基于虛擬仿真技術的應用類高校教改研究與實踐

楊釗 吳睿 王琰琳

摘要：當今大學，“教改”已成為一項日常教學工作。本次將虛擬仿真技術引入課程教學，改革對象為檢測類課程。檢測類課程因綜合性較強，融合了機械學、光學、電學等多門學科，在傳統的教學中存在知識點較多、易混淆等問題。為保證課程更好的開展，本次教學采用虛擬仿真，從傳感器結構、原理到轉換電路，以3d模型的形式展現在學生眼前，并可模擬實際模塊進行操作。以此方法提高學生對知識點的掌握度，增長了學生的自信以及對本門課的興趣，達到良好的教學效果。

關鍵詞：教學改革;虛擬仿真;檢測

一、引言

目前，我校檢測學的教學主要以傳感器為主，著重講解各傳感器的工作原理、基本結構、相應的測量及檢測電路、傳感器在各個領域中的應用，使學生掌握傳感器的使用方法和設計要點的基本技能。

分析檢測學的教學現狀，可以發現存在以下幾個主要問題：

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

（2）在傳感器的學習中，轉換電路是一個不可或缺的環節。做傳感器實驗時，需涉及到電路接線。而檢測類課程面向對象比較廣泛，既有電氣工程及其自動化這樣偏電類的專業，也有物聯網工程這樣的非電類專業。對于非電類專業的學生，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生對課本上理論知識的記憶程度，為了提高應試能力，學生通常把重點放在對課本的刻板記憶上，忽視了設計能力。

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，該軟件可使學生直觀的看到傳感器內部結構和機械組成，區分開不同傳感器之間的差異。以壓電傳感器為例，使用壓電傳感器進行加速度測量屬于傳感器類教學的重要內容。傳統的理論教學中，該內容主要通過原理圖及實物圖講解，如圖1、圖2所示，學生只能通過原理圖與實物圖的對比，對該傳感器進行學習。由于傳感器內的元器件都已安裝好，學生沒辦法直觀的對部件進行觀察，而實物是沒辦法拆卸的，所以學生不能精確的了解到傳感器的內部安裝結構。引入虛擬傳感器仿真軟件后，可對傳感器內部結構進行分解講解，如圖3（b）所示，可清晰的看到加速度傳感器內部有壓電陶瓷、質量塊等元器件，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。通過這樣的教學方式，學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，加深了學生對傳感器的印象，不再會因為印象模糊而混淆不同類型的傳感器。

（二）引入虛擬模塊接線軟件

完整的檢測系統中，傳感器輸出的信號需要通過轉換電路進行轉換。在實驗教學中，轉換電路接線對于非電類的學生，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。傳統教學中，教師對接線的講解通常是先講解電路圖，然后進行實物接線演示，然后由學生自行進行實物接線實驗。學生如果電路基礎不好或者對該次實驗的轉換電路不熟悉，很容易出現接線錯誤，從而導致實驗不成功、看不到實驗效果、元器件燒壞甚至更嚴重的問題。引入虛擬模塊接線軟件，教師講解電路圖、演示實物接線之后，可以讓學生先在軟件上完成模擬接線，當模擬接線沒問題后再進行實際電路接線。以單臂電橋性能實驗為例。該實驗電路圖如圖4所示，接線較復雜。引入虛擬接線軟件之前，學生接線錯誤率較高，出現過多次電路元器件燒壞的情況。引入虛擬接線軟件之后，教師要求學生先在軟件上完成接線，如圖5所示。學生軟件模擬接線成功后，再在實際模塊上接線，如圖6所示。由于軟件界面相對實物模塊更清晰，軟件模擬接線后，學生已經進一步學習了電路的結構，了解了電路的原理，所以在實際模塊接線時，學生的實驗成功率大大上升。該方式有效保護了學生的安全，降低了實驗器材的損壞，實驗效果非常好。

除實驗教學外，本次改革在考核過程中也采用了該軟件。由于檢測學課程綜合性較強，融合了機械學、光學、電學等多門學科，涉及到的理論知識較多，所以通常該課程的教學與考試都偏理論，而忽略了實踐的重要性。針對此問題，改革中將實踐部分引入考核。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，實物考核對硬件設備要求較多、較高，難以達到理想效果。本次改革通過使用虛擬模塊接線軟件來幫助完成實物考核部分，降低了對硬件設備的要求，達到理論與實際結合的考核效果。

（三）使用虛擬儀器完成檢測系統整體模擬

傳統的檢測系統教學注重傳感器的原理學習，而忽視了完整的檢測系統的原理和運用。本次改革借助實驗室的硬件條件，將虛擬儀器（LabVIEW）的學習引入到檢測系統中。虛擬儀器能夠采集數據，并提供經信號調理（包括：信號轉換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、信號處理后，進行仿真顯示、輸出，如圖7所示。使學生不再單單只學習傳感器，而是在虛擬仿真的基礎上，對檢測的整個流程進行系統掌握。

三、改革成效

本學期，將虛擬仿真技術引入檢測類課程教學后，得到了較好的效果。以我校自動化專業為例，引入虛擬仿真技術之后，實驗成功率達到了百分之百，有效的增長了學生的自信以及對本門課的興趣，學生的到課率也提高了很多。全年級100多名同學學期末的考核成績較往年有了明顯提高。

四、結語

本次教學改革取得了一定的成效，可以看出，將虛擬仿真技術引入教學，能實現理實一體化，提高學生的學習效果。本次改革依然存在不足，如以本校目前的教學條件無法完成檢測系統的整體性教學，只能進行分模塊式的教學。筆者將繼續探索，努力通過引入仿真儀器，完成整個檢測系統的所有環節連貫教學，實現真正的檢測系統設計。

參考文獻：

[1]楊釗，吳睿.論大學教學改革與探索——以《傳感器技術》教改為例[J].科技經濟導刊，2018，26（23）：173.

[2]周志忠，侯成鈺.基于虛擬仿真技術的虛擬實驗自動測評系統設計[J].電大理工，2012（03）：41-42.

[3]王帥.虛擬現實應用技術專業課程體系的優化與實踐[J].天津中德應用技術大學學報，2022（02）：46-50.

[4]于曉輝，李新波，孫曉東，石屹然.新工科背景下“傳感器與檢測原理”課程改革探索[J].教育現代化，2019，6（96）：103-104.

[5]李忠虎，李文濤，左鴻飛，閆俊紅，王金明.工程教育背景下自動檢測類課程教學改革[J].中國冶金教育，2017（03）：3-4+8.

[6]付冬波，周富肯.虛擬仿真教學平臺的設計與實踐[J].電子技術，2022，51（04）：274-275.

[7]張弛，劉淑穎.融合出版時代學前教育虛擬仿真教學實訓平臺開發研究[J].中國傳媒科技，2022（03）：7-10.

[8]馬可，苑明海，馬亞生，莊曙東.工訓大賽牽引下的虛擬仿真教學模式探索[J].中國教育信息化，2022，28（02）：117-122.

[9]劉明珠.新媒體時代農業虛擬仿真教學探索[J].核農學報，2022，36（07）：1498.

基金項目：

本文系安徽省教育廳教育教學改革研究項目“基于虛擬仿真技術的《檢測與轉換》課程教學改革研究與實踐”（2021jyxm0632）;

安徽省教育廳教育教學改革研究項目“一流課程（教學方法改革示范課程）PLC及應用”（2020jgkcx01）;安徽新華學院教學改革研究與實踐項目“基于虛擬仿真技術的《檢測與轉換》課程教學改革研究與實踐”（2020jy017）;

安徽省高校自然科學重點項目“基于光纖Bragg光柵的多探多融型傳感網絡監測系統研究”（KJ2019A0870）;安徽新華學院校級質量工程項目“自動檢測實驗實訓中心”（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：安徽新華學院;

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

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