“传感器与检测技术”虚拟实验教学平台建设

张朝龙，董甲东，江善和，张诗霞，王 实，路 健

（1.安庆师范大学电子工程与智能制造学院，安徽安庆246133；2.武汉麦思威科技有限公司，湖北武汉430070；3.国网合肥供电公司，安徽合肥230022）

传感器是智能制造的基础，属于智能制造过程的感应部分，具有信号感知和测量的作用[1]。“传感器与检测技术”是学生掌握现代检测仪器仪表应用和自动测控系统开发的必需课程，是自动化、电信、测控、光电、机电和应用物理等相关专业的主干课程[2-3]，具有实践性强的特点。因此，在培养信息类和工程类学生动手能力的过程中，加强传感器实验室的建设非常必要[4]。然而，受实验条件的限制，传感器实验室未包含所有常用传感器的产品说明、零件展示、装配演示和实验测试实验，教学内容因受教学学时的限制也显得非常有限。尤其是，2020年初受新冠疫情的影响，各高校学生绝大多数无法返校，这导致理工科大学生的实验普遍无法顺利开展。为解决这些问题，很多高校开展了线上虚拟仿真实验。虚拟仿真是指利用计算机的三维软件生成动态实景，对第三方系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态、逼真的模仿[5-6]。教育部在《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》中提出可以通过建设虚拟仿真实验教学项目调动学生参与实验的积极性和主动性[7-8]。教育部应对新型冠状病毒肺炎疫情工作领导小组办公室在《关于在疫情期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》提出“停课不停教、停课不停学”，要求最大限度保障实验教学质量，在学生不能返校学习的情况下，充分利用网络等资源，积极开展虚拟仿真实验教学活动。基于此思路，建设“传感器与检测技术”虚拟实验教学平台，可通过计算机设备模拟真实世界中的传感器及其检测过程，让学生完成产品说明、零件展示、装配演示和实验测试的虚拟仿真实验，引导学生在家中完成高质量的“传感器与检测技术”实验学习。因此，传感器虚拟仿真实验室的建设有利于弥补实际实验室的不足，完成传感器实验室中无法完成的实验项目和实验操作。

在安庆师范大学教务处、电子工程与智能制造学院、武汉麦思威科技公司和国网合肥供电公司的支持下，我们初步设计了“传感器与检测技术”虚拟仿真软件，建设了“传感器与检测技术”虚拟实验教学平台，开展了“传感器与检测技术”虚拟仿真实验教学，主要实验内容为光敏电阻传感器的虚拟仿真，遵循虚拟与现实相结合的教学理念，有效提高“传感器与检测技术”实验教学的效果和质量。“传感器与检测技术”虚拟实验教学平台具体建设方案阐述如下。

1 “传感器与检测技术”虚拟实验教学网站建设

应用HTML语言进行“传感器与检测技术”虚拟实验教学网站网页设计与制作，装载各种文档对象模型（Document Object Model，DOM）元素，应用CSS装饰网站DOM元素，并通过JavaScript连接HTML和后台服务器，控制DOM元素。开发环境为VS2010，网站后端编程语言为C#，数据库采用SQL Server 2008，主要用于管理员、老师、学生和guest等用户的信息管理。网站服务器采用安庆师范大学网络中心提供的双核服务器，配合公网IP地址，通过校园DNS服务器映射为校园域名，从而对外提供网络访问服务。

“传感器与检测技术”虚拟实验教学网站主要功能为实验仿真，同时具备实验仿真配套的用户管理、权限管理、信息公告、课程管理、成绩管理。设定了3种登录方式：“老师登录”、“学生登录”和外部guest登录，如图1所示。本着虚拟仿真教学项目对社会开放的原则，本虚拟实验教学网站开放了guest账户，并在登录页面下方提示。

图1 登录界面

2 “传感器与检测技术”虚拟仿真软件开发

仿真端的开发包括了C#和Unity3D，其中C#是本传感器仿真软件的基本编程语言，而Unity3D为本传感器仿真软件开发环境。此外，还使用了3DMAX用于仿真模型建立与渲染处理。在具体的模块设计上，本着能实不虚的建设原则，初步确定建设“传感器与检测技术”课程相关的实验模块5个，包括光敏电阻、光电二极管、光电三极管、硅光电池和光电倍增管等，其中光电二极管又包括PIN光电二极管、APD光电二极管和色敏光电二极管3种类型，如图2所示。

图2 虚拟仿真的传感器类型

3 虚拟仿真实验过程展示

开发的传感器虚拟仿真实验包括4个部分：产品说明、零件展示、装配演示和实验测试。在此，以“光敏电阻传感器”为例展示基于虚拟仿真技术的“传感器与检测技术”虚拟仿真实验的过程和实施效果。

学生首先通过图1的登录界面登录，打开仿真软件主界面，主要功能分为“元器件仿真”、“实验仿真”、“训练仿真”等3部分。学生可先选择“元器件仿真”中“结构仿真”功能，如图3所示，界面左侧为器件介绍说明，中间为器件结构仿真显示区域。点击拆解图标，器件可被自动拆解成图4所示的界面，学生可通过这个操作了解“光敏电阻传感器”的结构。

图3 光敏电阻展示界面

图4 器件自动拆解界面

“元器件仿真”中有“原理仿真”，学生可选择光敏电阻传感器，调节光强，学习其工作原理，观察其工作特性，如图5所示。学生可点击“运行仿真”，选择“光敏电阻传感器”，左键点击器件或仪表，将所选择的器件拖拉到实验平台上，开展光敏电阻传感器的特性实验，如图6所示。学生可在软件主界面上点击“应用实验”，选择“光敏电阻型开关”，调整光强，如图7所示。

图5 器件工作原理

图6 光敏电阻特性实验界面

图7 光敏电阻型开关调整光强应用实验

学生实验操作结束后，教师检查实验结果，给出实验评分。在此实验过程中，学生完成了光敏电阻展示、器件自动拆解、器件工作原理、“暗电阻”的连接演示、光敏电阻特性实验和光敏电阻型开关调整光强应用实验，对光敏电阻的结构、检测原理和应用电路均完成了虚拟仿真实验，对光敏电阻传感器的领悟更加透彻。教师也可以了解学生的学习情况和完成情况，实验效果远胜于学生在传感器实验室完成1～2个光敏电阻的真实实验。

4 总结

将虚拟仿真技术引入“传感器与检测技术”的实验教学，符合当前教育部推进国家虚拟仿真实验教学项目建设的相关文件精神，也符合疫情期间普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见。本“传感器与检测技术”虚拟仿真实验室在建设完成之后，首先将应用于本校电子工程与智能制造学院的自动化、电子信息科学与技术、光电信息科学与工程、通信工程、机械制造及其自动化等专业的实验教学，随后推广至其他学院的工科专业，通过互动交流实现虚拟仿真实验教学的优化、完善和升级，以高质量的虚拟仿真实验教学助推高等教育教学质量的提升和变轨超车。