朱勇 李彥 林許勝

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?傳感器與檢測技術(shù)是一門實踐性很強的課程，而傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的弊端影響了實踐教學(xué)的效果。將虛擬仿真技術(shù)導(dǎo)入課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，并對虛實結(jié)合的新型實驗教學(xué)模式進行了應(yīng)用探索。新的教學(xué)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(xué)生能夠直接面對實際工程應(yīng)用問題，展開創(chuàng)新設(shè)計、系統(tǒng)構(gòu)建和結(jié)果驗證，打通了理論知識和實踐應(yīng)用的通道。學(xué)生在解決實際工程問題的過程中，工程技術(shù)素養(yǎng)得到全面提升，為其成長為具備創(chuàng)新能力的應(yīng)用型技術(shù)人才奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?傳感器;虛擬仿真; 檢測系統(tǒng);虛實結(jié)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(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展迫切需要大量具備創(chuàng)新能力的應(yīng)用型技術(shù)人才，這也是大多數(shù)地方本科院校的人才培養(yǎng)目標。所謂應(yīng)用型人才是指能將專業(yè)知識和技能應(yīng)用于所從事的社會專業(yè)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(shù)作為工科電類專業(yè)的核心課程之一，旨在培養(yǎng)學(xué)生在電子信息、智能制造、計算機應(yīng)用、精密儀器和工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域中，具備生產(chǎn)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(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究等方面的能力[1，2]。因此，該課程對實踐能力的培養(yǎng)顯得尤為重要，而實驗教學(xué)正是提升實踐應(yīng)用能力的重要手段，因此本文對課程實驗教學(xué)模式的改革進行了深入探討。

一、現(xiàn)有實驗教學(xué)模式的問題

傳感器與檢測技術(shù)涉及電工電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、光電檢測技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、精密儀器技術(shù)等眾多基礎(chǔ)理論學(xué)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(xué)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(yǎng)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(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)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(jù)測量要求正確地選擇與使用各類傳感器，并設(shè)計相應(yīng)的測量系統(tǒng)。（6）能夠?qū)y量結(jié)果進行誤差分析和數(shù)據(jù)處理。以上目標都要求達到理論與實踐的高度統(tǒng)一，突出應(yīng)用能力的培養(yǎng)，這對課程實驗教學(xué)來說是很大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式呈現(xiàn)出一些弊端[3]。

1.在目前的人才培養(yǎng)方案中普遍壓縮了各專業(yè)課程的總課時，導(dǎo)致更多地將時間分配到課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)，而學(xué)生實驗時間顯得不夠充分。

2.目前實驗室的儀器設(shè)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(xué)生來說是個黑盒子的結(jié)構(gòu)，只能機械地根據(jù)實驗指導(dǎo)書進行電路接線，很難將理論和實踐結(jié)合在一起。

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

4.目前實驗室的實驗項目只能局限于針對基礎(chǔ)理論的驗證性實驗，而不能開展面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的設(shè)計性和綜合性實驗。

5.信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，傳感器技術(shù)也正向微型化、集成化、無線化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，加之導(dǎo)入新興科技的新型傳感器不斷出現(xiàn)，實驗室的實驗裝置總是滯后于新技術(shù)的發(fā)展。

二、虛擬仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是伴隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，其以信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)以及各領(lǐng)域的專業(yè)理論為基礎(chǔ)，以計算機為工具，通過建立仿真模型對實際的系統(tǒng)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(shù)通常可以分為對相應(yīng)物理場進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(shù)課程內(nèi)容從總體上來說可以分為傳感器的工作原理以及轉(zhuǎn)換電路的特性兩大模塊，因此虛擬仿真實驗的導(dǎo)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(jié)構(gòu)密切相關(guān)，采用基于有限元技術(shù)的COMSOL Multiphysics軟件進行多物理場的仿真;而對于傳感信號的轉(zhuǎn)換電路，則利用NIMultisim仿真軟件進行電路的設(shè)計和搭建，輸出測試結(jié)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(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)等各領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論。學(xué)生可以利用COMSOL Multiphysics軟件在相應(yīng)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(shù)和邊界條件，然后將模型空間進行網(wǎng)格刨分，在細分單元中進行基于物理場規(guī)則的微分方程數(shù)值求解，最后將計算結(jié)果通過后處理以數(shù)據(jù)可視化的形式展現(xiàn)出來。學(xué)生通過這一流程的操作，可以深入地理解傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能影響參數(shù)以及輸出信號特征，從而將理論知識和實踐操作真正結(jié)合，獲得對傳感器特性的感性認知。

傳感器的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換涉及交直流電橋、差動放大、差動整流、調(diào)幅調(diào)頻、相敏檢波、運算放大、電荷放大、電壓放大、脈沖寬度調(diào)制等多種典型電路。在NIMultisim仿真軟件中內(nèi)置了大量的電子元器件和虛擬儀表資源，學(xué)生可以根據(jù)傳感器信號的測量要求，交互式地設(shè)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(shù)據(jù)、波形和特性曲線并執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析[5]。學(xué)生還可以在電路的主要節(jié)點設(shè)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(huán)節(jié)。這樣學(xué)生就可以把所學(xué)的理論知識靈活地應(yīng)用到電路設(shè)計中，并通過自己的實踐分析電路的特征和規(guī)律，進而進行設(shè)計優(yōu)化，而不僅僅停留在傳統(tǒng)實驗的驗證模式上，有助于創(chuàng)新性應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

在面對復(fù)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(jié)合的聯(lián)合仿真，通過構(gòu)建貼近工程應(yīng)用實際的實體模型和真實系統(tǒng)來完成設(shè)計性和綜合性的實驗，增強學(xué)生對工程問題的分析能力和解決能力，真正達到應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目的。

三、虛實結(jié)合的實驗教學(xué)過程

實驗教學(xué)模式改革的目標是根據(jù)“虛實結(jié)合、以虛促實”的原則，遵循“學(xué)生中心、項目導(dǎo)向、工程意識、創(chuàng)新實踐”的實驗教學(xué)理念，重在培養(yǎng)學(xué)生在傳感與檢測系統(tǒng)的綜合設(shè)計、安裝操作、運行維護以及故障分析等方面的工程技術(shù)能力。指導(dǎo)教師具體的教學(xué)過程如下。

（一）基本原理講授

在日常課程的講授環(huán)節(jié)，結(jié)合相關(guān)實驗的知識點，重點就各類型傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及檢測系統(tǒng)等關(guān)鍵知識點展開理論講解。講解時以項目為導(dǎo)向，完全結(jié)合實驗環(huán)境所設(shè)置的工程案例背景，為學(xué)生順利完成實驗打好扎實的理論基礎(chǔ)。

（二）實驗預(yù)習(xí)指導(dǎo)

在實驗開始前，引導(dǎo)學(xué)生認真預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書和工程技術(shù)規(guī)范要求，熟悉實驗背景、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗方法和實驗步驟，并引導(dǎo)學(xué)生自我探究，完成初步的傳感器選型、電路設(shè)計和系統(tǒng)組建，形成初步的技術(shù)方案。

（三）實驗過程指導(dǎo)

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

（四）實驗結(jié)果評價

實驗完成后，學(xué)生可將實驗過程和結(jié)果總結(jié)成實驗報告，并將成果在班級范圍內(nèi)進行演示匯報。全體學(xué)生和指導(dǎo)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(xué)生完成實驗后，結(jié)合實驗的完成情況，對學(xué)生提出的問題答疑解惑，使學(xué)生在經(jīng)過充分實踐體驗后，能真正理解問題本質(zhì)，提高工程實踐應(yīng)用能力。同時接受學(xué)生對實驗對象、實驗系統(tǒng)、實驗內(nèi)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(jié)合的實驗學(xué)習(xí)過程

學(xué)生在進行虛實結(jié)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(yīng)用各類實驗方法。

（一）觀察法

學(xué)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(tǒng)構(gòu)成和元件結(jié)構(gòu)，了解其功能，獲得感性認知;學(xué)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(tài)特性。

（二）比較法

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

（三）控制變量法

學(xué)生在進行虛擬仿真實驗時，可控制傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、激勵源參數(shù)、測量電路參數(shù)等，形成多變量組合，從而真正理解影響傳感檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

（四）歸納法

學(xué)生在進行多變量組合實驗時，對各參數(shù)組合下的特征值歸納成數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，進行系統(tǒng)的分析，掌握其規(guī)律和趨勢。

（五）逆向思維法

學(xué)生首先根據(jù)工程應(yīng)用的要求設(shè)定檢測系統(tǒng)應(yīng)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(xué)模式的創(chuàng)新

（一）實驗方案的創(chuàng)新

現(xiàn)有的實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)封閉、功能單一，可拓展性不強，且不具備設(shè)計性和綜合性的實驗功能。新的實驗教學(xué)模式通過構(gòu)建傳感器和檢測系統(tǒng)的虛實仿真環(huán)境，充分將電類學(xué)科的專業(yè)知識和信息化、數(shù)字化的先進技術(shù)相融合，采用自主構(gòu)建加交互式操作的方式，使學(xué)生能夠針對工程實際案例，分析問題、設(shè)計方案、搭建系統(tǒng)、操作運行、驗證結(jié)果，完成解決工程問題的全流程系統(tǒng)化訓(xùn)練。

（二）教學(xué)方法創(chuàng)新

新的實驗教學(xué)模式以解決實際工程問題為導(dǎo)向，充分體現(xiàn)了設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)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(xué)方法。通過模擬工程的場景構(gòu)建，使學(xué)生在虛擬的實驗環(huán)境中進行實景體驗;按照工程問題的解決步驟，引導(dǎo)學(xué)生層層探究，獲取正確解決方案;學(xué)生可進行實時的建模、運行、優(yōu)化和結(jié)果分析;實驗所有參數(shù)和問題點設(shè)置均來自工程實際案例，具備極強的實踐性;指導(dǎo)教師可在實驗中和實驗后進行及時評價，引導(dǎo)學(xué)生反思、糾錯和提高。

（三）評價體系創(chuàng)新

新的實驗教學(xué)模式建立過程與結(jié)果相結(jié)合、主觀與客觀相結(jié)合、理論分析和實踐操作相結(jié)合的綜合評價體系。在實驗過程中，指導(dǎo)教師可實時介入進行錯誤提示和記錄評價，幫助學(xué)生進入正確的技術(shù)路線;評價體系既有根據(jù)既定參數(shù)指標進行校核做出的客觀評價，又有由教師或?qū)W生根據(jù)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(jié)合問題點的理論設(shè)計和分析以及形成解決方案的過程。（2）結(jié)合具體元器件的實踐操作、數(shù)據(jù)測量以及結(jié)果驗證的過程。

六、新型實驗教學(xué)模式的成效

（一）“以虛補實”拓展實驗廣度

以虛擬的實驗環(huán)境為學(xué)生提供真實、豐富的系統(tǒng)實景認知和操作體驗，解決了現(xiàn)有實驗室設(shè)備不足、實驗環(huán)境缺乏等關(guān)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(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)有著獨特優(yōu)勢。同時，還可將虛擬實驗教學(xué)延伸為泛在化的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，突破了傳統(tǒng)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(shè)計性實驗難以開展的不足，學(xué)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(chǔ)上進行整個檢測系統(tǒng)的構(gòu)建，并根據(jù)仿真結(jié)果驗證設(shè)計思路正確與否，從而進一步優(yōu)化，直至達到符合工程應(yīng)用的要求。可以說完全打通了課程實驗和實踐應(yīng)用的通道，將實驗的內(nèi)涵進行了縱深的拓展。

（三）“虛實結(jié)合”提升實驗效果

以項目為導(dǎo)向，以應(yīng)用為主線，通過虛擬實驗和實體實驗的充分結(jié)合，將傳感與檢測的理論知識充分融入實驗過程中，讓學(xué)生在項目設(shè)計、工程實操、現(xiàn)象分析、交互練習(xí)的實驗過程中，系統(tǒng)掌握基本原理、設(shè)計方法、元件特性、操作規(guī)范等方面的知識，顯著提升了實驗教學(xué)的效果。

七、結(jié)語

針對傳感器與檢測技術(shù)課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式所存在的實驗時間不足、實驗設(shè)備封閉、實驗環(huán)境受限、與工程應(yīng)用和新技術(shù)發(fā)展脫節(jié)等一系列問題，將虛擬仿真技術(shù)導(dǎo)入課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了虛實結(jié)合的新型實驗教學(xué)模式。在新的實驗?zāi)Ｊ较?，學(xué)生能夠直接面對工程應(yīng)用的實際需求，將所學(xué)理論知識充分應(yīng)用到從元器件選型、特性分析、測量電路設(shè)計、測試系統(tǒng)搭建以及解決方案迭代優(yōu)化的全流程中，完全打通了理論和實踐之間的通道。在“學(xué)生中心、項目導(dǎo)向、工程意識、創(chuàng)新實踐”的實驗教學(xué)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(xué)的效果，增強了學(xué)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(wù)國家經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的創(chuàng)新型應(yīng)用人才奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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◎編輯 馬燕萍