基于虚拟仿真技术的应用类高校教改研究与实践

2022-07-17 12:32杨钊吴睿王琰琳
江苏广播电视报·新教育 2022年17期
关键词:虚拟仿真检测教学改革

杨钊 吴睿 王琰琳

摘要:当今大学,“教改”已成为一项日常教学工作。本次将虚拟仿真技术引入课程教学,改革对象为检测类课程。检测类课程因综合性较强,融合了机械学、光学、电学等多门学科,在传统的教学中存在知识点较多、易混淆等问题。为保证课程更好的开展,本次教学采用虚拟仿真,从传感器结构、原理到转换电路,以3d模型的形式展现在学生眼前,并可模拟实际模块进行操作。以此方法提高学生对知识点的掌握度,增长了学生的自信以及对本门课的兴趣,达到良好的教学效果。

关键词:教学改革;虚拟仿真;检测

一、引言

目前,我校检测学的教学主要以传感器为主,着重讲解各传感器的工作原理、基本结构、相应的测量及检测电路、传感器在各个领域中的应用,使学生掌握传感器的使用方法和设计要点的基本技能。

分析检测学的教学现状,可以发现存在以下几个主要问题:

(1)由于涉及到的传感器种类较多,学生易混淆,经常出现“将A传感器的工作原理套到B传感器上”这样的现象;

(2)在传感器的学习中,转换电路是一个不可或缺的环节。做传感器实验时,需涉及到电路接线。而检测类课程面向对象比较广泛,既有电气工程及其自动化这样偏电类的专业,也有物联网工程这样的非电类专业。对于非电类专业的学生,电路接线是有难度的,很容易造成元器件的损坏;

(3)在笔试过程中基本考的是学生对课本上理论知识的记忆程度,为了提高应试能力,学生通常把重点放在对课本的刻板记忆上,忽视了设计能力。

二、改革方案

(一)引入传感器仿真软件

针对不同传感器之间易混淆,不容易记忆的问题,本次改革引入了传感器仿真软件,该软件可使学生直观的看到传感器内部结构和机械组成,区分开不同传感器之间的差异。以压电传感器为例,使用压电传感器进行加速度测量属于传感器类教学的重要内容。传统的理论教学中,该内容主要通过原理图及实物图讲解,如图1、图2所示,学生只能通过原理图与实物图的对比,对该传感器进行学习。由于传感器内的元器件都已安装好,学生没办法直观的对部件进行观察,而实物是没办法拆卸的,所以学生不能精确的了解到传感器的内部安装结构。引入虚拟传感器仿真软件后,可对传感器内部结构进行分解讲解,如图3(b)所示,可清晰的看到加速度传感器内部有压电陶瓷、质量块等元器件,这些元器件的具体安装过程也可以用软件模拟,如图3(c)所示。通过这样的教学方式,学生可以清清楚楚的看到、感受到压电加速度式传感器是怎样的,加深了学生对传感器的印象,不再会因为印象模糊而混淆不同类型的传感器。

(二)引入虚拟模块接线软件

完整的检测系统中,传感器输出的信号需要通过转换电路进行转换。在实验教学中,转换电路接线对于非电类的学生,是个非常大的问题。为此,本次改革引入了虚拟模块接线软件。传统教学中,教师对接线的讲解通常是先讲解电路图,然后进行实物接线演示,然后由学生自行进行实物接线实验。学生如果电路基础不好或者对该次实验的转换电路不熟悉,很容易出现接线错误,从而导致实验不成功、看不到实验效果、元器件烧坏甚至更严重的问题。引入虚拟模块接线软件,教师讲解电路图、演示实物接线之后,可以让学生先在软件上完成模拟接线,当模拟接线没问题后再进行实际电路接线。以单臂电桥性能实验为例。该实验电路图如图4所示,接线较复杂。引入虚拟接线软件之前,学生接线错误率较高,出现过多次电路元器件烧坏的情况。引入虚拟接线软件之后,教师要求学生先在软件上完成接线,如图5所示。学生软件模拟接线成功后,再在实际模块上接线,如图6所示。由于软件界面相对实物模块更清晰,软件模拟接线后,学生已经进一步学习了电路的结构,了解了电路的原理,所以在实际模块接线时,学生的实验成功率大大上升。该方式有效保护了学生的安全,降低了实验器材的损坏,实验效果非常好。

除实验教学外,本次改革在考核过程中也采用了该软件。由于检测学课程综合性较强,融合了机械学、光学、电学等多门学科,涉及到的理论知识较多,所以通常该课程的教学与考试都偏理论,而忽略了实践的重要性。针对此问题,改革中将实踐部分引入考核。由于该课程涉及到的传感器种类繁多,如电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器、磁电式传感器等,实物考核对硬件设备要求较多、较高,难以达到理想效果。本次改革通过使用虚拟模块接线软件来帮助完成实物考核部分,降低了对硬件设备的要求,达到理论与实际结合的考核效果。

(三)使用虚拟仪器完成检测系统整体模拟

传统的检测系统教学注重传感器的原理学习,而忽视了完整的检测系统的原理和运用。本次改革借助实验室的硬件条件,将虚拟仪器(LabVIEW)的学习引入到检测系统中。虚拟仪器能够采集数据,并提供经信号调理(包括:信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等)、信号处理后,进行仿真显示、输出,如图7所示。使学生不再单单只学习传感器,而是在虚拟仿真的基础上,对检测的整个流程进行系统掌握。

三、改革成效

本学期,将虚拟仿真技术引入检测类课程教学后,得到了较好的效果。以我校自动化专业为例,引入虚拟仿真技术之后,实验成功率达到了百分之百,有效的增长了学生的自信以及对本门课的兴趣,学生的到课率也提高了很多。全年级100多名同学学期末的考核成绩较往年有了明显提高。

四、结语

本次教学改革取得了一定的成效,可以看出,将虚拟仿真技术引入教学,能实现理实一体化,提高学生的学习效果。本次改革依然存在不足,如以本校目前的教学条件无法完成检测系统的整体性教学,只能进行分模块式的教学。笔者将继续探索,努力通过引入仿真仪器,完成整个检测系统的所有环节连贯教学,实现真正的检测系统设计。

参考文献:

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基金项目:

本文系安徽省教育厅教育教学改革研究项目“基于虚拟仿真技术的《检测与转换》课程教学改革研究与实践”(2021jyxm0632);

安徽省教育厅教育教学改革研究项目“一流课程(教学方法改革示范课程)PLC及应用”(2020jgkcx01);安徽新华学院教学改革研究与实践项目“基于虚拟仿真技术的《检测与转换》课程教学改革研究与实践”(2020jy017);

安徽省高校自然科学重点项目“基于光纤Bragg光栅的多探多融型传感网络监测系统研究”(KJ2019A0870);安徽新华学院校级质量工程项目“自动检测实验实训中心”(2018sysxx02)阶段性成果之一。

作者简介:

杨钊(1986.03),女,白族,云南大理人,工学硕士,副教授,研究方向:新型传感器研究,工作单位:安徽新华学院;

吴睿(1985.02),男,汉族,安徽舒城人,工学硕士,副教授,研究方向:仪器仪表,工作单位:安徽新华学院;

王琰琳(1988.07),女,汉族,安徽淮南人,工学硕士,副教授,研究方向:PLC控制技术,工作单位:安徽新华学院。

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