學(xué)與工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合多年實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了“敏感材料與傳感器”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系（見(jiàn)圖1）。

2.1實(shí)踐教學(xué)資源構(gòu)建

通過(guò)科教融合，借助虛擬仿真技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的經(jīng)典科研成果轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的教學(xué)案例。具體圍繞基于納米粒子和納米團(tuán)簇、納米纖維和碳納米管、石墨烯、金屬有機(jī)框架等敏感材料的關(guān)鍵工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，最終應(yīng)用于納米傳感器中。以理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相輔相成，設(shè)計(jì)構(gòu)建材料科學(xué)與工程專業(yè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)資源。

2.2虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)遵循模塊化和可擴(kuò)展的建設(shè)思路。優(yōu)先圍繞“納米粒子和納米團(tuán)簇、納米纖維和碳納米管、石墨烯及金屬有機(jī)框架”4類納米材料的研究成果，開(kāi)發(fā)基于納米傳感器應(yīng)用背景的材料關(guān)鍵工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)材料的設(shè)計(jì)思路、制備過(guò)程、材料演變和傳感功能最終實(shí)現(xiàn)的完整流程。依托該平臺(tái)，設(shè)置面向高年級(jí)本科生的專業(yè)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)專業(yè)認(rèn)同感和自豪感。

2.3理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)實(shí)踐

依托所構(gòu)建的基于納米傳感器應(yīng)用背景的材料關(guān)鍵工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用于“敏感材料與傳感器”課程教學(xué)實(shí)踐中，開(kāi)展線上和線下混合式教學(xué)的實(shí)踐探索，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合，互為補(bǔ)充”。同時(shí)，增設(shè)自主設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將最新科研成果通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)具象化，能有效培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新的思維和能力。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施路徑

3.1實(shí)踐教學(xué)資源構(gòu)建的實(shí)施路徑

納米傳感器是一種用于醫(yī)療保健和軍事的納米生物和化學(xué)傳感器，目前已開(kāi)發(fā)出用于檢測(cè)氣體、化學(xué)和生化變量與物理變量，以及檢測(cè)電磁輻射的納米傳感器。通過(guò)調(diào)研納米粒子和納米團(tuán)簇、納米纖維和碳納米管、石墨烯、金屬有機(jī)框架等納米材料的最新報(bào)道，特別是基于納米傳感器應(yīng)用的學(xué)科交叉成果，初步構(gòu)建以下實(shí)踐教學(xué)資源。

3.1.1基于納米粒子和納米團(tuán)簇的納米傳感器

納米粒子（主要是貴金屬粒子）具有出色的尺寸相關(guān)光學(xué)特性，基于金納米粒子的酶生物標(biāo)記測(cè)試可以檢測(cè)人類、動(dòng)物和食品中被稱為蛋白酶的疾病的酶標(biāo)記，該納米傳感器通過(guò)可見(jiàn)的變色反應(yīng)指示何時(shí)存在蛋白酶。

3.1.2基于納米纖維和碳納米管的納米傳感器

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了使用裝飾有鈀納米粒子的單壁碳納米管制成的柔性氫傳感器。多孔氧化錫納米纖維已被證明可檢測(cè)到約0.1mg/L的丙酮水平，這比診斷糖尿病所需的氣體傳感水平低8倍。

3.1.3基于石墨烯的納米傳感器

單晶石墨烯是一種常用敏感材料，廣大研究人員將其與生物傳感技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，已成功研制出單晶石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管超痕量生物傳感器。該研究成果涵蓋物理學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是典型的學(xué)科交叉產(chǎn)生的集成創(chuàng)新成果，把該成果通過(guò)虛擬仿真轉(zhuǎn)化為實(shí)踐課程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3.1.4 基于金屬有機(jī)框架的納米傳感器

金屬有機(jī)骨架是由無(wú)機(jī)金屬中心（金屬離子或金屬簇）與橋連的有機(jī)配體通過(guò)自組裝相互連接形成的一類具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。金屬離子形成節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將接頭的臂結(jié)合在一起，形成重復(fù)的籠狀結(jié)構(gòu)。由于比表面積大，并且能控制孔的結(jié)構(gòu)，與其他多孔材料相比，金屬有機(jī)框架具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.2虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)的實(shí)施方案

針對(duì)“納米粒子和納米團(tuán)簇、納米纖維和碳納米管、石墨烯、金屬有機(jī)框架”4類納米材料的研究成果在不同類型納米傳感器中的應(yīng)用背景，提出材料的具體設(shè)計(jì)思路。以石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管傳感器為例，介紹虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的實(shí)施路徑。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)DNA、蛋白質(zhì)、金屬離子、有機(jī)小分子等，是一種潛力巨大的傳感技術(shù)，具有低成本、高靈敏度、微型便攜、實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。目前，相關(guān)研究成果已經(jīng)陸續(xù)被報(bào)道，但石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管傳感器制造工藝復(fù)雜耗時(shí)、條件嚴(yán)格和價(jià)格昂貴，且會(huì)產(chǎn)生多種危險(xiǎn)氣體，維護(hù)成本高。因此，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)從材料的制備、器件演變過(guò)程及最終實(shí)現(xiàn)傳感器功能的完整流程。具體實(shí)施方案如圖2所示。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括甲烷氣體生長(zhǎng)為石墨烯、石墨烯演變?yōu)閳?chǎng)效應(yīng)管器件，以及最終實(shí)現(xiàn)傳感功能3個(gè)工藝流程。通過(guò)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能深刻理解石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的工作機(jī)理、了解到該領(lǐng)域的最前沿研究動(dòng)態(tài)，能有效激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣、提高其創(chuàng)新思維能力。

3.3混合式教學(xué)實(shí)踐的實(shí)施路徑

理論教學(xué)中，以各類敏感材料在傳感器中的應(yīng)用為主線，在虛擬仿真平臺(tái)建立后，將調(diào)整授課方式，發(fā)揮虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)優(yōu)勢(shì)，除保留基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，增加創(chuàng)新型和開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)。利用納米傳感器中各類材料關(guān)鍵制備工藝、器件演變過(guò)程及傳感功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行創(chuàng)新和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)定，鼓勵(lì)學(xué)生組建興趣組，這樣能有效提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能、增強(qiáng)其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展及本團(tuán)隊(duì)科研最新成果，進(jìn)一步豐富實(shí)踐教學(xué)資源，促進(jìn)理論與科研成果的有機(jī)融合，充分發(fā)揮學(xué)生的發(fā)散思維，提高自主學(xué)習(xí)能力和興趣。

4結(jié)語(yǔ)

基于虛擬仿真技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室獲得的高水平科研成果成功轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)基于納米粒子和納米團(tuán)簇、納米纖維和碳納米管、石墨烯和金屬有機(jī)框架等納米傳感器的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)材料制備過(guò)程及演變過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示，還有助于增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)科交叉思維的意識(shí)。要實(shí)時(shí)跟蹤納米傳感器的最新研究進(jìn)展，并將最前沿的科研成果通過(guò)虛擬仿真技術(shù)成功運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中。

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