虚实结合的传感器与检测技术实验教学模式研究课题论文开题结题中期报告（经验交流）

1、虚实结合的传感器与检测技术实验教学模式研究课题论文开题结题中期报告（经验交流） 虚实结合的传感器与检测技术实验教学模式研究课题论文开题结题中期报告经验交流 摘 ? ? ? ? ? 要 ?传感器与检测技术是一门施行性很强的课程，而传统实验教学模式的弊端影响了施行教学的效果。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究。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，使同学能够直接面对实际工程应用问题，展开革新制定、系统构建和结果验证，打通了理论知识和施行应用的通道。同学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，为其成长为具备革新能力的应

2、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 2096-0603202203-0079-03 当前国家经济建设的发展迫切必须要大量具备革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施行的一种专门的人才类型，施行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，旨在培养同学在电子信息、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、变幻、分析、处理、显示、控制及系统的产品制定制造、科技开发、应用研

3、究等方面的能力1，2。因此，该课程对施行能力的培养显得尤为重要，而实验教学正是提升施行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

4、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熟悉传感器在各种测控电路中的重要作用。5能够依据测量要求正确地选择与使用各类传感器，并制定相应的测量系统。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施行的高度统一，特别应用能力的培养，这对课程实验教学来说是很大的挑战，传统的教学模式浮现出一些弊端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，而同学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，对同学来说是个黑盒子的结构，只能机械地依据

5、实验指导书进行电路接线，很难将理论和施行结合在一起。 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制定性和综合性实验。 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

6、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究。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，采纳基于有限元技术的COMSOL Multiphysics软件进行多物理场的仿真;而关于传感信号的转换电路，则利用NIMultisim仿真软件进行电路的制定和搭建，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、

7、热学、流体力学、化学等各领域的基础理论。同学可以利用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。同学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，从而将理论知识和施行操作真正结合，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、差动扩大、差动整流、调幅调频、相敏检波、运算扩大、电荷扩大、电压扩大、脉冲宽度

8、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，同学可以依据传感器信号的测量要求，交互式地制定和搭建电路原理图，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。同学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、变幻，再到输出的整个流程环节。这样同学就可以把所学的理论知识灵活地应用到电路制定中，并通过自己的施行分析电路的特征和规律，进而进行制定优化，而不仅仅停留在传统实验的验证模式上，有助于革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

9、构建贴近工程应用实际的实体模型和真实系统来完成制定性和综合性的实验，加强同学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依据“虚实结合、以虚促实的原则，遵循“同学中心、项目导向、工程意识、革新施行的实验教学理念，重在培养同学在传感与检测系统的综合制定、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

10、案例背景，为同学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，引导同学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，并引导同学自我探究，完成初步的传感器选型、电路制定和系统组建，形成初步的技术方案。 三实验过程指導 在实验进行过程中，完全以同学为中心，让同学沉醉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善措施。指导教师可在实验室现场或通过通讯工具与同学坚持联系，为同学实时解决问题。 四实验结果评价 实验完成后，同学可将实验过程和结果总结成

11、实验报告，并将成果在班级范围内进行演示汇报。全体同学和指导教师共同参加讨论和评价，并给出改善建议。 五实验反馈释疑 在同学完成实验后，结合实验的完成状况，对同学提出的问题答疑解惑，使同学在经过充分施行体验后，能真正理解问题本质，提升工程施行应用能力。同时接受同学对实验对象、实验系统、实验内容、操作方式等的看法反馈，以便今后的改善和完善。 四、虚实结合的实验学习过程 同学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，必须要充分理解并灵活应用各类实验方法。 一观察法 同学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;同学还可模拟

12、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 同学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;同时同学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 同学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 同学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 同学首先依据工

13、程应用的要求设定检测系统应该达到的目标值，然后再反向逆推必须要采纳的传感器型号和测量电路方案。 五、实验教学模式的革新 一实验方案的革新 现有的实验设备结构封闭、功能单一，可拓展性不强，且不具备制定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，采纳自主构建加交互式操作的方式，使同学能够针对工程实际案例，分析问题、制定方案、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。 二教学方法革新 新的实验教学模式以解决实际工程问题为导向，充分体现了制定性、综合性和革新性的特点，融合了情景式、探究式

14、、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，使同学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，引导同学层层探究，获取正确解决方案;同学可进行实时的建模、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，具备极深的施行性;指导教师可在实验中和实验后进行及时评价，引导同学反思、纠错和提升。 三评价体系革新 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、理论分析和施行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，帮助同学进入正确的技术路线;评价体系既有依据既定参数指标进行校核做出的客观评价，又有由教师或同学

15、依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结合问题点的理论制定和分析以及形成解决方案的过程。2结合具体元器件的施行操作、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同学提供真实、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够、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，关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“以虚促实加强实验深度 弥补了以往综合性和制定性实验难以开展的不够，同学可针对具体的工程问题，分析项目

16、必须求和指标要求，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，并依据仿真结果验证制定思路正确与否，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施行应用的通道，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，让同学在项目制定、工程实操、现象分析、交互学习的实验过程中，系统掌握基本原理、制定方法、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够、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