PN结的微观世界3D教学软件设计与应用

程春雨， 马 驰， 商云晶， 吴振宇， 于双和， 娄 欢

（1.大连理工大学a.电子信息与电气工程学部；b.创新与创业学院，辽宁大连116024；2.大连通科应用技术有限公司，辽宁大连116025；3.中科创达软件股份有限公司，辽宁大连116023）

0 引 言

为了进一步贯彻落实《教育信息化2.0行动计划》文件精神，推进信息技术与教学深度融合，加强教学资源建设与应用，促进教学资源开放共享，提升教学质量和育人水平，推动教学改革与创新［1-3］，国内各高校都在积极推进教学与信息技术深度融合工作。在此过程中，涌现出了一大批优秀的虚拟仿真实验教学软件［4-5］，广泛应用于生物学、医学、建筑学、土木、船舶、海洋等专业领域。在电类实验教学中，电力系统、大型电机、大型控制系统等高成本、高能耗、时空跨度大、危险性强的虚拟仿真实验教学软件较为常见，而针对微观不可见等电子现象的虚拟仿真实验教学软件相对较少。基于教学需求，我校模拟电路教学组设计了PN

结的微观世界虚拟仿真实验教学软件。

1 设计背景

模拟电路是电类专业学生学习硬件电路设计的入门级专业基础课，具有很强的理论性、实践性和工程性，概念繁杂、晦涩难懂，常被学生戏称为“魔电”［6-8］。模拟电路入门阶段的学习是从半导体基础知识开始，从半导体原子外层结构、共价键、自由电子和空穴、P型半导体和N型半导体、内建电场、空间电荷区和耗尽层、反向漏电流等概念讲起，具有微观不可见、抽象晦涩等特点，入门学习难度较大。

为了帮助学生快速学习并掌握模拟电路入门知识，基于3D虚拟仿真技术，课程组设计开发了PN结的微观世界虚拟仿真实验教学软件，如图1所示。该软件应用于教学可提升学生学习兴趣，激发出学生的想象力和创造力，有助于培养学生具有发现问题、分析问题、解决问题的工程实践能力，提高教学效率，改善教学效果。

图1 软件主界面

2 实现方式

信息技术与教育教学深度融合的核心目标是增强学习者的学习体验［9-10］，通过新技术破解教育教学难题，改善学习效果，确保教学质量的提升。与传统的实验相比，虚拟仿真实验具有受众面广、学习便捷、无地域限制等优势［11-12］。虚拟仿真实验教学软件的推广和应用，能有效保障优质教学资源的传播与共享。

本着“以虚补实、能实不虚”的设计原则，秉承“以学生学习需求为中心”的设计理念［13］，课程组将学生在学习过程中所遇到的重点难点问题进行了归类整理，将复杂概念分解细化，将线下实体实验无法展现的内容设计成微观仿真模型，并以3D的形式动态呈现，如通过微观载流子运动规律揭示二极管的反向漏电流和三极管的放大原理等。

3D建模引擎是指能将现实中的物体抽象为多边形或者多种曲线等表现形式，经过大量计算，输出3D仿真模型算法的集合。通过3D建模引擎可以在虚拟世界中建立起一个“真实的世界”。3D仿真逼真度越高，教学效果越好。目前较为常用的3D建模引擎有3D Max、Unity3D等。在3D建模引擎和开发工具选择上，课程组进行了大量尝试。本虚拟仿真实验教学软件的设计主要采用了3D Max，它是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。课程组用3D Max设计的标准分立电子元器件模型、专用器件模型、电机内部结构组装模型等如图2所示。此外，设计还用到了二维动画设计软件Adobe Animate CC、视频处理软件Adobe Premiere Pro CC、图片处理软件Adobe Photoshop等开发工具。

图2 用3D Max设计的部分模型

PN结的微观世界虚拟仿真实验教学软件的程序框架、交互功能、资源整合等用的是LayaAir，所使用的编程语言主要是TypeScript和JavaScript。LayaAir是LayaBox旗下第二代HTML5引擎，性能优秀，现已成为HTML5行业公认的开发中大型游戏的首选引擎，除了支持2D3DVRAR、HTML5等开发外，该引擎还可应用于广告、营销、教育、医疗等众多领域。

3 内容设计

教学软件在完成在线教学任务的同时，更应注重教学内容的设计。虚拟仿真实验教学软件之所以能够快速发展，因其顺应了当代实验教学需求的同时还坚守了内容设计的质量标准，学生良好的学习体验背后蕴含着教师们对教学内容的精心设计。教学内容设计是虚拟仿真实验教学软件设计的重要环节，内容设计质量的高低将直接影响教学软件开发的成败和使用效果［14-15］。

在当代实验教学，尤其是疫情等特殊时期网络教学的驱动下，虚拟仿真实验教学软件得到了蓬勃发展，其中，电子类，尤其是针对微观电子现象的虚拟仿真实验教学软件相对较少。为了扎实模拟电路理论基础，弥补实验教学在电流、电场等微观实验内容上的不足，增强学生学习“魔电”的信心，课程组根据学生在学习过程中反馈的重点难点问题，设计了PN结的微观世界虚拟仿真实验教学软件。

载流子（多子和少子）、电流、电场等具有微观、抽象、不可见、实体实验难以呈现等特点。本软件借助于生动形象的3D微观模型，采用虚拟仿真技术，通过界面友好的交互操作，设计了原子外层结构微观模型，并将载流子移动过程可视化。通过分析载流子所受电场力及其运动规律，帮助学生动态分析、深层次学习内外电场的作用、载流子的运动规律、PN结的工作原理、二极管的单向导电性和反向漏电流、三极管的放大原理等。设计循序渐进、逐层深入的实验内容，加深学生对重点难点问题的理解。通过对载流子微观结构与微观现象抽象不可见问题的生动呈现（见图3），破解线下实体实验难以解决的教学难题，有效激发学生学习兴趣、想象力和创造力，培养学生自主学习的良好习惯，提高学习效率，改善教学效果。

图3 N型半导体学习界面

此外，课程组还将虚拟仿真教学内容与线下实体实验内容紧密结合，将面包板导电机制、搭接电路查错纠错实训、实验数据和波形分析等内容融入教学软件中。学生通过对微观结构和微观现象的学习，深刻理解并掌握二极管、三极管等元器件的工作原理后，可通过在线实训自主尝试、分析、验证元器件的使用方法，使学生更好地理论联系实际，实现与线下实体实验有效衔接，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的工程实践能力，为后续专业课程的学习和实践打下坚实的基础。本软件主要包含以下3大模块。

3.1 PN结的微观世界交互学习认知模块

PN结的微观世界交互学习认知模块主要包括：原子外层（价电子层）结构、共价键的形成、半导体材料的低导电性、自由电子和空穴的形成、N型半导体和P型半导体的定义、空间电荷区和耗尽层的形成、内建电场的建立、多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）和少数载流子（N区的空穴和P区的自由电子）所受电场力及其运动规律、PN结的形成、二极管的正向偏置和反向偏置、反向漏电流的产生、二极管（PN结）的单向导电性、晶体三极管的微观结构、外加单电源后晶体三极管微观模型中载流子的变化、外加双电源后晶体三极管微观模型中载流子的运动规律及其放大原理、晶体三极管偏置方式及其3种工作状态等内容，其中，晶体三极管放大原理如图4所示。

图4 晶体三极管放大原理学习界面

实验内容通过载流子的运动规律贯穿，比如关于二极管反向漏电流的产生，是因为二极管中除了因掺杂而产生的多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）外，还存在极少数的本征载流子（P区的自由电子和N区的空穴），即少数载流子。二极管反向偏置时，少数载流子被外加电源电场激发，反方向移动形成反向漏电流，因此，二极管反向偏置时有极小的反向漏电流存在。通常情况下，少数载流子的数量极少，二极管的反向漏电流也很小，可以忽略。但是，如果PN结中少数载流子的浓度大量增加，反向漏电流也会随少数载流子浓度的增加而快速增大，此类反向漏电流促成晶体三极管实现了放大作用。

实验设计了丰富多样的交互学习内容，例如在N型半导体材料和P型半导体材料的学习中，学生选中自由电子或者空穴，将看到自由电子或空穴如何在原子间移动；在二极管的学习中，学生在不使用限流电阻直接接通电源时，将看到二极管被烧毁的动画；在二极管、三极管的学习中，学生可以自己接入正向电压或反向电压，观察载流子和空间电荷区的变化等。

在实验过程中也穿插了大量的交互测试内容，例如学生在学习完N型和P型半导体后，能够根据情况自行判断P区和N区的位置；学习完二极管正向偏置和反向偏置原理后，能够掌握外接电压的接入方式；学习完三极管放大原理后，能够懂得判断基极、发射极、集电极的位置；学习完三极管的偏置方式后，能够根据BC结和BE结的偏置状态判断三极管所处的工作区域等。

3.2 面包板搭接电路查错纠错实训操作模块

面包板搭接电路查错纠错实训操作模块主要包括面包板及其导电机制简介、LED发光强度比较电路原理讲解、搭接电路查错纠错实训操作、发光二极管（LED）工作电流与发光强度关系测试分析等内容，具体操作界面如图5所示。

图5 面包板搭接电路查错纠错实训操作界面

面包板搭接电路查错纠错实训操作模块主要通过完成对实际搭错电路的查错纠错过程，训练学生掌握在面包板上搭接实验电路的原则、方法和技巧。共设计了8个交互实训内容。每一个交互实训内容有若干个错误点，正确找出错误点后会有对应的分析讲解；每次错误操作，也会有相应的错误操作提示。

面包板搭接电路查错纠错实训模块可以通过交互操作，反复练习，帮助学生熟练掌握面包板的导电机制、使用原则、方法和技巧等，可以大量节省线下实验时间，降低实验过程中错误操作次数，大幅度提高实验效率，改善教学效果。

3.3 三极管实用电路设计分析模块

晶体三极管单管电路静态工作点的设置是学习放大电路的基础和前提。开始学习时，学生弄不清静态工作点和动态放大之间的关系，会将电路设置在饱和区或者截止区却试图去测试电路的放大性能。

三极管实用电路设计分析模块将三极管单管电路静态工作点的设置及其工作状态与输入输出波形对应起来，通过改变电阻值来改变静态工作电压，同时，三极管所处工作区域会发生变化，输出波形也会随之变化，如图6所示。经过反复多次重复操作，学生可以熟练掌握晶体三极管单管电路静态工作电压与3种工作方式及输入输出波形的对应关系等，为后续复杂电路的学习和设计奠定基础。

图6 三极管实用电路设计分析界面

4 考核与评价

教学考核与教学评价应能全面反映学生对知识的理解和实验过程的诠释。改进评价方法，健全评价体系，全面考核学生学习成效，综合评价学习能力、实践能力和创新能力是虚拟仿真实验教学软件考核功能应重点考虑的问题。本虚拟仿真实验教学软件采用过程化、网络化、智能化“三位一体”的多元化教学评价模式，通过过程记录和加印水印的方式保证学生身份的真实性；通过交互操作和随机抽取考查内容等方式保障考核内容的真实性和客观性，以及评价的公平公正性；通过设计重复操作不计入考核成绩的智能运算方式保障学生不会忌惮重复多次学习，帮助学生扎实掌握所学技能；通过过程化、网络化、智能化的考核评价，培养学生不畏困难、积极进取、勇于探索的学习态度和科研精神。

5 结 语

PN结微观世界虚拟仿真实验教学软件具有生动形象、操作界面简单、微观细节表现生动、富有知识性和启发性、理论与实际结合紧密，可展现实体实验无法呈现的微观特性，不受时间和地点限制，鼓励多次重复操作，使用成本低，可拓展性强等优点，其教学应用提升了实验教学效率、水平和效果，提高了实验教学质量，解决了以下几个问题：

（1）通过线上教学的形式解决实验教学学时少、学生参与实践相对困难的问题。

（2）通过新颖、生动、形象的教学设计和3D动态模型调动学生参与实践的积极性，有助于改善学生主动参与实践的积极性不高、学习兴趣不能长期坚持等问题。

（3）本软件的教学应用保障了在有限的实验教学资源条件下吸引更多的学生主动参与到实践教学活动中，最大限度地提高了学生的受益面。

（4）本软件注重对实验过程的监督评测和考核管理，保障了学生身份的真实性、评价内容的完整性和客观性、考核结果的公平公正性，杜绝了部分学生不愿意独立完成实验，实验数据弄虚作假等问题。

PN结的微观世界虚拟仿真实验教学软件普适性强，适用于普通高等教育、中等专科院校、职业技术学校和科普教育中的电类、光电、物理等专业教学使用。其教学应用对我校相关课程建设和学科发展起到了一定的推动作用，得到了学生和同业专家的认可和高度好评，有着广泛的教学使用价值和推广前景。