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虚实结合的传感器与检测技术实验教学模式研究

2022-02-16  |  点击:  |  栏目:论文中心

本文作者:朱勇 李彦 林许胜 发表期数:现代职业教育 2022年3期 本文字数:2639

  [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。

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