传感器原理虚拟实验预习教学系统的开发

常 静， 范福玲， 张 朋， 杨 益

(中原工学院 电子信息学院，河南 郑州 450007)

传感器原理虚拟实验预习教学系统的开发

常 静， 范福玲， 张 朋， 杨 益

(中原工学院 电子信息学院，河南 郑州 450007)

用Visual Basic 6.0系统开发了传感器原理虚拟实验预习教学系统.该系统采用图形用户界面、下拉菜单和对话框驱动，通过下拉菜单进行实验步骤的操作、参数设置等，通过对话窗口选择实验项目、查看实验原理、电路结构，在窗口实时显示采集数据、描绘曲线、计算非线性误差.虚拟仿真实验将真实实验用图形显示出来，有利于学生对传感器的原理和特性的理解和掌握，激发了学生的学习积极性，提高了实验教学效果.

传感器原理；虚拟技术；预习教学系统；VB；实验教学

0 引言

实验课程是高等院校理工科学生重要的教学环节，实验教学对学生分析问题、解决问题能力的培养至关重要.传感器原理课程是测控技术与仪器、自动化、机械电子等电类专业的专业基础核心课程之一.传感器原理课程是研究各类不同传感器的原理、基本结构、特性及其应用，使学生初步掌握检测和转换技术的理论基础，为后续专业课程起着重要作用.该课程重视实践环节，其实验内容占总学时量的三分之一.

在现阶段,传统的传感器实验教学过程中存在诸多问题：一方面，由于现在学生人数多，实验设备有限，实验指导老师有限，实验教学资源严重不足；另一方面，在进入实验室之前,学生常常花费很长时间看实验指导书，了解实验仪器和实验过程，很难与实际操作过程联系起来，导致很多学生把实验预习过程作为一种负担，实验教学效果很不理想.为了能提高学生实验预习的兴趣，笔者开发了传感器原理实验预习教学系统,可以使学生在实验之前，达到充分预习的目的.

1 设计思想

近年来虚拟实验教学系统的建设得到了高度重视.虚拟实验平台模拟了真实实验台，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器进行实验.采用虚拟实验教学系统，可以突破时间、地点和设备数量的限制.该虚拟实验预习教学系统是一种运用虚拟仿真技术，模拟真实实验的计算机教学系统.虚拟实验教学系统包括实验相关知识的学习、实验操作过程的指导、实验数据的记录、实验数据的处理等.

该系统运用Visual Basic软件构建“传感器原理虚拟实验教学预习系统”.VB采用了面向对象的程序设计思想，它的基本思路是把复杂的程序设计问题分解为一个个能够完成独立功能的相对简单的对象集合，所谓“对象”就是一个可操作的实体，如窗体、窗体中的命令按钮、标签、文本框等.程序员可根据程序和界面设计要求，直接在屏幕上“画”出窗口、菜单、按钮等不同类型的对象，并为每个对象设置属性.具有丰富的表现力和强大的交互性.VB的核心是对对象的链接与嵌入技术的支持，它是访问所有对象的一种方法.利用该技术，能够开发集声音、图像、动画、字处理等对象于一体的程序，使系统显得更切合实际实验.

该系统既不同于以往的原理电路仿真，又不同于一般多媒体软件对于实验现象的模拟演示，而是让学生在逼真的仿真“虚拟场景”中，利用各种“虚拟元件、仪器仪表”，通过鼠标的点击、拖动等操作,任意搭接电路，并即时得到仿真结果[1]，学生可以在计算机上自主进行实验，并自动记录实验过程和结果.其操作效果犹如身临实验现场.

2 虚拟预习实验系统的设计方案

根据专业培养计划的特点，对实验内容和教学任务做系统深入的研究，结合传感器原理课程实验的特点，划分知识点，并充分考虑学生的学习特点，在此基础上确定实验内容.笔者确定了课程中具有代表性的10个实验进行虚拟仿真.这些实验归结了课堂所讲授的常用传感器的特性和应用.对于各单元内容分别设计若干典型的实验题目，并提供一个开放的实验平台，也可以进行其他相关的一些设计和创新实验.除了考虑实验的主题外，还必须尽可能利用仿真效果提高实验的活泼性和趣味性，使学生在愉悦的氛围中掌握知识.

根据实验的要求,将每个虚拟实验的主要功能模块确定为:预备知识、实验原理、仿真实验平台和仿真实验结果及分析、数据存储(如图1)[2-5].预备知识充分利用仿真技术介绍与实验相关的知识，例如实验目的、注意事项以及实验中所用到的相关仪器的功能及使用方法等；实验原理详细介绍该实验的工作原理和电路连接原理等；仿真实验操作平台是一个虚拟的实验操作系统，虚拟了一个逼真的实验环境，元件及仪器都是以实物形式重现的，通过鼠标单击以及拖拽操作,就可以完成连线、调节仪器参数、移动仪器位置等,系统就会方便、快捷地给出与实验过程关联的实验数据处理结果；仿真实验结果及分析能自动记录实验数据，绘制各种图表，并对结果进行分析，最终完成实验.数据存储主要是对实验当中所测量的实验数据进行存储，方便查看和提交实验报告，使学生在强化理论学习、训练实际操作技能的同时，更形象化地掌握了所学的知识[6-8].

图1 虚拟实验教学系统结构Fig.1 Structure of virtual experiment teaching system

3 虚拟预习实验系统的建立

与传统实验一样，虚拟预习实验系统在设置实验时首先解决该实验是“做什么”的问题.这就要求设计人员不仅要对课程内容和教学任务做系统深入的研究，掌握课程的特点，划分知识点，并充分考虑学生的学习特点，在此基础上确定实验内容.除了考虑实验的主题外，还必须尽可能利用多媒体效果提高实验的活泼性和趣味性，使学生在愉悦的气氛中掌握知识.

实验系统采用面向对象的方式建立.为了使系统更加完善，面向对象的建立从以下3个方面对系统进行描述.

1)系统的组成部分.这部分是构成系统的实体，包括物理对象，即实验电路以及各种测量仪器等；数学对象，即产生实验结果的数据集、电路功能分析；人机界面对象，即虚拟实验平台，显示结果的电压、电流、波形及结果分析.在实际的设计当中，这些都是必须考虑的对象，要让使用者感觉就像在实验室做实验一样，特别是仪器一定要在系统中显示出来.

2)描述变量.该部分是系统各实体的属性，例如实验电路各组成部分的电气性能描述及其他仪器的取值范围.要根据实验要求来设定，如果不设定，可能就会出现一些不切实际的数据，出现错误的实验数据和结果，甚至使学生对知识点理解错误.

3)参数.也是系统属性，通过建立一个数据库，或者通过以往的实验数据总结一个公式进行编程实现.该属性不随仿真的进行而发生变化，包括取值范围及其作用，例如反映实验结果的电压、电流等由仿照真实的实验数据得出.这些参数的主要作用是让学生利用实验数据计算误差、温漂、线性度等来了解一些器件的特性.例如光敏电阻实验中，通过实验测量，其特性曲线绘制是抛物线形状的，说明其随光强的变化，电阻率呈非线性变化.

4 虚拟实验预习系统平台举例

该仿真实验系统是以发挥学生的主观能动性为主线开发的[9-10].首先是通过设置一些问题考查学生是否认真阅读了实验内容，题目答案不正确就无法进行下一步；其次，通过运用动画控件来向学生展示实验原理，使其更容易理解；再次是电路连接部分，结合真实的实验台图片，让学生自己动手去连接电路.电路连接不正确，无法继续操作下一步；最后学生通过自行计算实验结果和系统处理的结果进行对比，验证对本次实验预习的情况.下面通过以“电阻应变片单臂、半桥、全桥特性比较”实验为例，介绍虚拟实验预习教学系统.

4.1 实验系统基本结构

1)实验系统的组成部分.物理对象，实验电路以及各种测量仪器，如差动放大器、应变片等；数学对象，即产生实验结果的数据，如每改变一次螺旋测微器的距离所产生的电压值等；电路功能分析，需要明白每一部分电路所起到的作用；人机界面对象，即虚拟实验平台，通过电路接线的操作得出实验结果，利用表格的形式显示，对数据进行对比和分析，通过曲线更形象地理解数据的变化趋势，最终得出该传感器的基本特性.

2)实验系统的变量描述.实验电路各组成部分的应变片性能描述及其他仪器的取值范围的设定.例如，螺旋测微器的变化范围，设定在-2.0～2.5 mm之间.

3)参数.通过实验数据总结规律，并编程实现.但这种属性不随仿真的进行而发生变化，包括取值范围及其作用，为了更好地逼近实际实验，在设计中添加了一个随机值，使每次实验的结果基本都不一样，但都在误差允许范围内.

4.2 仿真实验操作平台

“仿真实验操作平台”采用VB制作了动画形式，虚拟了一个逼真的实验环境，如图2.与实际操作电路相对应，首先需要学生把应变片粘贴到位，将线路连接好，然后放上不同数量的砝码，如图3.单臂电桥会输出不同的电压，通过F/V表直接显示并记录下来，如图4.连接方式如图5，在每个节点进行编号，分别为a、b、c、d、e等和1、2、3、4、5等，只有相应的节点连接正确才能进入下一步，并且对于该实验，连接不同的电路可以进行三种不同的电桥实验.

图2 单臂应变电桥Fig.2 Single arm strain bridge

图3 放应变片提示窗口Fig.3 Prompt Window of putting strain gauge

图4 虚拟实验电路显示Fig.4 Display of virtual experiment circuit

图5 虚拟实验电路连接Fig.5 Connection of virtual experiment circuit

4.3 数据处理部分

通过设定不同的调节测微头下降距离，电压表可以出现不同的数值.下降距离是按照实验要求设定为0.5 mm，电压值依据和下降距离的关系设定,每一次测量的数据都记录在Excel表格里，方便读取和对比，如图6.

图6 虚拟实验数据测量 Fig.6 Measurement data of virtual experiment

特性曲线是依据上一步的实验数据自动生成的，可以体现出应变片的灵敏度、线性度等特性.特性曲线的生成，是根据上一步记录下来的实验数据绘制的，实验数据记录在Excel表格中，如图7所示.通过编程把实验数据读出来，然后将各个点描绘出来，最后描绘出特性曲线.如单臂电桥特性曲线实验：

先绘制正程电压：

Picture1.Scale (-2.1, 0.1)-(2.6, -0.1)

Picture1.PSet (X1, Y11), vbRed

Picture1.PSet (X1, Y12), vbRed

图7 虚拟实验数据记录图Fig.7 Data recording chart of virtual experiment

Picture1.PSet (X1, Y13), vbRed

然后绘制返程电压：

Picture1.PSet (X1, Z11), vbBlue

Picture1.PSet (X1, Z12), vbBlue

Picture1.PSet (X1, Z13), vbBlue

再绘制正程特性曲线：

For X1 = -2.1 To 2.6 Step 0.03

Y11 = X1 / 35

最后绘制返程特性曲线：

For X1 = 0 To 2.6 Step 0.03

Z11 = X1 / 43 + 0.015

Picture1.PSet (X1, Z11), vbBlue

Next X1

学生在实验结果里输入自己所计算出的误差、灵敏度等数据，如图8所示，并且系统会自动判断其计算是否正确.

图8 虚拟实验结果Fig.8 Results of virtual experiment

4.4 预习问题和思考部分

在进入下一个实验环节前，学生需要回答相关的问题，如果回答不对将不能继续进行实验，如图9.学生做完实验后，通过思考题来加深对实验的理解，学生的答案提交后，会同时记录在每个实验的数据表格里，方便老师核查,如图10.该环节设计对学生预习起到了一定的督促作用.

5 结论

本课程所有实验都以VB为载体的形式制作，并插入了Flash动画演示，通过超链接，增加了实验视频讲解，以动画的形式连接实验电路，保持了与实际仪器的特性相一致，有较好的真实感；系统建立在真实实验的反复研究与实践的基础之上，保证了内容的正确性、可操作性、可靠性；每个虚拟实验都包括预备知识、实验原理、实验操作、实验数据处理等功能，在使用过程中非常方便.

图9 虚拟实验问答Fig.9 Virtual experiment question and answer

图10 思考题设计Fig.10 Design of thinking guestions

虚拟实验预习教学系统的最终目标不是为了虚拟而虚拟,而是通过虚拟实验更快速有效地学习实验原理、掌握实验方法,提高学习效率和动手能力.以VB软件为基础，平台开发周期短，使用效率高，可扩展性强，成本低廉，是解决目前高校资源紧张问题的一种行之有效的途径.

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DevelopmentofVirtualExperimentPreviewTeachingSystemofSensorPrinciple

CHANG Jing， FAN Fuling， ZHANG Peng， YANG Yi
(SchoolofElectricandInformationEngineer,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007，China)

A Virtual experiment system of sensor principle was developed based on Visual Basic 6.0. The system was driven by Graphical User Interface, drop-down menu and dialog box. The operations of experimental procedure， parameter setting and so on were selected and input in dialogue windows. The processes of collecting data, drawing curve, calculating nonlinear error were displayed in windows simultaneously. Virtual experiment was expressed by graphics visually using virtual experiment, which is benefit for student to understand and master the principles and characteristics of sensors. The system can stimulate learning enthusiasm of the students and improve the experimental teaching effect.

sensor principle； virtual instrument technology； preview teaching system； VB； experiment teaching

2017-04-12

中原工学院教改项目(中工教〔2015〕27号)

常 静(1973—)，女，河南浚县人，中原工学院电子信息学院副教授，主要研究方向：网络化测控、虚拟仪器技术.

10.3969/j.issn.1007-0834.2017.02.006

TP391.1

：A

：1007-0834(2017)02-0020-05