程春雨， 馬 馳， 商云晶， 吳振宇， 于雙和， 婁 歡

（1.大連理工大學(xué)a.電子信息與電氣工程學(xué)部；b.創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧大連116024；2.大連通科應(yīng)用技術(shù)有限公司，遼寧大連116025；3.中科創(chuàng)達(dá)軟件股份有限公司，遼寧大連116023）

0 引 言

為了進(jìn)一步貫徹落實(shí)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》文件精神，推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，加強(qiáng)教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用，促進(jìn)教學(xué)資源開(kāi)放共享，提升教學(xué)質(zhì)量和育人水平，推動(dòng)教學(xué)改革與創(chuàng)新［1-3］，國(guó)內(nèi)各高校都在積極推進(jìn)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合工作。在此過(guò)程中，涌現(xiàn)出了一大批優(yōu)秀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件［4-5］，廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)、土木、船舶、海洋等專業(yè)領(lǐng)域。在電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，電力系統(tǒng)、大型電機(jī)、大型控制系統(tǒng)等高成本、高能耗、時(shí)空跨度大、危險(xiǎn)性強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件較為常見(jiàn)，而針對(duì)微觀不可見(jiàn)等電子現(xiàn)象的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件相對(duì)較少?；诮虒W(xué)需求，我校模擬電路教學(xué)組設(shè)計(jì)了PN

結(jié)的微觀世界虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。

1 設(shè)計(jì)背景

模擬電路是電類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)硬件電路設(shè)計(jì)的入門級(jí)專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和工程性，概念繁雜、晦澀難懂，常被學(xué)生戲稱為“魔電”［6-8］。模擬電路入門階段的學(xué)習(xí)是從半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)開(kāi)始，從半導(dǎo)體原子外層結(jié)構(gòu)、共價(jià)鍵、自由電子和空穴、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體、內(nèi)建電場(chǎng)、空間電荷區(qū)和耗盡層、反向漏電流等概念講起，具有微觀不可見(jiàn)、抽象晦澀等特點(diǎn)，入門學(xué)習(xí)難度較大。

為了幫助學(xué)生快速學(xué)習(xí)并掌握模擬電路入門知識(shí)，基于3D虛擬仿真技術(shù)，課程組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了PN結(jié)的微觀世界虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，如圖1所示。該軟件應(yīng)用于教學(xué)可提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)出學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，有助于培養(yǎng)學(xué)生具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的工程實(shí)踐能力，提高教學(xué)效率，改善教學(xué)效果。

圖1 軟件主界面

2 實(shí)現(xiàn)方式

信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心目標(biāo)是增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)［9-10］，通過(guò)新技術(shù)破解教育教學(xué)難題，改善學(xué)習(xí)效果，確保教學(xué)質(zhì)量的提升。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有受眾面廣、學(xué)習(xí)便捷、無(wú)地域限制等優(yōu)勢(shì)［11-12］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的推廣和應(yīng)用，能有效保障優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的傳播與共享。

本著“以虛補(bǔ)實(shí)、能實(shí)不虛”的設(shè)計(jì)原則，秉承“以學(xué)生學(xué)習(xí)需求為中心”的設(shè)計(jì)理念［13］，課程組將學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中所遇到的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了歸類整理，將復(fù)雜概念分解細(xì)化，將線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)無(wú)法展現(xiàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)成微觀仿真模型，并以3D的形式動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，如通過(guò)微觀載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律揭示二極管的反向漏電流和三極管的放大原理等。

3D建模引擎是指能將現(xiàn)實(shí)中的物體抽象為多邊形或者多種曲線等表現(xiàn)形式，經(jīng)過(guò)大量計(jì)算，輸出3D仿真模型算法的集合。通過(guò)3D建模引擎可以在虛擬世界中建立起一個(gè)“真實(shí)的世界”。3D仿真逼真度越高，教學(xué)效果越好。目前較為常用的3D建模引擎有3D Max、Unity3D等。在3D建模引擎和開(kāi)發(fā)工具選擇上，課程組進(jìn)行了大量嘗試。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)主要采用了3D Max，它是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。課程組用3D Max設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)分立電子元器件模型、專用器件模型、電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)組裝模型等如圖2所示。此外，設(shè)計(jì)還用到了二維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件Adobe Animate CC、視頻處理軟件Adobe Premiere Pro CC、圖片處理軟件Adobe Photoshop等開(kāi)發(fā)工具。

圖2 用3D Max設(shè)計(jì)的部分模型

PN結(jié)的微觀世界虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的程序框架、交互功能、資源整合等用的是LayaAir，所使用的編程語(yǔ)言主要是TypeScript和JavaScript。LayaAir是LayaBox旗下第二代HTML5引擎，性能優(yōu)秀，現(xiàn)已成為HTML5行業(yè)公認(rèn)的開(kāi)發(fā)中大型游戲的首選引擎，除了支持2D3DVRAR、HTML5等開(kāi)發(fā)外，該引擎還可應(yīng)用于廣告、營(yíng)銷、教育、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。

3 內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)軟件在完成在線教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，更應(yīng)注重教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件之所以能夠快速發(fā)展，因其順應(yīng)了當(dāng)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的同時(shí)還堅(jiān)守了內(nèi)容設(shè)計(jì)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)背后蘊(yùn)含著教師們對(duì)教學(xué)內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，內(nèi)容設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低將直接影響教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的成敗和使用效果［14-15］。

在當(dāng)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)，尤其是疫情等特殊時(shí)期網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的驅(qū)動(dòng)下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件得到了蓬勃發(fā)展，其中，電子類，尤其是針對(duì)微觀電子現(xiàn)象的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件相對(duì)較少。為了扎實(shí)模擬電路理論基礎(chǔ)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在電流、電場(chǎng)等微觀實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的不足，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)“魔電”的信心，課程組根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中反饋的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了PN結(jié)的微觀世界虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。

載流子（多子和少子）、電流、電場(chǎng)等具有微觀、抽象、不可見(jiàn)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以呈現(xiàn)等特點(diǎn)。本軟件借助于生動(dòng)形象的3D微觀模型，采用虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)界面友好的交互操作，設(shè)計(jì)了原子外層結(jié)構(gòu)微觀模型，并將載流子移動(dòng)過(guò)程可視化。通過(guò)分析載流子所受電場(chǎng)力及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，幫助學(xué)生動(dòng)態(tài)分析、深層次學(xué)習(xí)內(nèi)外電場(chǎng)的作用、載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、PN結(jié)的工作原理、二極管的單向?qū)щ娦院头聪蚵╇娏?、三極管的放大原理等。設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)、逐層深入的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題的理解。通過(guò)對(duì)載流子微觀結(jié)構(gòu)與微觀現(xiàn)象抽象不可見(jiàn)問(wèn)題的生動(dòng)呈現(xiàn)（見(jiàn)圖3），破解線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以解決的教學(xué)難題，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，提高學(xué)習(xí)效率，改善教學(xué)效果。

圖3 N型半導(dǎo)體學(xué)習(xí)界面

此外，課程組還將虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容與線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合，將面包板導(dǎo)電機(jī)制、搭接電路查錯(cuò)糾錯(cuò)實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形分析等內(nèi)容融入教學(xué)軟件中。學(xué)生通過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀現(xiàn)象的學(xué)習(xí)，深刻理解并掌握二極管、三極管等元器件的工作原理后，可通過(guò)在線實(shí)訓(xùn)自主嘗試、分析、驗(yàn)證元器件的使用方法，使學(xué)生更好地理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)現(xiàn)與線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)有效銜接，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的工程實(shí)踐能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本軟件主要包含以下3大模塊。

3.1 PN結(jié)的微觀世界交互學(xué)習(xí)認(rèn)知模塊

PN結(jié)的微觀世界交互學(xué)習(xí)認(rèn)知模塊主要包括：原子外層（價(jià)電子層）結(jié)構(gòu)、共價(jià)鍵的形成、半導(dǎo)體材料的低導(dǎo)電性、自由電子和空穴的形成、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的定義、空間電荷區(qū)和耗盡層的形成、內(nèi)建電場(chǎng)的建立、多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子）和少數(shù)載流子（N區(qū)的空穴和P區(qū)的自由電子）所受電場(chǎng)力及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律、PN結(jié)的形成、二極管的正向偏置和反向偏置、反向漏電流的產(chǎn)生、二極管（PN結(jié)）的單向?qū)щ娦?、晶體三極管的微觀結(jié)構(gòu)、外加單電源后晶體三極管微觀模型中載流子的變化、外加雙電源后晶體三極管微觀模型中載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其放大原理、晶體三極管偏置方式及其3種工作狀態(tài)等內(nèi)容，其中，晶體三極管放大原理如圖4所示。

圖4 晶體三極管放大原理學(xué)習(xí)界面

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過(guò)載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律貫穿，比如關(guān)于二極管反向漏電流的產(chǎn)生，是因?yàn)槎O管中除了因摻雜而產(chǎn)生的多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子）外，還存在極少數(shù)的本征載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴），即少數(shù)載流子。二極管反向偏置時(shí)，少數(shù)載流子被外加電源電場(chǎng)激發(fā)，反方向移動(dòng)形成反向漏電流，因此，二極管反向偏置時(shí)有極小的反向漏電流存在。通常情況下，少數(shù)載流子的數(shù)量極少，二極管的反向漏電流也很小，可以忽略。但是，如果PN結(jié)中少數(shù)載流子的濃度大量增加，反向漏電流也會(huì)隨少數(shù)載流子濃度的增加而快速增大，此類反向漏電流促成晶體三極管實(shí)現(xiàn)了放大作用。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了豐富多樣的交互學(xué)習(xí)內(nèi)容，例如在N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料的學(xué)習(xí)中，學(xué)生選中自由電子或者空穴，將看到自由電子或空穴如何在原子間移動(dòng)；在二極管的學(xué)習(xí)中，學(xué)生在不使用限流電阻直接接通電源時(shí)，將看到二極管被燒毀的動(dòng)畫；在二極管、三極管的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以自己接入正向電壓或反向電壓，觀察載流子和空間電荷區(qū)的變化等。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也穿插了大量的交互測(cè)試內(nèi)容，例如學(xué)生在學(xué)習(xí)完N型和P型半導(dǎo)體后，能夠根據(jù)情況自行判斷P區(qū)和N區(qū)的位置；學(xué)習(xí)完二極管正向偏置和反向偏置原理后，能夠掌握外接電壓的接入方式；學(xué)習(xí)完三極管放大原理后，能夠懂得判斷基極、發(fā)射極、集電極的位置；學(xué)習(xí)完三極管的偏置方式后，能夠根據(jù)BC結(jié)和BE結(jié)的偏置狀態(tài)判斷三極管所處的工作區(qū)域等。

3.2 面包板搭接電路查錯(cuò)糾錯(cuò)實(shí)訓(xùn)操作模塊

面包板搭接電路查錯(cuò)糾錯(cuò)實(shí)訓(xùn)操作模塊主要包括面包板及其導(dǎo)電機(jī)制簡(jiǎn)介、LED發(fā)光強(qiáng)度比較電路原理講解、搭接電路查錯(cuò)糾錯(cuò)實(shí)訓(xùn)操作、發(fā)光二極管（LED）工作電流與發(fā)光強(qiáng)度關(guān)系測(cè)試分析等內(nèi)容，具體操作界面如圖5所示。

圖5 面包板搭接電路查錯(cuò)糾錯(cuò)實(shí)訓(xùn)操作界面

面包板搭接電路查錯(cuò)糾錯(cuò)實(shí)訓(xùn)操作模塊主要通過(guò)完成對(duì)實(shí)際搭錯(cuò)電路的查錯(cuò)糾錯(cuò)過(guò)程，訓(xùn)練學(xué)生掌握在面包板上搭接實(shí)驗(yàn)電路的原則、方法和技巧。共設(shè)計(jì)了8個(gè)交互實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。每一個(gè)交互實(shí)訓(xùn)內(nèi)容有若干個(gè)錯(cuò)誤點(diǎn)，正確找出錯(cuò)誤點(diǎn)后會(huì)有對(duì)應(yīng)的分析講解；每次錯(cuò)誤操作，也會(huì)有相應(yīng)的錯(cuò)誤操作提示。

面包板搭接電路查錯(cuò)糾錯(cuò)實(shí)訓(xùn)模塊可以通過(guò)交互操作，反復(fù)練習(xí)，幫助學(xué)生熟練掌握面包板的導(dǎo)電機(jī)制、使用原則、方法和技巧等，可以大量節(jié)省線下實(shí)驗(yàn)時(shí)間，降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中錯(cuò)誤操作次數(shù)，大幅度提高實(shí)驗(yàn)效率，改善教學(xué)效果。

3.3 三極管實(shí)用電路設(shè)計(jì)分析模塊

晶體三極管單管電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置是學(xué)習(xí)放大電路的基礎(chǔ)和前提。開(kāi)始學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生弄不清靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)放大之間的關(guān)系，會(huì)將電路設(shè)置在飽和區(qū)或者截止區(qū)卻試圖去測(cè)試電路的放大性能。

三極管實(shí)用電路設(shè)計(jì)分析模塊將三極管單管電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置及其工作狀態(tài)與輸入輸出波形對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)改變電阻值來(lái)改變靜態(tài)工作電壓，同時(shí)，三極管所處工作區(qū)域會(huì)發(fā)生變化，輸出波形也會(huì)隨之變化，如圖6所示。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次重復(fù)操作，學(xué)生可以熟練掌握晶體三極管單管電路靜態(tài)工作電壓與3種工作方式及輸入輸出波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系等，為后續(xù)復(fù)雜電路的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

圖6 三極管實(shí)用電路設(shè)計(jì)分析界面

4 考核與評(píng)價(jià)

教學(xué)考核與教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)能全面反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的詮釋。改進(jìn)評(píng)價(jià)方法，健全評(píng)價(jià)體系，全面考核學(xué)生學(xué)習(xí)成效，綜合評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件考核功能應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件采用過(guò)程化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化“三位一體”的多元化教學(xué)評(píng)價(jià)模式，通過(guò)過(guò)程記錄和加印水印的方式保證學(xué)生身份的真實(shí)性；通過(guò)交互操作和隨機(jī)抽取考查內(nèi)容等方式保障考核內(nèi)容的真實(shí)性和客觀性，以及評(píng)價(jià)的公平公正性；通過(guò)設(shè)計(jì)重復(fù)操作不計(jì)入考核成績(jī)的智能運(yùn)算方式保障學(xué)生不會(huì)忌憚重復(fù)多次學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生扎實(shí)掌握所學(xué)技能；通過(guò)過(guò)程化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的考核評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生不畏困難、積極進(jìn)取、勇于探索的學(xué)習(xí)態(tài)度和科研精神。

5 結(jié) 語(yǔ)

PN結(jié)微觀世界虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件具有生動(dòng)形象、操作界面簡(jiǎn)單、微觀細(xì)節(jié)表現(xiàn)生動(dòng)、富有知識(shí)性和啟發(fā)性、理論與實(shí)際結(jié)合緊密，可展現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)無(wú)法呈現(xiàn)的微觀特性，不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，鼓勵(lì)多次重復(fù)操作，使用成本低，可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其教學(xué)應(yīng)用提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率、水平和效果，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）通過(guò)線上教學(xué)的形式解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)少、學(xué)生參與實(shí)踐相對(duì)困難的問(wèn)題。

（2）通過(guò)新穎、生動(dòng)、形象的教學(xué)設(shè)計(jì)和3D動(dòng)態(tài)模型調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐的積極性，有助于改善學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)踐的積極性不高、學(xué)習(xí)興趣不能長(zhǎng)期堅(jiān)持等問(wèn)題。

（3）本軟件的教學(xué)應(yīng)用保障了在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源條件下吸引更多的學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中，最大限度地提高了學(xué)生的受益面。

（4）本軟件注重對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)督評(píng)測(cè)和考核管理，保障了學(xué)生身份的真實(shí)性、評(píng)價(jià)內(nèi)容的完整性和客觀性、考核結(jié)果的公平公正性，杜絕了部分學(xué)生不愿意獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)弄虛作假等問(wèn)題。

PN結(jié)的微觀世界虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件普適性強(qiáng)，適用于普通高等教育、中等?？圃盒?、職業(yè)技術(shù)學(xué)校和科普教育中的電類、光電、物理等專業(yè)教學(xué)使用。其教學(xué)應(yīng)用對(duì)我校相關(guān)課程建設(shè)和學(xué)科發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用，得到了學(xué)生和同業(yè)專家的認(rèn)可和高度好評(píng)，有著廣泛的教學(xué)使用價(jià)值和推廣前景。