虚拟仿真技术在“敏感材料与传感器”课程教学实践中的应用研究

摘要：通过虚拟仿真实验探索“敏感材料与传感器”课程教学改革的新方法，首先，具体分析了“敏感材料与传感器”课程教学实践中存在的问题；然后，针对这些问题，提出构建该课程虚拟仿真实验体系的建议，并重点阐述了虚拟仿真实验的实施方案，提出适应虚拟仿真实验教学体系的配套教学措施。研究结果有望促进“敏感材料与传感器”课程的线上和线下融合式教学，为该课程的教学改革提供新方法。

关键词：虚拟仿真技术敏感材料与传感器教学实践实验体系

ResearchontheApplicationofVirtualSimulationTechnologyintheTeachingPracticeof“SensitiveMaterialsandSensors”Course

WANGHuanwen1*GONGYansheng1YUQian2

1.FacultyofMaterialsScienceandChemistry，ChinaUniversityofGeosciences，WuhanCity，HubeiProvince，430074China;2.CollegeofResourcesandEnvironment，South-CentralMinzuUniversity，WuhanCity，HubeirgHRuNTac0hIeEsvG/ehybD8m3Meq7HoZVXdpbjfFrM=Province，430074China

Abstract：VirtualSimulationtechnologyisemployedtoexploreanewmethodofteachingreformof“SensitiveMaterialsandSensors”courseinthispaper.Firstly，theproblemsexistingintheteachingpracticeof“SensitiveMaterialsandSensors”coursearespecificallyanalyzed.Then，inresponsetotheseissues，suggestionsareputforwardtoconstructavirtualsimulationexperimentsystemforthecourse，withafocusonelaboratingontheimplementationplanofvirtualsimulationexperimentsandproposingsupportingteachingmeasuresthataresuitableforthevirtualsimulationexperimentteachingsystem.Theresearchresultsareexpectedtopromotetheintegrationofonlineandofflineteachinginthecourseof"SensitiveMaterialsandSensors"，providinganewmethodfortheteachingreformofthiscourse.

KeyWords：VirtualSimulationtechnology;SensitiveMaterialsandSensors;Teachingpractice;Experimentalsystem

近些年，虚拟仿真技术逐渐发展成为炙手可热的教学手段，其通过创建一系列高度仿真的虚拟实验和实验环境，大大提高了学生的参与性和积极性[1-3]。传感器在开拓新能源和新材料领域具有重要地位[4-5]，传感器正常工作的核心是敏感材料，只有敏感材料特性不断发展，尤其是纳米材料和纳米科技的快速发展，才能促进传感器的高速发展。

中国地质大学（武汉）材料科学与工程专业是一个综合性专业，实践教学是该专业本科教学过程中的重要环节。“敏感材料与传感器”课程是材料科学与工程专业一门重要的专业基础选修课程，内容涵盖各类敏感材料和各类常用传感器的基本理论、工作原理和应用领域，深受学生喜爱。但受限于学时和实验条件，实践环节非常有限，仅局限于电阻温度系数的测定等简单实验，离传感器实践需要差距明显。虚拟仿真实验能够实现快速且长期的实践教学，以及即时的实验响应，且学生参与度高、实验灵活性强和场地投资成本小，可大规模地开展实践教学[6]。因此，充分利用虚拟仿真技术大力发展“敏感材料与传感器”课程的实践教学环节，能有效地解决现阶段该课程实践环节面临的棘手问题。

1课程教学实践中存在的问题

经过多年建设，材料与化学学院材料科学与工程教学实践有了长足进步，但“敏感材料与传感器”课程现有的实践教学环节还存在诸多问题。

（1）现有实践教学只是理论实验，不能满足社会发展的需求，无法建立“理论—实践—应用”反馈机制。该课程目前仅开设了电阻温度系数的测定实验，实验内容简单且实用性不足，不能较好地调动学生积极性。

（2）现有实践教学体系无法将领域内重要科学研究成果成功转化为教学案例。随着纳米材料和纳米技术的快速发展，利用纳米技术制作的基于原子尺度的传感器尺寸小且精度高，极大丰富了传感器的理论、拓宽了传感器的应用领域。例如：将纳米颗粒沉积到硅基板上更有效地进行化学和气体传感器应用，利用微流控设备中的金纳米线检测血液样本中的胆固醇，使用硅上的碳纳米管（CarbonNanotube，CNT）来检测有害的氨气痕迹，基于流体的微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）设备中样品的微量微生物检测等。相关的科学研究结果已经陆续报道，如能将这些创新性的研究成果转化为实践教学案例，必然会引起学生极大的学习兴趣、增强专业认同感和自豪感。然而，目前，该方面的教学资源和案例还相当缺乏。

（3）“敏感材料与传感器”课程的内涵与外延在不断扩展，新仪器和新方法不断涌现，特别是传感器飞速发展对材料本身的制备过程提出了更苛刻的要求，现有的传统实验手段难以同步适应专业的发展。

HaWw2/0+FDQzEZT555/HN2c81u2Acgpy717gxnZSYIw=（4）面向传感器应用的专业综合实验系统体积大且成本高，实验周期长，场地、学时和经费条件使得学生的参与度受限，特别是一些关键材料制备工艺，无法惠及更多的学生，教学效果大打折扣。

立足以上分析，利用虚拟仿真技术，将实验室获得的高水平科研成果成功转化为虚拟仿真实验教学资源，开发基于纳米传感器的虚拟仿真实验，纳米传感器材料包括纳米粒子和纳米团簇、纳米纤维和碳纳米管、石墨烯、金属有机框架等。以上虚拟仿真实验可以动态实现材料的设计思路、制备过程、材料演变等，实验内容较为饱满，并且涉及多个学科的知识，有助于开阔学生视野、强化动手能力、增强学科交叉思维的意识。在教学过程中，该实践教学内容除服务于材料科学与工程专业，还可以面向化学、物理、环境、电子等多个专业的学生，不但可以拓宽学生学科交叉的知识面，还可以激发学生的创造力和想象力，势必会带来很好的教学效果，同时还避免受场地、经费、时间等方面的限制，对实践教学具有重要的意义。

2虚拟仿真实验体系的构建

鉴于以上实践教学中存在的问题，本研究提出将虚拟仿真技术耦合至“敏感材料与传感器”课程教学实践中，促进该课程的教学改革。为了充分发挥虚拟仿真技术在该实践课程中的作用，材料科学与工程教学团队结合多年实践教学经验构建了“敏感材料与传感器”虚拟仿真实验体系（见图1）。

2.1实践教学资源构建

通过科教融合，借助虚拟仿真技术，将实验室产生的经典科研成果转化为生动的教学案例。具体围绕基于纳米粒子和纳米团簇、纳米纤维和碳纳米管、石墨烯、金属有机框架等敏感材料的关键工艺虚拟仿真实验，最终应用于纳米传感器中。以理论教学与实践教学相辅相成，设计构建材料科学与工程专业虚实结合的实践教学资源。

2.2虚拟仿真实践平台建设

虚拟仿真实践平台建设遵循模块化和可扩展的建设思路。优先围绕“纳米粒子和纳米团簇、纳米纤维和碳纳米管、石墨烯及金属有机框架”4类纳米材料的研究成果，开发基于纳米传感器应用背景的材料关键工艺虚拟仿真实验平台，动态实现材料的设计思路、制备过程、材料演变和传感功能最终实现的完整流程。依托该平台，设置面向高年级本科生的专业型虚拟仿真实验与综合型虚拟仿真实验，提升学生创新意识，增强专业认同感和自豪感。

2.3理论教学与虚拟仿真实验混合式教学实践

依托所构建的基于纳米传感器应用背景的材料关键工艺虚拟仿真实验平台，应用于“敏感材料与传感器”课程教学实践中，开展线上和线下混合式教学的实践探索，实现“虚实结合，互为补充”。同时，增设自主设计虚拟仿真实验，将最新科研成果通过虚拟仿真平台具象化，能有效培养学生的自主创新的思维和能力。

3虚拟仿真实验的实施路径

3.1实践教学资源构建的实施路径

纳米传感器是一种用于医疗保健和军事的纳米生物和化学传感器，目前已开发出用于检测气体、化学和生化变量与物理变量，以及检测电磁辐射的纳米传感器。通过调研纳米粒子和纳米团簇、纳米纤维和碳纳米管、石墨烯、金属有机框架等纳米材料的最新报道，特别是基于纳米传感器应用的学科交叉成果，初步构建以下实践教学资源。

3.1.1基于纳米粒子和纳米团簇的纳米传感器

纳米粒子（主要是贵金属粒子）具有出色的尺寸相关光学特性，基于金纳米粒子的酶生物标记测试可以检测人类、动物和食品中被称为蛋白酶的疾病的酶标记，该纳米传感器通过可见的变色反应指示何时存在蛋白酶。

3.1.2基于纳米纤维和碳纳米管的纳米传感器

研究人员已经开发出了使用装饰有钯纳米粒子的单壁碳纳米管制成的柔性氢传感器。多孔氧化锡纳米纤维已被证明可检测到约0.1mg/L的丙酮水平，这比诊断糖尿病所需的气体传感水平低8倍。

3.1.3基于石墨烯的纳米传感器

单晶石墨烯是一种常用敏感材料，广大研究人员将其与生物传感技术进行有机结合，已成功研制出单晶石墨烯场效应管超痕量生物传感器。该研究成果涵盖物理学、电子学、材料学、化学、生物学等多个学科领域，是典型的学科交叉产生的集成创新成果，把该成果通过虚拟仿真转化为实践课程，有助于培养学生的创新思维。

3.1.4 基于金属有机框架的纳米传感器

金属有机骨架是由无机金属中心（金属离子或金属簇）与桥连的有机配体通过自组装相互连接形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。金属离子形成节点，这些节点将接头的臂结合在一起，形成重复的笼状结构。由于比表面积大，并且能控制孔的结构，与其他多孔材料相比，金属有机框架具有更广阔的应用前景。

3.2虚拟仿真实践平台建设的实施方案

针对“纳米粒子和纳米团簇、纳米纤维和碳纳米管、石墨烯、金属有机框架”4类纳米材料的研究成果在不同类型纳米传感器中的应用背景，提出材料的具体设计思路。以石墨烯场效应管传感器为例，介绍虚拟仿真平台建设的实施路径。

场效应晶体管传感器被广泛应用于检测DNA、蛋白质、金属离子、有机小分子等，是一种潜力巨大的传感技术，具有低成本、高灵敏度、微型便携、实时检测等优势。目前，相关研究成果已经陆续被报道，但石墨烯场效应管传感器制造工艺复杂耗时、条件严格和价格昂贵，且会产生多种危险气体，维护成本高。因此，通过虚拟仿真技术，可以动态实现从材料的制备、器件演变过程及最终实现传感器功能的完整流程。具体实施方案如图2所示。虚拟仿真实验包括甲烷气体生长为石墨烯、石墨烯演变为场效应管器件，以及最终实现传感功能3个工艺流程。通过该虚拟仿真实验，学生能深刻理解石墨烯场效应管传感器的工作机理、了解到该领域的最前沿研究动态，能有效激发其学习兴趣、提高其创新思维能力。

3.3混合式教学实践的实施路径

理论教学中，以各类敏感材料在传感器中的应用为主线，在虚拟仿真平台建立后，将调整授课方式，发挥虚拟仿真实践教学优势，除保留基础的验证性实验外，增加创新型和开放型实验。利用纳米传感器中各类材料关键制备工艺、器件演变过程及传感功能的实现，进行创新和开放实验项目设定，鼓励学生组建兴趣组，这样能有效提高学生的动手能力和实验技能、增强其分析问题和解决问题的能力。同时，根据国内外最新研究进展及本团队科研最新成果，进一步丰富实践教学资源，促进理论与科研成果的有机融合，充分发挥学生的发散思维，提高自主学习能力和兴趣。

4结语

基于虚拟仿真技术，将实验室获得的高水平科研成果成功转化为虚拟仿真实验教学资源，开发基于纳米粒子和纳米团簇、纳米纤维和碳纳米管、石墨烯和金属有机框架等纳米传感器的虚拟仿真实验，不仅可以实现材料制备过程及演变过程的动态展示，还有助于增强学生实践动手能力和学科交叉思维的意识。要实时跟踪纳米传感器的最新研究进展，并将最前沿的科研成果通过虚拟仿真技术成功运用到教学实践中。

参考文献

[1]朱勇，李彦林，许胜.虚拟仿真在传感器与检测技术课程教学中的应用探索[J].科技视界，2022（1），75-77.

[2]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.

[3]高文曦.虚拟仿真实验教学项目应用研究[J].软件导刊，2022，21（9）：184-189.

[4]杨琛，陈忠，金光哲，等.虚拟仿真在传感器线上线下教学中的应用[J].系统仿真技术，2022，18（2）：137-140.

[5]吴海燕.基于虚拟仿真的传感器实验平台开发与应用[J].软件研发与应用，2023（3）：57-59，69.

[6]黄涛，胡佳恒，付佩.虚拟仿真实验在材料力学课程教学改革中的应用研究[J].实验科学与技术，2022，20（1）：34-38.