基于虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用類高校教改研究與實(shí)踐

楊釗 吳睿 王琰琳

摘要：當(dāng)今大學(xué)，“教改”已成為一項(xiàng)日常教學(xué)工作。本次將虛擬仿真技術(shù)引入課程教學(xué)，改革對象為檢測類課程。檢測類課程因綜合性較強(qiáng)，融合了機(jī)械學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等多門學(xué)科，在傳統(tǒng)的教學(xué)中存在知識點(diǎn)較多、易混淆等問題。為保證課程更好的開展，本次教學(xué)采用虛擬仿真，從傳感器結(jié)構(gòu)、原理到轉(zhuǎn)換電路，以3d模型的形式展現(xiàn)在學(xué)生眼前，并可模擬實(shí)際模塊進(jìn)行操作。以此方法提高學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握度，增長了學(xué)生的自信以及對本門課的興趣，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革;虛擬仿真;檢測

一、引言

目前，我校檢測學(xué)的教學(xué)主要以傳感器為主，著重講解各傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、相應(yīng)的測量及檢測電路、傳感器在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，使學(xué)生掌握傳感器的使用方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基本技能。

分析檢測學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)存在以下幾個主要問題：

（1）由于涉及到的傳感器種類較多，學(xué)生易混淆，經(jīng)常出現(xiàn)“將A傳感器的工作原理套到B傳感器上”這樣的現(xiàn)象;

（2）在傳感器的學(xué)習(xí)中，轉(zhuǎn)換電路是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。做傳感器實(shí)驗(yàn)時，需涉及到電路接線。而檢測類課程面向?qū)ο蟊容^廣泛，既有電氣工程及其自動化這樣偏電類的專業(yè)，也有物聯(lián)網(wǎng)工程這樣的非電類專業(yè)。對于非電類專業(yè)的學(xué)生，電路接線是有難度的，很容易造成元器件的損壞;

（3）在筆試過程中基本考的是學(xué)生對課本上理論知識的記憶程度，為了提高應(yīng)試能力，學(xué)生通常把重點(diǎn)放在對課本的刻板記憶上，忽視了設(shè)計(jì)能力。

二、改革方案

（一）引入傳感器仿真軟件

針對不同傳感器之間易混淆，不容易記憶的問題，本次改革引入了傳感器仿真軟件，該軟件可使學(xué)生直觀的看到傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)械組成，區(qū)分開不同傳感器之間的差異。以壓電傳感器為例，使用壓電傳感器進(jìn)行加速度測量屬于傳感器類教學(xué)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的理論教學(xué)中，該內(nèi)容主要通過原理圖及實(shí)物圖講解，如圖1、圖2所示，學(xué)生只能通過原理圖與實(shí)物圖的對比，對該傳感器進(jìn)行學(xué)習(xí)。由于傳感器內(nèi)的元器件都已安裝好，學(xué)生沒辦法直觀的對部件進(jìn)行觀察，而實(shí)物是沒辦法拆卸的，所以學(xué)生不能精確的了解到傳感器的內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)。引入虛擬傳感器仿真軟件后，可對傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解講解，如圖3（b）所示，可清晰的看到加速度傳感器內(nèi)部有壓電陶瓷、質(zhì)量塊等元器件，這些元器件的具體安裝過程也可以用軟件模擬，如圖3（c）所示。通過這樣的教學(xué)方式，學(xué)生可以清清楚楚的看到、感受到壓電加速度式傳感器是怎樣的，加深了學(xué)生對傳感器的印象，不再會因?yàn)橛∠竽：煜煌愋偷膫鞲衅鳌?/p>

（二）引入虛擬模塊接線軟件

完整的檢測系統(tǒng)中，傳感器輸出的信號需要通過轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，轉(zhuǎn)換電路接線對于非電類的學(xué)生，是個非常大的問題。為此，本次改革引入了虛擬模塊接線軟件。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師對接線的講解通常是先講解電路圖，然后進(jìn)行實(shí)物接線演示，然后由學(xué)生自行進(jìn)行實(shí)物接線實(shí)驗(yàn)。學(xué)生如果電路基礎(chǔ)不好或者對該次實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)換電路不熟悉，很容易出現(xiàn)接線錯誤，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不成功、看不到實(shí)驗(yàn)效果、元器件燒壞甚至更嚴(yán)重的問題。引入虛擬模塊接線軟件，教師講解電路圖、演示實(shí)物接線之后，可以讓學(xué)生先在軟件上完成模擬接線，當(dāng)模擬接線沒問題后再進(jìn)行實(shí)際電路接線。以單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)電路圖如圖4所示，接線較復(fù)雜。引入虛擬接線軟件之前，學(xué)生接線錯誤率較高，出現(xiàn)過多次電路元器件燒壞的情況。引入虛擬接線軟件之后，教師要求學(xué)生先在軟件上完成接線，如圖5所示。學(xué)生軟件模擬接線成功后，再在實(shí)際模塊上接線，如圖6所示。由于軟件界面相對實(shí)物模塊更清晰，軟件模擬接線后，學(xué)生已經(jīng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)了電路的結(jié)構(gòu)，了解了電路的原理，所以在實(shí)際模塊接線時，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率大大上升。該方式有效保護(hù)了學(xué)生的安全，降低了實(shí)驗(yàn)器材的損壞，實(shí)驗(yàn)效果非常好。

除實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，本次改革在考核過程中也采用了該軟件。由于檢測學(xué)課程綜合性較強(qiáng)，融合了機(jī)械學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等多門學(xué)科，涉及到的理論知識較多，所以通常該課程的教學(xué)與考試都偏理論，而忽略了實(shí)踐的重要性。針對此問題，改革中將實(shí)踐部分引入考核。由于該課程涉及到的傳感器種類繁多，如電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、磁電式傳感器等，實(shí)物考核對硬件設(shè)備要求較多、較高，難以達(dá)到理想效果。本次改革通過使用虛擬模塊接線軟件來幫助完成實(shí)物考核部分，降低了對硬件設(shè)備的要求，達(dá)到理論與實(shí)際結(jié)合的考核效果。

（三）使用虛擬儀器完成檢測系統(tǒng)整體模擬

傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)教學(xué)注重傳感器的原理學(xué)習(xí)，而忽視了完整的檢測系統(tǒng)的原理和運(yùn)用。本次改革借助實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，將虛擬儀器（LabVIEW）的學(xué)習(xí)引入到檢測系統(tǒng)中。虛擬儀器能夠采集數(shù)據(jù)，并提供經(jīng)信號調(diào)理（包括：信號轉(zhuǎn)換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、信號處理后，進(jìn)行仿真顯示、輸出，如圖7所示。使學(xué)生不再單單只學(xué)習(xí)傳感器，而是在虛擬仿真的基礎(chǔ)上，對檢測的整個流程進(jìn)行系統(tǒng)掌握。

三、改革成效

本學(xué)期，將虛擬仿真技術(shù)引入檢測類課程教學(xué)后，得到了較好的效果。以我校自動化專業(yè)為例，引入虛擬仿真技術(shù)之后，實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到了百分之百，有效的增長了學(xué)生的自信以及對本門課的興趣，學(xué)生的到課率也提高了很多。全年級100多名同學(xué)學(xué)期末的考核成績較往年有了明顯提高。

四、結(jié)語

本次教學(xué)改革取得了一定的成效，可以看出，將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)，能實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。本次改革依然存在不足，如以本校目前的教學(xué)條件無法完成檢測系統(tǒng)的整體性教學(xué)，只能進(jìn)行分模塊式的教學(xué)。筆者將繼續(xù)探索，努力通過引入仿真儀器，完成整個檢測系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)連貫教學(xué)，實(shí)現(xiàn)真正的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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基金項(xiàng)目：

本文系安徽省教育廳教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于虛擬仿真技術(shù)的《檢測與轉(zhuǎn)換》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（2021jyxm0632）;

安徽省教育廳教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“一流課程（教學(xué)方法改革示范課程）PLC及應(yīng)用”（2020jgkcx01）;安徽新華學(xué)院教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于虛擬仿真技術(shù)的《檢測與轉(zhuǎn)換》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（2020jy017）;

安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目“基于光纖Bragg光柵的多探多融型傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)研究”（KJ2019A0870）;安徽新華學(xué)院校級質(zhì)量工程項(xiàng)目“自動檢測實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心”（2018sysxx02）階段性成果之一。

作者簡介：

楊釗（1986.03），女，白族，云南大理人，工學(xué)碩士，副教授，研究方向：新型傳感器研究，工作單位：安徽新華學(xué)院;

吳睿（1985.02），男，漢族，安徽舒城人，工學(xué)碩士，副教授，研究方向：儀器儀表，工作單位：安徽新華學(xué)院;

王琰琳（1988.07），女，漢族，安徽淮南人，工學(xué)碩士，副教授，研究方向：PLC控制技術(shù)，工作單位：安徽新華學(xué)院。