常 靜, 范福玲, 張 朋, 楊 益
(中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院,河南 鄭州 450007)
傳感器原理虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)
常 靜, 范福玲, 張 朋, 楊 益
(中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院,河南 鄭州 450007)
用Visual Basic 6.0系統(tǒng)開發(fā)了傳感器原理虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)教學(xué)系統(tǒng).該系統(tǒng)采用圖形用戶界面、下拉菜單和對(duì)話框驅(qū)動(dòng),通過下拉菜單進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的操作、參數(shù)設(shè)置等,通過對(duì)話窗口選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、查看實(shí)驗(yàn)原理、電路結(jié)構(gòu),在窗口實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)、描繪曲線、計(jì)算非線性誤差.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將真實(shí)實(shí)驗(yàn)用圖形顯示出來,有利于學(xué)生對(duì)傳感器的原理和特性的理解和掌握,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.
傳感器原理;虛擬技術(shù);預(yù)習(xí)教學(xué)系統(tǒng);VB;實(shí)驗(yàn)教學(xué)
實(shí)驗(yàn)課程是高等院校理工科學(xué)生重要的教學(xué)環(huán)節(jié),實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)至關(guān)重要.傳感器原理課程是測(cè)控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化、機(jī)械電子等電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)、特性及其應(yīng)用,使學(xué)生初步掌握檢測(cè)和轉(zhuǎn)換技術(shù)的理論基礎(chǔ),為后續(xù)專業(yè)課程起著重要作用.該課程重視實(shí)踐環(huán)節(jié),其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占總學(xué)時(shí)量的三分之一.
在現(xiàn)階段,傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在諸多問題:一方面,由于現(xiàn)在學(xué)生人數(shù)多,實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師有限,實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源嚴(yán)重不足;另一方面,在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前,學(xué)生常?;ㄙM(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,了解實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)過程,很難與實(shí)際操作過程聯(lián)系起來,導(dǎo)致很多學(xué)生把實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)過程作為一種負(fù)擔(dān),實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果很不理想.為了能提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的興趣,筆者開發(fā)了傳感器原理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)教學(xué)系統(tǒng),可以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前,達(dá)到充分預(yù)習(xí)的目的.
近年來虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)得到了高度重視.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬了真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái),可供學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn).采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),可以突破時(shí)間、地點(diǎn)和設(shè)備數(shù)量的限制.該虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)是一種運(yùn)用虛擬仿真技術(shù),模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)教學(xué)系統(tǒng).虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作過程的指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等.
該系統(tǒng)運(yùn)用Visual Basic軟件構(gòu)建“傳感器原理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)習(xí)系統(tǒng)”.VB采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想,它的基本思路是把復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)問題分解為一個(gè)個(gè)能夠完成獨(dú)立功能的相對(duì)簡(jiǎn)單的對(duì)象集合,所謂“對(duì)象”就是一個(gè)可操作的實(shí)體,如窗體、窗體中的命令按鈕、標(biāo)簽、文本框等.程序員可根據(jù)程序和界面設(shè)計(jì)要求,直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對(duì)象,并為每個(gè)對(duì)象設(shè)置屬性.具有豐富的表現(xiàn)力和強(qiáng)大的交互性.VB的核心是對(duì)對(duì)象的鏈接與嵌入技術(shù)的支持,它是訪問所有對(duì)象的一種方法.利用該技術(shù),能夠開發(fā)集聲音、圖像、動(dòng)畫、字處理等對(duì)象于一體的程序,使系統(tǒng)顯得更切合實(shí)際實(shí)驗(yàn).
該系統(tǒng)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(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的模擬演示,而是讓學(xué)生在逼真的仿真“虛擬場(chǎng)景”中,利用各種“虛擬元件、儀器儀表”,通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊、拖動(dòng)等操作,任意搭接電路,并即時(shí)得到仿真結(jié)果[1],學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果.其操作效果猶如身臨實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).
根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的特點(diǎn),對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)做系統(tǒng)深入的研究,結(jié)合傳感器原理課程實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),劃分知識(shí)點(diǎn),并充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.筆者確定了課程中具有代表性的10個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真.這些實(shí)驗(yàn)歸結(jié)了課堂所講授的常用傳感器的特性和應(yīng)用.對(duì)于各單元內(nèi)容分別設(shè)計(jì)若干典型的實(shí)驗(yàn)題目,并提供一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),也可以進(jìn)行其他相關(guān)的一些設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).除了考慮實(shí)驗(yàn)的主題外,還必須盡可能利用仿真效果提高實(shí)驗(yàn)的活潑性和趣味性,使學(xué)生在愉悅的氛圍中掌握知識(shí).
根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求,將每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的主要功能模塊確定為:預(yù)備知識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(如圖1)[2-5].預(yù)備知識(shí)充分利用仿真技術(shù)介紹與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí),例如實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒆⒁馐马?xiàng)以及實(shí)驗(yàn)中所用到的相關(guān)儀器的功能及使用方法等;實(shí)驗(yàn)原理詳細(xì)介紹該實(shí)驗(yàn)的工作原理和電路連接原理等;仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)是一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng),虛擬了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,元件及儀器都是以實(shí)物形式重現(xiàn)的,通過鼠標(biāo)單擊以及拖拽操作,就可以完成連線、調(diào)節(jié)儀器參數(shù)、移動(dòng)儀器位置等,系統(tǒng)就會(huì)方便、快捷地給出與實(shí)驗(yàn)過程關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果;仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析能自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制各種圖表,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,最終完成實(shí)驗(yàn).數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),方便查看和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,使學(xué)生在強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)、訓(xùn)練實(shí)際操作技能的同時(shí),更形象化地掌握了所學(xué)的知識(shí)[6-8].
圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of virtual experiment teaching system
與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣,虛擬預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)首先解決該實(shí)驗(yàn)是“做什么”的問題.這就要求設(shè)計(jì)人員不僅要對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)做系統(tǒng)深入的研究,掌握課程的特點(diǎn),劃分知識(shí)點(diǎn),并充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.除了考慮實(shí)驗(yàn)的主題外,還必須盡可能利用多媒體效果提高實(shí)驗(yàn)的活潑性和趣味性,使學(xué)生在愉悅的氣氛中掌握知識(shí).
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆绞浇?為了使系統(tǒng)更加完善,面向?qū)ο蟮慕囊韵?個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述.
1)系統(tǒng)的組成部分.這部分是構(gòu)成系統(tǒng)的實(shí)體,包括物理對(duì)象,即實(shí)驗(yàn)電路以及各種測(cè)量?jī)x器等;數(shù)學(xué)對(duì)象,即產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)集、電路功能分析;人機(jī)界面對(duì)象,即虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),顯示結(jié)果的電壓、電流、波形及結(jié)果分析.在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中,這些都是必須考慮的對(duì)象,要讓使用者感覺就像在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)一樣,特別是儀器一定要在系統(tǒng)中顯示出來.
2)描述變量.該部分是系統(tǒng)各實(shí)體的屬性,例如實(shí)驗(yàn)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(jù)實(shí)驗(yàn)要求來設(shè)定,如果不設(shè)定,可能就會(huì)出現(xiàn)一些不切實(shí)際的數(shù)據(jù),出現(xiàn)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果,甚至使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解錯(cuò)誤.
3)參數(shù).也是系統(tǒng)屬性,通過建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),或者通過以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)一個(gè)公式進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn).該屬性不隨仿真的進(jìn)行而發(fā)生變化,包括取值范圍及其作用,例如反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的電壓、電流等由仿照真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出.這些參數(shù)的主要作用是讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)驗(yàn)中,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量,其特性曲線繪制是拋物線形狀的,說明其隨光強(qiáng)的變化,電阻率呈非線性變化.
該仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性為主線開發(fā)的[9-10].首先是通過設(shè)置一些問題考查學(xué)生是否認(rèn)真閱讀了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,題目答案不正確就無法進(jìn)行下一步;其次,通過運(yùn)用動(dòng)畫控件來向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)原理,使其更容易理解;再次是電路連接部分,結(jié)合真實(shí)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖片,讓學(xué)生自己動(dòng)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(xué)生通過自行計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果和系統(tǒng)處理的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證對(duì)本次實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的情況.下面通過以“電阻應(yīng)變片單臂、半橋、全橋特性比較”實(shí)驗(yàn)為例,介紹虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)教學(xué)系統(tǒng).
4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
1)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成部分.物理對(duì)象,實(shí)驗(yàn)電路以及各種測(cè)量?jī)x器,如差動(dòng)放大器、應(yīng)變片等;數(shù)學(xué)對(duì)象,即產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù),如每改變一次螺旋測(cè)微器的距離所產(chǎn)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(jī)界面對(duì)象,即虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過電路接線的操作得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用表格的形式顯示,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析,通過曲線更形象地理解數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì),最終得出該傳感器的基本特性.
2)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的變量描述.實(shí)驗(yàn)電路各組成部分的應(yīng)變片性能描述及其他儀器的取值范圍的設(shè)定.例如,螺旋測(cè)微器的變化范圍,設(shè)定在-2.0~2.5 mm之間.
3)參數(shù).通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律,并編程實(shí)現(xiàn).但這種屬性不隨仿真的進(jìn)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(shí)際實(shí)驗(yàn),在設(shè)計(jì)中添加了一個(gè)隨機(jī)值,使每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本都不一樣,但都在誤差允許范圍內(nèi).
4.2 仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)
“仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)”采用VB制作了動(dòng)畫形式,虛擬了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,如圖2.與實(shí)際操作電路相對(duì)應(yīng),首先需要學(xué)生把應(yīng)變片粘貼到位,將線路連接好,然后放上不同數(shù)量的砝碼,如圖3.單臂電橋會(huì)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(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào),分別為a、b、c、d、e等和1、2、3、4、5等,只有相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接正確才能進(jìn)入下一步,并且對(duì)于該實(shí)驗(yàn),連接不同的電路可以進(jìn)行三種不同的電橋?qū)嶒?yàn).
圖2 單臂應(yīng)變電橋Fig.2 Single arm strain bridge
圖3 放應(yīng)變片提示窗口Fig.3 Prompt Window of putting strain gauge
圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)電路顯示Fig.4 Display of virtual experiment circuit
圖5 虛擬實(shí)驗(yàn)電路連接Fig.5 Connection of virtual experiment circuit
4.3 數(shù)據(jù)處理部分
通過設(shè)定不同的調(diào)節(jié)測(cè)微頭下降距離,電壓表可以出現(xiàn)不同的數(shù)值.下降距離是按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定為0.5 mm,電壓值依據(jù)和下降距離的關(guān)系設(shè)定,每一次測(cè)量的數(shù)據(jù)都記錄在Excel表格里,方便讀取和對(duì)比,如圖6.
圖6 虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量 Fig.6 Measurement data of virtual experiment
特性曲線是依據(jù)上一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成的,可以體現(xiàn)出應(yīng)變片的靈敏度、線性度等特性.特性曲線的生成,是根據(jù)上一步記錄下來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在Excel表格中,如圖7所示.通過編程把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀出來,然后將各個(gè)點(diǎn)描繪出來,最后描繪出特性曲線.如單臂電橋特性曲線實(shí)驗(yàn):
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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)果里輸入自己所計(jì)算出的誤差、靈敏度等數(shù)據(jù),如圖8所示,并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷其計(jì)算是否正確.
圖8 虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of virtual experiment
4.4 預(yù)習(xí)問題和思考部分
在進(jìn)入下一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)前,學(xué)生需要回答相關(guān)的問題,如果回答不對(duì)將不能繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖9.學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后,通過思考題來加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解,學(xué)生的答案提交后,會(huì)同時(shí)記錄在每個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表格里,方便老師核查,如圖10.該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)起到了一定的督促作用.
本課程所有實(shí)驗(yàn)都以VB為載體的形式制作,并插入了Flash動(dòng)畫演示,通過超鏈接,增加了實(shí)驗(yàn)視頻講解,以動(dòng)畫的形式連接實(shí)驗(yàn)電路,保持了與實(shí)際儀器的特性相一致,有較好的真實(shí)感;系統(tǒng)建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)之上,保證了內(nèi)容的正確性、可操作性、可靠性;每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)都包括預(yù)備知識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等功能,在使用過程中非常方便.
圖9 虛擬實(shí)驗(yàn)問答Fig.9 Virtual experiment question and answer
圖10 思考題設(shè)計(jì)Fig.10 Design of thinking guestions
虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)的最終目標(biāo)不是為了虛擬而虛擬,而是通過虛擬實(shí)驗(yàn)更快速有效地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)方法,提高學(xué)習(xí)效率和動(dòng)手能力.以VB軟件為基礎(chǔ),平臺(tái)開發(fā)周期短,使用效率高,可擴(kuò)展性強(qiáng),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(xué)院教改項(xiàng)目(中工教〔2015〕27號(hào))
常 靜(1973—),女,河南??h人,中原工學(xué)院電子信息學(xué)院副教授,主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控、虛擬儀器技術(shù).
10.3969/j.issn.1007-0834.2017.02.006
TP391.1
:A
:1007-0834(2017)02-0020-05