“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬實驗教學(xué)平臺建設(shè)

張朝龍，董甲東，江善和，張詩霞，王 實，路 健

（1.安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院，安徽安慶246133；2.武漢麥思威科技有限公司，湖北武漢430070；3.國網(wǎng)合肥供電公司，安徽合肥230022）

傳感器是智能制造的基礎(chǔ)，屬于智能制造過程的感應(yīng)部分，具有信號感知和測量的作用[1]。“傳感器與檢測技術(shù)”是學(xué)生掌握現(xiàn)代檢測儀器儀表應(yīng)用和自動測控系統(tǒng)開發(fā)的必需課程，是自動化、電信、測控、光電、機電和應(yīng)用物理等相關(guān)專業(yè)的主干課程[2-3]，具有實踐性強的特點。因此，在培養(yǎng)信息類和工程類學(xué)生動手能力的過程中，加強傳感器實驗室的建設(shè)非常必要[4]。然而，受實驗條件的限制，傳感器實驗室未包含所有常用傳感器的產(chǎn)品說明、零件展示、裝配演示和實驗測試實驗，教學(xué)內(nèi)容因受教學(xué)學(xué)時的限制也顯得非常有限。尤其是，2020年初受新冠疫情的影響，各高校學(xué)生絕大多數(shù)無法返校，這導(dǎo)致理工科大學(xué)生的實驗普遍無法順利開展。為解決這些問題，很多高校開展了線上虛擬仿真實驗。虛擬仿真是指利用計算機的三維軟件生成動態(tài)實景，對第三方系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過程和行為進行動態(tài)、逼真的模仿[5-6]。教育部在《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》中提出可以通過建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目調(diào)動學(xué)生參與實驗的積極性和主動性[7-8]。教育部應(yīng)對新型冠狀病毒肺炎疫情工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室在《關(guān)于在疫情期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》提出“停課不停教、停課不停學(xué)”，要求最大限度保障實驗教學(xué)質(zhì)量，在學(xué)生不能返校學(xué)習(xí)的情況下，充分利用網(wǎng)絡(luò)等資源，積極開展虛擬仿真實驗教學(xué)活動?；诖怂悸罚ㄔO(shè)“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬實驗教學(xué)平臺，可通過計算機設(shè)備模擬真實世界中的傳感器及其檢測過程，讓學(xué)生完成產(chǎn)品說明、零件展示、裝配演示和實驗測試的虛擬仿真實驗，引導(dǎo)學(xué)生在家中完成高質(zhì)量的“傳感器與檢測技術(shù)”實驗學(xué)習(xí)。因此，傳感器虛擬仿真實驗室的建設(shè)有利于彌補實際實驗室的不足，完成傳感器實驗室中無法完成的實驗項目和實驗操作。

在安慶師范大學(xué)教務(wù)處、電子工程與智能制造學(xué)院、武漢麥思威科技公司和國網(wǎng)合肥供電公司的支持下，我們初步設(shè)計了“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬仿真軟件，建設(shè)了“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬實驗教學(xué)平臺，開展了“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬仿真實驗教學(xué)，主要實驗內(nèi)容為光敏電阻傳感器的虛擬仿真，遵循虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的教學(xué)理念，有效提高“傳感器與檢測技術(shù)”實驗教學(xué)的效果和質(zhì)量?！皞鞲衅髋c檢測技術(shù)”虛擬實驗教學(xué)平臺具體建設(shè)方案闡述如下。

1 “傳感器與檢測技術(shù)”虛擬實驗教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)

應(yīng)用HTML語言進行“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬實驗教學(xué)網(wǎng)站網(wǎng)頁設(shè)計與制作，裝載各種文檔對象模型（Document Object Model，DOM）元素，應(yīng)用CSS裝飾網(wǎng)站DOM元素，并通過JavaScript連接HTML和后臺服務(wù)器，控制DOM元素。開發(fā)環(huán)境為VS2010，網(wǎng)站后端編程語言為C#，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008，主要用于管理員、老師、學(xué)生和guest等用戶的信息管理。網(wǎng)站服務(wù)器采用安慶師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心提供的雙核服務(wù)器，配合公網(wǎng)IP地址，通過校園DNS服務(wù)器映射為校園域名，從而對外提供網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)。

“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬實驗教學(xué)網(wǎng)站主要功能為實驗仿真，同時具備實驗仿真配套的用戶管理、權(quán)限管理、信息公告、課程管理、成績管理。設(shè)定了3種登錄方式：“老師登錄”、“學(xué)生登錄”和外部guest登錄，如圖1所示。本著虛擬仿真教學(xué)項目對社會開放的原則，本虛擬實驗教學(xué)網(wǎng)站開放了guest賬戶，并在登錄頁面下方提示。

圖1 登錄界面

2 “傳感器與檢測技術(shù)”虛擬仿真軟件開發(fā)

仿真端的開發(fā)包括了C#和Unity3D，其中C#是本傳感器仿真軟件的基本編程語言，而Unity3D為本傳感器仿真軟件開發(fā)環(huán)境。此外，還使用了3DMAX用于仿真模型建立與渲染處理。在具體的模塊設(shè)計上，本著能實不虛的建設(shè)原則，初步確定建設(shè)“傳感器與檢測技術(shù)”課程相關(guān)的實驗?zāi)K5個，包括光敏電阻、光電二極管、光電三極管、硅光電池和光電倍增管等，其中光電二極管又包括PIN光電二極管、APD光電二極管和色敏光電二極管3種類型，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真的傳感器類型

3 虛擬仿真實驗過程展示

開發(fā)的傳感器虛擬仿真實驗包括4個部分：產(chǎn)品說明、零件展示、裝配演示和實驗測試。在此，以“光敏電阻傳感器”為例展示基于虛擬仿真技術(shù)的“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬仿真實驗的過程和實施效果。

學(xué)生首先通過圖1的登錄界面登錄，打開仿真軟件主界面，主要功能分為“元器件仿真”、“實驗仿真”、“訓(xùn)練仿真”等3部分。學(xué)生可先選擇“元器件仿真”中“結(jié)構(gòu)仿真”功能，如圖3所示，界面左側(cè)為器件介紹說明，中間為器件結(jié)構(gòu)仿真顯示區(qū)域。點擊拆解圖標，器件可被自動拆解成圖4所示的界面，學(xué)生可通過這個操作了解“光敏電阻傳感器”的結(jié)構(gòu)。

圖3 光敏電阻展示界面

圖4 器件自動拆解界面

“元器件仿真”中有“原理仿真”，學(xué)生可選擇光敏電阻傳感器，調(diào)節(jié)光強，學(xué)習(xí)其工作原理，觀察其工作特性，如圖5所示。學(xué)生可點擊“運行仿真”，選擇“光敏電阻傳感器”，左鍵點擊器件或儀表，將所選擇的器件拖拉到實驗平臺上，開展光敏電阻傳感器的特性實驗，如圖6所示。學(xué)生可在軟件主界面上點擊“應(yīng)用實驗”，選擇“光敏電阻型開關(guān)”，調(diào)整光強，如圖7所示。

圖5 器件工作原理

圖6 光敏電阻特性實驗界面

圖7 光敏電阻型開關(guān)調(diào)整光強應(yīng)用實驗

學(xué)生實驗操作結(jié)束后，教師檢查實驗結(jié)果，給出實驗評分。在此實驗過程中，學(xué)生完成了光敏電阻展示、器件自動拆解、器件工作原理、“暗電阻”的連接演示、光敏電阻特性實驗和光敏電阻型開關(guān)調(diào)整光強應(yīng)用實驗，對光敏電阻的結(jié)構(gòu)、檢測原理和應(yīng)用電路均完成了虛擬仿真實驗，對光敏電阻傳感器的領(lǐng)悟更加透徹。教師也可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和完成情況，實驗效果遠勝于學(xué)生在傳感器實驗室完成1～2個光敏電阻的真實實驗。

4 總結(jié)

將虛擬仿真技術(shù)引入“傳感器與檢測技術(shù)”的實驗教學(xué)，符合當前教育部推進國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的相關(guān)文件精神，也符合疫情期間普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見。本“傳感器與檢測技術(shù)”虛擬仿真實驗室在建設(shè)完成之后，首先將應(yīng)用于本校電子工程與智能制造學(xué)院的自動化、電子信息科學(xué)與技術(shù)、光電信息科學(xué)與工程、通信工程、機械制造及其自動化等專業(yè)的實驗教學(xué)，隨后推廣至其他學(xué)院的工科專業(yè)，通過互動交流實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)化、完善和升級，以高質(zhì)量的虛擬仿真實驗教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量的提升和變軌超車。