虚实结合的传感器与检测技术实验教学模式研究

朱勇 李彦 林许胜

[摘           要]  传感器与检测技术是一门实践性很强的课程，而传统实验教学模式的弊端影响了实践教学的效果。将虚拟仿真技术导入课程实验教学环节，并对虚实结合的新型实验教学模式进行了应用探索。新的教学模式打破了时间和空间的限制，拓展了实验的广度和深度，使学生能够直接面对实际工程应用问题，展开创新设计、系统构建和结果验证，打通了理论知识和实践应用的通道。学生在解决实际工程问题的过程中，工程技术素养得到全面提升，为其成长为具备创新能力的应用型技术人才奠定了基础。

[关    键   词]  传感器;虚拟仿真; 检测系统;虚实结合

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2022）03-0079-03

当前国家经济建设的发展迫切需要大量具备创新能力的应用型技术人才，这也是大多数地方本科院校的人才培养目标。所谓应用型人才是指能将专业知识和技能应用于所从事的社会专业实践的一种专门的人才类型，实践能力是其最显著的标志特征。传感器与检测技术作为工科电类专业的核心课程之一，旨在培养学生在电子信息、智能制造、计算机应用、精密仪器和工业控制等众多领域中，具备生产过程中各种电量、非电量参量的检测（信息采集、变换、分析、处理）、显示、控制及系统的产品设计制造、科技开发、应用研究等方面的能力[1，2]。因此，该课程对实践能力的培养显得尤为重要，而实验教学正是提升实践应用能力的重要手段，因此本文对课程实验教学模式的改革进行了深入探讨。

一、现有实验教学模式的问题

传感器与检测技术涉及电工电子技术、传感器技术、光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密仪器技术等众多基础理论学科的交叉融合，同时传感器包括电阻式、电感式、电容式、压电式、磁敏式、热电式、光电式、辐射与波式、化学与生物式等多种类型，可以说理论杂散且对象群庞大。课程的具体培养目标为：（1）熟悉非电检测与测量方面的基本知识与基本方法。（2）掌握传感器的基本知识和基本理论，理解各种常用传感器的基本结构、工作原理、参数及工作特性。（3）掌握传感器的基本测量电路及其输入和输出特性。（4）认识传感器在各种测控电路中的重要作用。（5）能够根据测量要求正确地选择与使用各类传感器，并设计相应的测量系统。（6）能够对测量结果进行误差分析和数据处理。以上目标都要求达到理论与实践的高度统一，突出应用能力的培养，这对课程实验教学来说是很大的挑战，传统的教学模式呈现出一些弊端[3]。

1.在目前的人才培养方案中普遍压缩了各专业课程的总课时，导致更多地将时间分配到课堂理论教学环节，而学生实验时间显得不够充分。

2.目前实验室的仪器设备以实验箱的形式存在，其中集成了各种信号源、传感器、测量电路以及测量仪表，对学生来说是个黑盒子的结构，只能机械地根据实验指导书进行电路接线，很难将理论和实践结合在一起。

3.一些诸如汽车车速测量、有毒环境的气体检测等高代价和高风险的实验很难在实验室搭建实体环境。

4.目前实验室的实验项目只能局限于针对基础理论的验证性实验，而不能开展面向实际工程应用的设计性和综合性实验。

5.信息技术的发展日新月异，传感器技术也正向微型化、集成化、无线化、智能化和网络化方向发展，加之导入新兴科技的新型传感器不断出现，实验室的实验装置总是滞后于新技术的发展。

二、虚拟仿真实验技术的应用

虚拟仿真技术是伴随着计算机软硬件技术的发展而发展的，其以信息技术、系统技术、图形图像技术、数值计算技术以及各领域的专业理论为基础，以计算机为工具，通过建立仿真模型对实际的系统进行虚拟实验研究，从而给到人们正确的认知[4]。虚拟仿真技术通常可以分为对相应物理场进行分析的场的仿真以及对电路进行分析的路的仿真。传感器与检测技术课程内容从总体上来说可以分为传感器的工作原理以及转换电路的特性两大模块，因此虚拟仿真实验的导入也从这两方面进行探索。针对传感器的工作原理，由于其与传感器的实体结构密切相关，采用基于有限元技术的COMSOL Multiphysics软件进行多物理场的仿真;而对于传感信号的转换电路，则利用NIMultisim仿真软件进行电路的设计和搭建，输出测试结果。

各种类型的传感器由于基本工作原理的不同，可能涉及电磁学、结构力学、声学、热学、流体力学、化学等各领域的基础理论。学生可以利用COMSOL Multiphysics軟件在相应的物理场模块中建立等尺寸的传感器几何模型，定义各组成部件的材料属性，确定激励源参数和边界条件，然后将模型空间进行网格刨分，在细分单元中进行基于物理场规则的微分方程数值求解，最后将计算结果通过后处理以数据可视化的形式展现出来。学生通过这一流程的操作，可以深入地理解传感器的结构组成、工作原理、性能影响参数以及输出信号特征，从而将理论知识和实践操作真正结合，获得对传感器特性的感性认知。

传感器的信号调理和转换涉及交直流电桥、差动放大、差动整流、调幅调频、相敏检波、运算放大、电荷放大、电压放大、脉冲宽度调制等多种典型电路。在NIMultisim仿真软件中内置了大量的电子元器件和虚拟仪表资源，学生可以根据传感器信号的测量要求，交互式地设计和搭建电路原理图，并利用高效的仿真引擎模拟电路行为，以图像化的方式输出测量数据、波形和特性曲线并执行相应的数据分析[5]。学生还可以在电路的主要节点设置测量点，从而知晓信号从输入、变换，再到输出的整个流程环节。这样学生就可以把所学的理论知识灵活地应用到电路设计中，并通过自己的实践分析电路的特征和规律，进而进行设计优化，而不仅仅停留在传统实验的验证模式上，有助于创新性应用能力的培养。

在面对复杂的实际工程场景时，还可以进行多物理场的耦合仿真和场路结合的联合仿真，通过构建贴近工程应用实际的实体模型和真实系统来完成设计性和综合性的实验，增强学生对工程问题的分析能力和解决能力，真正达到应用型人才的培养目的。

三、虚实结合的实验教学过程

实验教学模式改革的目标是根据“虚实结合、以虚促实”的原则，遵循“学生中心、项目导向、工程意识、创新实践”的实验教学理念，重在培养学生在传感与检测系统的综合设计、安装操作、运行维护以及故障分析等方面的工程技术能力。指导教师具体的教学过程如下。

（一）基本原理讲授

在日常课程的讲授环节，结合相关实验的知识点，重点就各类型传感器的结构、工作原理和调理转换电路以及检测系统等关键知识点展开理论讲解。讲解时以项目为导向，完全结合实验环境所设置的工程案例背景，为学生顺利完成实验打好扎实的理论基础。

（二）实验预习指导

在实验开始前，引导学生认真预习实验指导书和工程技术规范要求，熟悉实验背景、实验目的、实验原理、实验方法和实验步骤，并引导学生自我探究，完成初步的传感器选型、电路设计和系统组建，形成初步的技术方案。

（三）实验过程指導

在实验进行过程中，完全以学生为中心，让学生沉浸于虚拟的实验环境中，按照工程应用的规律，层层探究，逐步分析，形成正确的元器件和系统解决方案，并对实验结果进行分析，进而提出并验证合理的改进措施。指导教师可在实验室现场或通过通讯工具与学生保持联系，为学生实时解决问题。

（四）实验结果评价

实验完成后，学生可将实验过程和结果总结成实验报告，并将成果在班级范围内进行演示汇报。全体学生和指导教师共同参与讨论和评价，并给出改进建议。

（五）实验反馈释疑

在学生完成实验后，结合实验的完成情况，对学生提出的问题答疑解惑，使学生在经过充分实践体验后，能真正理解问题本质，提高工程实践应用能力。同时接受学生对实验对象、实验系统、实验内容、操作方式等的意见反馈，以便今后的改进和完善。

四、虚实结合的实验学习过程

学生在进行虚实结合的实验过程中，建立解决工程问题的基本方法论体系，需要充分理解并灵活应用各类实验方法。

（一）观察法

学生进入仿真软件对传感器模型和电路元件进行选型，可观察具体系统构成和元件结构，了解其功能，获得感性认知;学生还可模拟用示波器对测量电路的电压和电流波形进行观测，分析其动态特性。

（二）比较法

学生对同一个测量参数对象可以选取不同类型的传感器，基于不同的工作原理构建测量体系，并对比分析测量结果的有效性;同时学生还可以在同一个测量体系中搭建不同的信号调理电路，对比分析测试系统的效率和测试结果的精度，从而获得最优的方案。

（三）控制变量法

学生在进行虚拟仿真实验时，可控制传感器结构尺寸、材料属性、激励源参数、测量电路参数等，形成多变量组合，从而真正理解影响传感检测系统的关键因素。

（四）归纳法

学生在进行多变量组合实验时，对各参数组合下的特征值归纳成数据统计表，进行系统的分析，掌握其规律和趋势。

（五）逆向思维法

学生首先根据工程应用的要求设定检测系统应该达到的目标值，然后再反向逆推需要采用的传感器型号和测量电路方案。

五、实验教学模式的创新

（一）实验方案的创新

现有的实验设备结构封闭、功能单一，可拓展性不强，且不具备设计性和综合性的实验功能。新的实验教学模式通过构建传感器和检测系统的虚实仿真环境，充分将电类学科的专业知识和信息化、数字化的先进技术相融合，采用自主构建加交互式操作的方式，使学生能够针对工程实际案例，分析问题、设计方案、搭建系统、操作运行、验证结果，完成解决工程问题的全流程系统化训练。

（二）教学方法创新

新的实验教学模式以解决实际工程问题为导向，充分体现了设计性、综合性和创新性的特点，融合了情景式、探究式、交互式、案例式和反思式等多种教学方法。通过模拟工程的场景构建，使学生在虚拟的实验环境中进行实景体验;按照工程问题的解决步骤，引导学生层层探究，获取正确解决方案;学生可进行实时的建模、运行、优化和结果分析;实验所有参数和问题点设置均来自工程实际案例，具备极强的实践性;指导教师可在实验中和实验后进行及时评价，引导学生反思、纠错和提高。

（三）评价体系创新

新的实验教学模式建立过程与结果相结合、主观与客观相结合、理论分析和实践操作相结合的综合评价体系。在实验过程中，指导教师可实时介入进行错误提示和记录评价，帮助学生进入正确的技术路线;评价体系既有根据既定参数指标进行校核做出的客观评价，又有由教师或学生根据解决方案的可靠性和完善性做出的主观评价;评价针对两个层面：（1）结合问题点的理论设计和分析以及形成解决方案的过程。（2）结合具体元器件的实践操作、数据测量以及结果验证的过程。

六、新型实验教学模式的成效

（一）“以虚补实”拓展实验广度

以虚拟的实验环境为学生提供真实、丰富的系统实景认知和操作体验，解决了现有实验室设备不足、实验环境缺乏等关键性难题，具有较强的操作性、真实性和互动性，对于电类专业技术人才的培养有着独特优势。同时，还可将虚拟实验教学延伸为泛在化的网络虚拟实验室，突破了传统实验的时空限制。

（二）“以虚促实”增强实验深度

弥补了以往综合性和设计性实验难以开展的不足，学生可针对具体的工程问题，分析项目需求和指标要求，对传感器等元器件进行选型，并研究其工作特性。在此基础上进行整个检测系统的构建，并根据仿真结果验证设计思路正确与否，从而进一步优化，直至达到符合工程应用的要求。可以说完全打通了课程实验和实践应用的通道，将实验的内涵进行了纵深的拓展。

（三）“虚实结合”提升实验效果

以项目为导向，以应用为主线，通过虚拟实验和实体实验的充分结合，将传感与检测的理论知识充分融入实验过程中，让学生在项目设计、工程实操、现象分析、交互练习的实验过程中，系统掌握基本原理、设计方法、元件特性、操作规范等方面的知识，显著提升了实验教学的效果。

七、结语

针对传感器与检测技术课程传统实验教学模式所存在的实验时间不足、实验设备封闭、实验环境受限、与工程应用和新技术发展脱节等一系列问题，将虚拟仿真技术导入课程的实验教学环节，构建了虚实结合的新型实验教学模式。在新的实验模式下，学生能够直接面对工程应用的实际需求，将所学理论知识充分应用到从元器件选型、特性分析、测量电路设计、测试系统搭建以及解决方案迭代优化的全流程中，完全打通了理论和实践之间的通道。在“学生中心、项目导向、工程意识、创新实践”的实验教学理念指引下，进一步拓展了实验的广度和深度，提升了实验教学的效果，增强了学生对实际工程问题的分析和解决能力，为其将来能够成长为服务国家经济建设发展的创新型应用人才奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]慕丽，王欣威，付晓云.《现代传感器技术及应用》课堂教学改革[J].装备制造技术，2020（12）：235-237.

[2]史道玲.基于“自主学习力”培养的混合式教学手段改革研究：以《无线传感器网络》课程为例[J].科技视界，2021（2）：14-15.

[3]李菲.传感器实验教学模式的探索与改革[J].中国现代教育装备，2014（1）：75-76.

[4]李晓芳，卢付强，时翔.虚拟仿真技术在物联网工程专业教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2021（39）：160-163.

[5]张总，刘哲，王春梅，等.基于虚实结合的传感器原理与应用教学研究与探索[J].仪器仪表用户，2021，28（4）：96-99，12.

◎编辑 马燕萍