常 靜， 范福玲， 張 朋， 楊 益

(中原工學院 電子信息學院，河南 鄭州 450007)

傳感器原理虛擬實驗預習教學系統的開發(fā)

常 靜， 范福玲， 張 朋， 楊 益

(中原工學院 電子信息學院，河南 鄭州 450007)

用Visual Basic 6.0系統開發(fā)了傳感器原理虛擬實驗預習教學系統.該系統采用圖形用戶界面、下拉菜單和對話框驅動，通過下拉菜單進行實驗步驟的操作、參數設置等，通過對話窗口選擇實驗項目、查看實驗原理、電路結構，在窗口實時顯示采集數據、描繪曲線、計算非線性誤差.虛擬仿真實驗將真實實驗用圖形顯示出來，有利于學生對傳感器的原理和特性的理解和掌握，激發(fā)了學生的學習積極性，提高了實驗教學效果.

傳感器原理；虛擬技術；預習教學系統；VB；實驗教學

0 引言

實驗課程是高等院校理工科學生重要的教學環(huán)節(jié)，實驗教學對學生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)至關重要.傳感器原理課程是測控技術與儀器、自動化、機械電子等電類專業(yè)的專業(yè)基礎核心課程之一.傳感器原理課程是研究各類不同傳感器的原理、基本結構、特性及其應用，使學生初步掌握檢測和轉換技術的理論基礎，為后續(xù)專業(yè)課程起著重要作用.該課程重視實踐環(huán)節(jié)，其實驗內容占總學時量的三分之一.

在現階段,傳統的傳感器實驗教學過程中存在諸多問題：一方面，由于現在學生人數多，實驗設備有限，實驗指導老師有限，實驗教學資源嚴重不足；另一方面，在進入實驗室之前,學生常?；ㄙM很長時間看實驗指導書，了解實驗儀器和實驗過程，很難與實際操作過程聯系起來，導致很多學生把實驗預習過程作為一種負擔，實驗教學效果很不理想.為了能提高學生實驗預習的興趣，筆者開發(fā)了傳感器原理實驗預習教學系統,可以使學生在實驗之前，達到充分預習的目的.

1 設計思想

近年來虛擬實驗教學系統的建設得到了高度重視.虛擬實驗平臺模擬了真實實驗臺，可供學生自己動手配置、連接、調節(jié)和使用實驗儀器進行實驗.采用虛擬實驗教學系統，可以突破時間、地點和設備數量的限制.該虛擬實驗預習教學系統是一種運用虛擬仿真技術，模擬真實實驗的計算機教學系統.虛擬實驗教學系統包括實驗相關知識的學習、實驗操作過程的指導、實驗數據的記錄、實驗數據的處理等.

該系統運用Visual Basic軟件構建“傳感器原理虛擬實驗教學預習系統”.VB采用了面向對象的程序設計思想，它的基本思路是把復雜的程序設計問題分解為一個個能夠完成獨立功能的相對簡單的對象集合，所謂“對象”就是一個可操作的實體，如窗體、窗體中的命令按鈕、標簽、文本框等.程序員可根據程序和界面設計要求，直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對象，并為每個對象設置屬性.具有豐富的表現力和強大的交互性.VB的核心是對對象的鏈接與嵌入技術的支持，它是訪問所有對象的一種方法.利用該技術，能夠開發(fā)集聲音、圖像、動畫、字處理等對象于一體的程序，使系統顯得更切合實際實驗.

該系統既不同于以往的原理電路仿真，又不同于一般多媒體軟件對于實驗現象的模擬演示，而是讓學生在逼真的仿真“虛擬場景”中，利用各種“虛擬元件、儀器儀表”，通過鼠標的點擊、拖動等操作,任意搭接電路，并即時得到仿真結果[1]，學生可以在計算機上自主進行實驗，并自動記錄實驗過程和結果.其操作效果猶如身臨實驗現場.

2 虛擬預習實驗系統的設計方案

根據專業(yè)培養(yǎng)計劃的特點，對實驗內容和教學任務做系統深入的研究，結合傳感器原理課程實驗的特點，劃分知識點，并充分考慮學生的學習特點，在此基礎上確定實驗內容.筆者確定了課程中具有代表性的10個實驗進行虛擬仿真.這些實驗歸結了課堂所講授的常用傳感器的特性和應用.對于各單元內容分別設計若干典型的實驗題目，并提供一個開放的實驗平臺，也可以進行其他相關的一些設計和創(chuàng)新實驗.除了考慮實驗的主題外，還必須盡可能利用仿真效果提高實驗的活潑性和趣味性，使學生在愉悅的氛圍中掌握知識.

根據實驗的要求,將每個虛擬實驗的主要功能模塊確定為:預備知識、實驗原理、仿真實驗平臺和仿真實驗結果及分析、數據存儲(如圖1)[2-5].預備知識充分利用仿真技術介紹與實驗相關的知識，例如實驗目的、注意事項以及實驗中所用到的相關儀器的功能及使用方法等；實驗原理詳細介紹該實驗的工作原理和電路連接原理等；仿真實驗操作平臺是一個虛擬的實驗操作系統，虛擬了一個逼真的實驗環(huán)境，元件及儀器都是以實物形式重現的，通過鼠標單擊以及拖拽操作,就可以完成連線、調節(jié)儀器參數、移動儀器位置等,系統就會方便、快捷地給出與實驗過程關聯的實驗數據處理結果；仿真實驗結果及分析能自動記錄實驗數據，繪制各種圖表，并對結果進行分析，最終完成實驗.數據存儲主要是對實驗當中所測量的實驗數據進行存儲，方便查看和提交實驗報告，使學生在強化理論學習、訓練實際操作技能的同時，更形象化地掌握了所學的知識[6-8].

圖1 虛擬實驗教學系統結構Fig.1 Structure of virtual experiment teaching system

3 虛擬預習實驗系統的建立

與傳統實驗一樣，虛擬預習實驗系統在設置實驗時首先解決該實驗是“做什么”的問題.這就要求設計人員不僅要對課程內容和教學任務做系統深入的研究，掌握課程的特點，劃分知識點，并充分考慮學生的學習特點，在此基礎上確定實驗內容.除了考慮實驗的主題外，還必須盡可能利用多媒體效果提高實驗的活潑性和趣味性，使學生在愉悅的氣氛中掌握知識.

實驗系統采用面向對象的方式建立.為了使系統更加完善，面向對象的建立從以下3個方面對系統進行描述.

1)系統的組成部分.這部分是構成系統的實體，包括物理對象，即實驗電路以及各種測量儀器等；數學對象，即產生實驗結果的數據集、電路功能分析；人機界面對象，即虛擬實驗平臺，顯示結果的電壓、電流、波形及結果分析.在實際的設計當中，這些都是必須考慮的對象，要讓使用者感覺就像在實驗室做實驗一樣，特別是儀器一定要在系統中顯示出來.

2)描述變量.該部分是系統各實體的屬性，例如實驗電路各組成部分的電氣性能描述及其他儀器的取值范圍.要根據實驗要求來設定，如果不設定，可能就會出現一些不切實際的數據，出現錯誤的實驗數據和結果，甚至使學生對知識點理解錯誤.

3)參數.也是系統屬性，通過建立一個數據庫，或者通過以往的實驗數據總結一個公式進行編程實現.該屬性不隨仿真的進行而發(fā)生變化，包括取值范圍及其作用，例如反映實驗結果的電壓、電流等由仿照真實的實驗數據得出.這些參數的主要作用是讓學生利用實驗數據計算誤差、溫漂、線性度等來了解一些器件的特性.例如光敏電阻實驗中，通過實驗測量，其特性曲線繪制是拋物線形狀的，說明其隨光強的變化，電阻率呈非線性變化.

4 虛擬實驗預習系統平臺舉例

該仿真實驗系統是以發(fā)揮學生的主觀能動性為主線開發(fā)的[9-10].首先是通過設置一些問題考查學生是否認真閱讀了實驗內容，題目答案不正確就無法進行下一步；其次，通過運用動畫控件來向學生展示實驗原理，使其更容易理解；再次是電路連接部分，結合真實的實驗臺圖片，讓學生自己動手去連接電路.電路連接不正確，無法繼續(xù)操作下一步；最后學生通過自行計算實驗結果和系統處理的結果進行對比，驗證對本次實驗預習的情況.下面通過以“電阻應變片單臂、半橋、全橋特性比較”實驗為例，介紹虛擬實驗預習教學系統.

4.1 實驗系統基本結構

1)實驗系統的組成部分.物理對象，實驗電路以及各種測量儀器，如差動放大器、應變片等；數學對象，即產生實驗結果的數據，如每改變一次螺旋測微器的距離所產生的電壓值等；電路功能分析，需要明白每一部分電路所起到的作用；人機界面對象，即虛擬實驗平臺，通過電路接線的操作得出實驗結果，利用表格的形式顯示，對數據進行對比和分析，通過曲線更形象地理解數據的變化趨勢，最終得出該傳感器的基本特性.

2)實驗系統的變量描述.實驗電路各組成部分的應變片性能描述及其他儀器的取值范圍的設定.例如，螺旋測微器的變化范圍，設定在-2.0～2.5 mm之間.

3)參數.通過實驗數據總結規(guī)律，并編程實現.但這種屬性不隨仿真的進行而發(fā)生變化，包括取值范圍及其作用，為了更好地逼近實際實驗，在設計中添加了一個隨機值，使每次實驗的結果基本都不一樣，但都在誤差允許范圍內.

4.2 仿真實驗操作平臺

“仿真實驗操作平臺”采用VB制作了動畫形式，虛擬了一個逼真的實驗環(huán)境，如圖2.與實際操作電路相對應，首先需要學生把應變片粘貼到位，將線路連接好，然后放上不同數量的砝碼，如圖3.單臂電橋會輸出不同的電壓，通過F/V表直接顯示并記錄下來，如圖4.連接方式如圖5，在每個節(jié)點進行編號，分別為a、b、c、d、e等和1、2、3、4、5等，只有相應的節(jié)點連接正確才能進入下一步，并且對于該實驗，連接不同的電路可以進行三種不同的電橋實驗.

圖2 單臂應變電橋Fig.2 Single arm strain bridge

圖3 放應變片提示窗口Fig.3 Prompt Window of putting strain gauge

圖4 虛擬實驗電路顯示Fig.4 Display of virtual experiment circuit

圖5 虛擬實驗電路連接Fig.5 Connection of virtual experiment circuit

4.3 數據處理部分

通過設定不同的調節(jié)測微頭下降距離，電壓表可以出現不同的數值.下降距離是按照實驗要求設定為0.5 mm，電壓值依據和下降距離的關系設定,每一次測量的數據都記錄在Excel表格里，方便讀取和對比，如圖6.

圖6 虛擬實驗數據測量 Fig.6 Measurement data of virtual experiment

特性曲線是依據上一步的實驗數據自動生成的，可以體現出應變片的靈敏度、線性度等特性.特性曲線的生成，是根據上一步記錄下來的實驗數據繪制的，實驗數據記錄在Excel表格中，如圖7所示.通過編程把實驗數據讀出來，然后將各個點描繪出來，最后描繪出特性曲線.如單臂電橋特性曲線實驗：

先繪制正程電壓：

Picture1.Scale (-2.1, 0.1)-(2.6, -0.1)

Picture1.PSet (X1, Y11), vbRed

Picture1.PSet (X1, Y12), vbRed

圖7 虛擬實驗數據記錄圖Fig.7 Data recording chart of virtual experiment

Picture1.PSet (X1, Y13), vbRed

然后繪制返程電壓：

Picture1.PSet (X1, Z11), vbBlue

Picture1.PSet (X1, Z12), vbBlue

Picture1.PSet (X1, Z13), vbBlue

再繪制正程特性曲線：

For X1 = -2.1 To 2.6 Step 0.03

Y11 = X1 / 35

最后繪制返程特性曲線：

For X1 = 0 To 2.6 Step 0.03

Z11 = X1 / 43 + 0.015

Picture1.PSet (X1, Z11), vbBlue

Next X1

學生在實驗結果里輸入自己所計算出的誤差、靈敏度等數據，如圖8所示，并且系統會自動判斷其計算是否正確.

圖8 虛擬實驗結果Fig.8 Results of virtual experiment

4.4 預習問題和思考部分

在進入下一個實驗環(huán)節(jié)前，學生需要回答相關的問題，如果回答不對將不能繼續(xù)進行實驗，如圖9.學生做完實驗后，通過思考題來加深對實驗的理解，學生的答案提交后，會同時記錄在每個實驗的數據表格里，方便老師核查,如圖10.該環(huán)節(jié)設計對學生預習起到了一定的督促作用.

5 結論

本課程所有實驗都以VB為載體的形式制作，并插入了Flash動畫演示，通過超鏈接，增加了實驗視頻講解，以動畫的形式連接實驗電路，保持了與實際儀器的特性相一致，有較好的真實感；系統建立在真實實驗的反復研究與實踐的基礎之上，保證了內容的正確性、可操作性、可靠性；每個虛擬實驗都包括預備知識、實驗原理、實驗操作、實驗數據處理等功能，在使用過程中非常方便.

圖9 虛擬實驗問答Fig.9 Virtual experiment question and answer

圖10 思考題設計Fig.10 Design of thinking guestions

虛擬實驗預習教學系統的最終目標不是為了虛擬而虛擬,而是通過虛擬實驗更快速有效地學習實驗原理、掌握實驗方法,提高學習效率和動手能力.以VB軟件為基礎，平臺開發(fā)周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉，是解決目前高校資源緊張問題的一種行之有效的途徑.

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DevelopmentofVirtualExperimentPreviewTeachingSystemofSensorPrinciple

CHANG Jing， FAN Fuling， ZHANG Peng， YANG Yi
(SchoolofElectricandInformationEngineer,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007，China)

A Virtual experiment system of sensor principle was developed based on Visual Basic 6.0. The system was driven by Graphical User Interface, drop-down menu and dialog box. The operations of experimental procedure， parameter setting and so on were selected and input in dialogue windows. The processes of collecting data, drawing curve, calculating nonlinear error were displayed in windows simultaneously. Virtual experiment was expressed by graphics visually using virtual experiment, which is benefit for student to understand and master the principles and characteristics of sensors. The system can stimulate learning enthusiasm of the students and improve the experimental teaching effect.

sensor principle； virtual instrument technology； preview teaching system； VB； experiment teaching

2017-04-12

中原工學院教改項目(中工教〔2015〕27號)

常 靜(1973—)，女，河南?？h人，中原工學院電子信息學院副教授，主要研究方向：網絡化測控、虛擬儀器技術.

10.3969/j.issn.1007-0834.2017.02.006

TP391.1

：A

：1007-0834(2017)02-0020-05