传感器虚拟实验设计论文

摘要：创新应用型人才的培养为实验教学的深化与改革提出了新命题，构建开放式虚实结合实验教学模式是一种有效的解决方案。以“传感器技术与应用”为例，整合和优化实验教学内容，构建开放式网络实验环境，建立“科研融入教学”等课外科技实践机制，开展研讨式、启发式、探讨式的实验教学方式，形成了适应时代需求的实验教学体系。今天小编为大家推荐《传感器虚拟实验设计论文(精选3篇)》仅供参考，希望能够帮助到大家。

传感器虚拟实验设计论文 篇1：

基于惯性传感技术的裁判员手势跟踪研究

摘要：针对快速捕捉赛场中裁判员手势判决跟踪问题，依靠图像的动态手势跟踪虚拟现实交互技术，研制了一种基于惯性传感技术的裁判员手势控制器，并进行了相关实验验证。该手势控制器由安装在手部、小臂和大臂的13个传感器节点组成，可用于计算机快速捕捉到裁判员对赛事的判罚，进而与虚拟空间中的物体进行交互。实验结果表明，该手势控制器能够准确地跟踪裁判员手姿势，进而控制虚拟手完成虚拟各类手势等交互操作。

关键词：虚拟交互;裁判员手势;惯性传感

文献标识码：A

0 引言

裁判员作为体育比赛中负责赛场只需的任务，其主要依靠手势行使规则赋予的职权[1]。针对裁判员手势的跟踪研究是快速判断比赛结果的重要依据。虚拟现实（Virtual Reality，VR）作为目前虚拟空间并与之交互的三维环境模拟系统，是视觉表达最为完美的艺术表现形式，具有很强的沉浸感[2]，且已经在军事航天、康复医疗训练、游戏、室内设计、工业仿真、教学等从军事到民用等诸多领域得到了广泛应用[3]。裁判员手势输入具有迅速、直观的特点，主要分为基于数据手套的静态手势识别[4]和基于图像的动态手势跟踪[5]两类。数据手套能够准确地识别出手势信息，但是手势被限制在固定点，属于静态手势，而且柔性传感器成本昂贵、容易损坏[6]。基于图像的动态手势跟踪是基于实时图像处理技术实现的，該方法能有效快速跟踪裁判员手部的运动，但是算法实现难度大[7]，而且容易受到赛场摄像机视场以及光照条件的限制。

近年来，随着微惯性传感技术（MEMS）的不断发展，惯性式动作捕捉技术逐渐成为研究热点[8]。国内外对惯性传感技术在手势跟踪方面的研究主要集中在主从控制[9]、人机交互[10]、康复医疗[11]等领域，而且这些研究大多针对静态手势识别。从交互的角度来看，静态手势识别适用于指令式操作，属于单向输入，一般用于流程控制;动态手势跟踪适用于交互式操作，可用于操作虚拟空间中的手势。

从虚拟现实输入的角度出发，针对裁判员动态手势跟踪，提出了一种基于惯性传感技术的手势控制器，并加入了振动反馈。该控制器不仅可以为虚拟现实提供手势跟踪，而且可以提供触觉反馈，使得虚拟交互变得更加真实自然，且快速获取裁判员对赛事判决。

1 整体方案设计

1.1 功能需求

在体育赛事中，裁判员通过手势去表达比赛结果的判决，手势表达在赛事中具有非常重要的意义。在人机交互中，手势输入作为一种新型交互手段，具有生动、形象和直观的特点，可以为研究裁判员手势提供非常自然的交互体验。

针对虚拟交互的动态手势跟踪方法主要有两类，一是基于图像的动态手势跟踪方法[12]，该方法对摄像机视场中的图像进行实时处理，但是当赛场中众多运动员同时交互发生遮挡或受到空间中其他物体的遮挡时，动态手势跟踪会失去效果。另一类是基于惯性传感技术的动态手势跟踪方法[13]该方法不受光照、背景、空间等外部环境的限制，不存在遮挡问题，而且具有实时性好、灵敏度高、动态性能好等优点，非常适合应用在多人互动的虚拟交互环境中。

针对虚拟交互设计的裁判员手势控制器应该具备以下功能：（1）适用于虚拟交互，具有可拓展性，未来可用于现实赛场;（2）具有触觉反馈功能，可用来感知操作对象;（3）穿戴方便，且性能要稳定可靠。手势控制器中增加的触觉反馈功能可以增强互动感，考虑到舒适性、体积限制等因素，拟采用振动触觉反馈方式。

1.2 传感器布局方案设计

图1所示为人手骨骼解剖结构图。手掌骨骼主要由掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨构成。其中除大拇指外，其他四指均由远节指骨、中节指骨和近节指骨构成。手指的弯曲由三节指骨的旋转运动来实现，其中除大拇指外其余四指主要依赖近节指骨和中节指骨的主动运动。由于远节指骨的自主运动范围极小，而且它与中节指骨在运动上有一定的附属关系，因此在手势跟踪中，远节指骨的数据常常根据中节指骨来计算出，而不需要在远节指骨上安装传感器。大拇指的运动是由远节指骨和近节指骨的运动来共同完成的。因此，在手掌部分，每根手指需要安装两个传感器，同时手背处也需安装传感器来检测手的空间翻转、俯仰运动，则手掌部分共需11个传感器。

人手在空间中的运动范围可以抽象为：以肩关节为原点，臂长为半径的球形空间（在不考虑关节运动限制的情况下）。当前设计出的包含11个传感器节点的手势控制器所控制的虚拟手被限定在固定位置，属于静态手势识别。因此，参照人手的运动特点，在大臂和小臂处增设传感器节点，以肩关节为原点，大臂、小臂和手掌共同作为运动捕捉对象，通过关节间的旋转构造出人手的空间运动姿态。在单手手势控制器中，共需13个传感器，最终的传感器布局方案如图2所示.

2 姿态解算原理

2.1 捷联惯导系统

在捷联惯导系统中[14]，导航坐标系为n，即地理坐标系，一般采用东北天坐标系。由运载体的机体轴确定的坐标系为6，一般称为载体坐标系。根据欧拉旋转定理可知，载体坐标系相对于导航坐标系的转动可通过三次独立的旋转来实现。初始时载体坐标系与导航坐标系重合，设旋转轴依次为：-Z_n→X_n→Y_n，得到的旋转角依次为：偏航角ψ，俯仰角θ，横滚角φ。初始时载体坐标系b与导航坐标系n重

2.2 空间旋转四元数法

表征空间旋转的方法主要有欧拉角法[15]、方向余弦法[16]和规范化四元数法[17]。其中欧拉角法仅用三个旋转角参数（ψ、θ、φ）进行描述，计算简单，但是会出现奇异值，造成万向节死锁，不能用于全姿态的解算。方向余弦法可用于全姿态解算，但是需对九个方程求解，计算量大，不适合实时解算系统。规范化四元数法相对于方向余弦法而言，计算量小，动态响应快，对处理器性能要求低，且不会出现欧拉角法涉及到的万向节锁，是空间全姿态解算方法，因此在惯导系统中应用较为广泛。四元数的复数形式表示为：

2.4 基于互补滤波器的四元数姿态解算方法

在姿态解算中，利用加速度计和磁力计可以直接解算出姿态信息，静态时准确性较好，但是容易受到外界加速度及磁场的影响，动态性能较差。陀螺仪动态响应特性良好，但是直接用于积分会累积误差，精度也不高。为了获得较准确的运动信息，同时兼顾动态性能，拟采用滤波算法融合这三个传感器的数据，以提高解算精度和系统的动态性能。最常用的滤波算法有卡尔曼滤波和互补滤波两类。卡尔曼滤波是一种最优估计方法，计算过程中涉及到大量代数运算和矩阵求逆，运算量很大，对处理器性能要求较高。相比之下，互补滤波具有计算量小、实时性好、对处理器性能要求不高等特点，而且在载体变化率较小的情况下，互补滤波的效果比卡尔曼滤波更好。综合考虑，选择采用互补滤波算法来进行数据融合。姿态解算流程如图3所示：

3 硬件设计

3.1 传感器节点设计

传感器节点的硬件电路架构如图4所示，包括微处理器及外围电路、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计。

传感器节点的功能是采集当前传感器原始数据，进行数据融合处理得到姿态数据[19]（四元数），最后将姿态数据输出到数据采集板。由于该节点要安装在手指上，因此其尺寸必须满足微型化要求，且不能影响手指的正常生理活动。

微处理器采用ARM Cortex -M3内核的STM32F103系列微处理器，该处理器内部集成了IIC接口、USART接口以及CAN控制器等，提供了多种数据传输方式。处理器外围电路主要包括供电（3.3V）、复位、晶振以及通讯相关接口部分。姿态传感器采用MPU6050芯片，该芯片是集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的6轴运动处理组件，消除了加速度计与陀螺仪安装轴误差带来的影响，减小了封装空间，且该芯片内部集成了nc接口以及辅助nc接口，能够挂载额外的传感器，如磁强计或气压计。三轴磁强计采用HMC5883L芯片，该芯片体积小集成度高，具备nc接口，航向精度能精确到10至20，使用简单且成本较低，充分满足了设计需求。

3.2 触觉反馈设计

由于手部体积限制，考虑采用振动来提供反馈，即在传感器绑带的内侧（手心一侧）增加微型振动马达（如图6所示），连接到微控制器10处，通过PWM输出来调节振动强度。当虚拟手与虚拟物体接触时，将接触信号反馈到对应的微控制器，微控制器进而驱动微型马达振动，为操作者提供一个触觉上的接触反馈。

3.3 节点实物图

3.4 数据采集模块设计

数据采集模块的硬件电路架构如图7所示，包括微处理器、串口芯片、WIFI模块、CAN收发器。

数据采集模块的功能是接收各传感器节点的姿态数据并打包处理[20]，然后通过有线（串口传输）或无线（WIFI）传输的方式发送到上位机中。传感器节点内已经集成了CAN控制器，每一个CAN控制器都对应一个CAN收发器，二者配合实现CAN总线的数据传输，即实现了各传感器数据的采集。数据采集模块内主要包括处理器、CAN收发器、WIFI模块、USB转串口芯片及外围电路，其中处理器采用STM32F103系列微处理器;WIFI模块采用正点原子[21]的HLK-RM04模块，CAN收发器采用SN65HVD230芯片，该芯片采用3.3V供电;USB转串口芯片采用CH340G芯片。

4 软件设计

4.1 软件处理流程

（1）传感器节点内处理好传感器数据，经由CAN收发器与CAN总线连接，将姿态信息发送到CAN总线上;

（2）数据采集模块内的处理器STM32F1系列经CAN收发器从CAN总线接收姿态信息;

（3）当处理器接收到全部13个节点数据后，将数据进行打包处理，然后经由有线（串口）或无线（WIFD的方式发送至控制主机（即计算机）。

（4）控制主机对姿态数据进行解包，并将数据与骨骼相对应，操作虚拟手运动，当虚拟手与虚拟物体发生交互作用时，触发反馈信息，同时将该信息发回到处理器，进而驱动振子振动，为使用者提供振动反馈。

4.2 虚拟平台设计

采用PC机作为控制主机，选择Unity 3D软件作为虚拟平台。Unity 3D是由Unity Technologies开发的一个专业游戏引擎，其具备跨平台发布、高性能优化、高性价比、高级游戏渲染效果等特点，应用范围非常广泛，也是目前主流的一款VR开发平台。

在场景建模方面中，本文采用了从外部直接导入模型的方式，将在3DS MAX软件中建立的模型.max文件直接导入到Unity中使用，被导入的信息包括物体的空间位置、材质、关节信息等。

4.2.1 虚拟手模型驱动

在裁判员手势活动中，以手臂运动为例来说明，手指可以独立运动而不影响手背、小臂、大臂的运动;但是，当大臂、小臂、手背运动时，手指必然会随之运动而改变手指的空间位置。因此，在运动捕捉的过程中，我们以大臂终点肩关节为基本根关节，小臂肘关节为子关节，手部腕关节为次子关节，各手指关节同一指节的地位相同，依照图9所示的次序驱动各个关节运动。

Unity 3D中支持脚本语言C#和JavaScript，通过选择合適的脚本，可以完成数据通信、模型控制、场景变换等不同的功能。本方案中，选择C#脚本语言作为开发语言，Unity中封装了大量的API函数供开发者调用。通过GameObject.Find O函数获得指定游戏对象，进而用Quatemion（四元数）类下的API函数去处理由串口或WIFI读入的姿态数据（四元数），从而驱动指定游戏对象做相应的运动。

4.2.2 坐标系转换

由串口读入的数据是在地理坐标系n下的载体姿态数据，由于Unity中有世界坐标系和局部坐标系的概念，世界坐标系是固定在Unity中一切其他坐标系的总参考，因此经串口读入的数据需要进行坐标转换，转换步骤如下：

（1）首先通过Quatemion类下的旋转函数将虚拟手臂的坐标系旋转到与世界坐标系重合;

（2）真实手臂相对于东北天坐标系的初始姿态与虚拟手臂相对于Unity中的世界坐标系的初始姿态重合，进行初始化;

（3）通过配置运动函数及参数，使得真实手臂运动来驱动虚拟手臂同步运动。

4.2.3 弯曲检测

弯曲检测可以模拟出现实环境中物体碰撞到障碍物时产生的反应。在Unity3D中，要产生弯曲的效果，必须为操作对象添加刚体属性（Rigidbody）和碰撞器（Collider）。当为虚拟手臂添加组合碰撞器和刚体属性后，手臂可以在虚拟空间中与其他物体产生联系，进而可以设计弯曲、抓取等交互实验。在Unity3D中，通过MonoBehaviour.OnTriggerEnter和Mono Behaviour.OnCollisionEnter可以设计出各类弯曲情形的组合。

5 实验设计

5.1 初始化

裁判员穿戴好传感器设备后，上电进行初始化。待初始化完成后，手部运动可以控制虚拟手同步运动，如图10、图11所示。图10为手掌展开状态，图12为握拳状态。

5.2 弯曲实验

在虚拟空间中创建立方体，并增加碰撞体表面。在手臂皮肤表面创建组合弯曲体，当手臂皮肤与立方体接触时，会触发弯曲，弯曲实验如图13、图14所示。图12表示手指在移动过程中即将与立方体接触但还未接触到时的状态;图13表示手指拨动立方体后的状态，接触的瞬间振动马达会振动产生反馈，立方体受到碰撞后旋转向上运动（此状态下未增加重力约束）。如果没有在立方体表面和手臂皮肤表面增加碰撞体表面，则手指在触碰到立方体后会穿透立方体表面，而没有相对运动的产生，也不会产生碰撞效应。

5.3 抓取实验

在虚拟空间中创建虚拟小球，并增加弯曲体表面。实验者操作虚拟手来完成小球的抓取，抓取实验如图14、图15所示。图14表示手指在移动过程中靠近小球但还未接触到时的状态，此时小球颜色为白色。图15表示手指抓取到小球时的状态，此时小球颜色变为红色，表示手指抓取到小球，且手指内侧的振动马达开始振动从而为用户提供一定的触觉反馈。在抓取状态下，小球可随手指在空间中移动。

6 结论

针对虚拟交互设计的裁判员手势控制器立意较新颖，能够流畅地完成动态手势跟踪及虚拟交互。在比赛场地中且不需要苛刻的实验环境条件下，该控制器稳定可靠，佩戴舒适，能够较好地满足裁判员手势跟踪的操作需求，并且还可用于快速获取裁判员对赛事判决，具有广阔的现实应用前景。

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作者：刘彬 王慧

传感器虚拟实验设计论文 篇2：

开放式虚实结合的实验教学模式的研究与探索

摘要：创新应用型人才的培养为实验教学的深化与改革提出了新命题，构建开放式虚实结合实验教学模式是一种有效的解决方案。以“传感器技术与应用”为例，整合和优化实验教学内容，构建开放式网络实验环境，建立“科研融入教学”等课外科技实践机制，开展研讨式、启发式、探讨式的实验教学方式，形成了适应时代需求的实验教学体系。实践证明，该实验教学改革培养了学生的工程实践能力和创新精神，取得显著的成效。

关键词：实验教学；创新应用型人才；开放式实验；虚拟实验；教学改革

随着我国建设“产业信息化”和“信息产业化”强国战略的提出，培养满足电子信息类产业发展需求的创新应用型人才已成为高校人才培养的重要目标之一。[1]实验教学是高校教学的关键环节，是培养学生实践能力、开拓创新意识和提升综合素质的重要途径。因此，深化实验教学改革和提高实验教学质量成为当前高校教学改革的重要任务。[2]目前，高校的实验教学已难以满足学科发展所需，开放式实验模式、虚拟实验等均是有效的解决方法。

“传感器技术及应用”是一门既注重理论更注重实践的课程，实验教学是帮助学生理解原理、加深认识以达到学以致用的必要途径。[3]但由于传感器类型众多、更新较快，因此建立完备的实验环境是比较困难的。我系基于培养创新应用型人才的指导思想，结合课程的具体内容，提出开放式虚实结合的实验教学体系。经过一系列教学改革与实践，现已初见成效。

一、开放式虚实结合的实验教学模式的提出

虚拟实验是指综合运用多媒体技术、计算机网络、虚拟现实、计算机仿真软件等产生和发展的一种新的实验教学形式，不同于传统实验的教学方式和技术手段，通过软件模拟技术来达到真实实验的效果。[4]它既能解决实验设备不足和价格昂贵的问题，又不受时间和地点的限制，还可为网络教育和远程教育提供支撑。但虚拟实验也有不足之处，如不能完全反映实物实验所面临的环境影响，实验步骤无法完全和现实细节一一对应等。[5]实物实验有利于培养学生解决实际问题和动手操作能力。开放式实验教学模式，是指实验时间、空间、内容、手段及教学方法等都是开放的，[1]学生还可根据自己的能力和爱好，选择相应的实验项目，也可将自己的创意带入实验。

“传感器技术及应用”实验课分为两大类：基础实验和课程设计。目前，实验教学存在如下问题：

作为一门专业课程的实验，教学定位未得到充分重视。传统观念上，实验教学依赖于理论教学，学生参与自主度不高，实验教学过程基本固定，从而导致学生漠视实验课程，如不认真预习实验，机械地按照教师讲解或实验教材上的实验步骤完成，甚至部分学生抄袭实验数据。[6]实验教学已不能满足高素质的应用型人才的培养需求。

传统的实验教学受到许多限制，如实验场地、时间；实验设备陈旧、数量有限，许多先进的新型传感器无法及时更新；检测系统的实现难度大等问题。虚拟实验的开设不仅能弥补实物实验的上述不足，还将对现有的实验提供有力的补充。由于电子和计算机技术的高速发展，基于虚拟仪器的现代检测系统设计应运而生，在课程设计中引入虚拟仪器Labview具有重要意义。

现有不少文献[5-9]提及虚拟实验在各个课程的实施案例，也有部分提出虚实结合的方案，但极少从分析具体的教学内容，以培养学生的实验设计和动手操作能力为出发点，从虚拟实验和实物实验的有机结合这一方面进行论述。

针对上述问题，以“传感器技术及应用”课程为例，我系进行了开放式虚实结合实验教学模式的探析。

二、以“传感器技术与应用”为例的应用探索

1.整合和优化实验内容，建立“逐层深入，虚实结合”的资源体系。

我系在“重构合理的知识体系，锻炼专业技能和培养综合素质”的教学理念指导下，结合教学内容，对传统的实验教学体系进行梳理、整合，发挥实物实验和虚拟实验各自的优势，虚实结合，各取所长，各补其短，建立以培养学生应用能力和创新能力为核心的“逐层深入，虚实结合”的实验教学资源，“逐层深入”是指基础型、综合设计型（课程设计）和研究创新型三个层次的实验群逐层递进。实验教学体系如图1所示。

其中，大部分基础验证型实验改为虚拟实验的形式。这类实验重点在于加深学生对理论知识的理解，加强基本技能的锻炼。采用虚拟实验的形式，方便学生进行课前预习、课后复习，减少设备的损耗，而且利用课程网站，便于实行远程式、个性化教学。学生不仅能自由安排自己的实验时间，重点攻克自己的学习难点，还能按照自己的进度，自主地选择所需的实验内容。[3]随着现代测量技术的飞速发展，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性价比及可操作性等方面具有明显的技术优势，在检测系统设计的实验教学中备受关注。[10]因此，将虚拟仪器Labview引入了设计型实验，结合真实电路完成系统设计。Labview帮助学生更易于完成较复杂的实验设计，而真实的传感器、数据采集电路的设计更好地培养学生全面动手操作的能力，“虚实结合”的方式更好地提高学生全方位的综合应用能力。

2.以课程网站为载体，构建开放式网络实验环境。

为了更好地实施开放式实验教学，利用课程网站为载体，采用多媒体、计算机编程技术等，构建开放式网络实验环境。实验环境结构如图2所示，主要分为虚拟实验室、实验辅助模块、成果展示模块等三大模块。其中：在虚拟实验室模块中发布丰富的虚拟实验资源，支持学生进行在线的基础型实验。利用Flash与Visio C++两种技术，开发所占空间小且功能强大的虚拟实验室。虚拟实验室不仅为学生的课前预习和课后复习提供便利，还可用于课程教学演示。虚拟实验降低学生对硬件实验的畏难情绪，不受硬件设备的限制，增强了趣味性，提高了学生的自信心。实验辅助模块发布实验项目指南、时间安排表、背景知识等资源，为开放式实验提供信息交互的服务。辅助模块激发学生自主学习的热情，提高设计分析能力。在成果展示模块中展示往届学生的优秀作品，使学生充满成就感，鼓励学生不拘泥于既有的实验方案，发挥创新能力。

开放式的网络实验环境使学生参与整个实验过程，包括实验准备、实验复习等。学生还可根据实验需求和个人的学习情况，自由选择实验内容，鼓励学生“百花齐放”地设计实验方案，获得良好的实验效果。

3.实时更新实验内容，建立“科研融入教学”等课外科技实践机制

在研究、创新型实验的内容设置中，融入教师的科研项目，开设相关的课题，引导并组织部分学生参加。由于这类课题有一定的难度，学生对其中的技术和内容比较陌生，教师除了明确课题目标、待解决的问题和关键点，还需要预测学生在实验中易出现的问题，以及解决方案。[11]所以教师要充分关注实验过程，开展定期的检查工作。这类课题促使学生由单元设计向系统设计过渡，掌握传感器、虚拟仪器、电子电路和检测系统设计等技能，培养学生初步的科研能力。

此外，根据学生的兴趣实施因材施教，积极引导学生参与竞赛项目，如虚拟仪器设计大赛等，培养高素质的创新型拔尖人才。

4.开展研讨式、启发式、探讨式的实验教学方式

针对当前的“教师讲，学生做”的被动型教学方式，在设计型实验中，我们采用研讨式、启发式、探讨式的教学方式。转变学生的消极学习方式，构建开放的学习环境，创造学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学方式，[12]激发学生的探索创新，加强学生独立操作、思考分析和相互协作的能力。

通过发布实验项目指南代替实验指导书，项目指南提供实验内容和参考资料，而非具体的方案和详细的实验步骤，实现“以教师为引导，学生为主体”。[13]每3名学生组成学习小组，自主选择课题，查找资料确定方案交由教师审核，包括完整的电路图、设计计算、仿真结果等。教师参与小组讨论和提供指导。项目完成后，以小组为单位进行汇报。实验评价分三部分：教师评价、学生自评、组内互评。总体评价除了注重实验设计、实验过程、问题的解决方案和实验成果外，还要关注协作能力和个体发展等，避免以往实验成绩单靠实验报告“一刀切”的评价方式。

三、开放式虚实结合的实验教学模式的评估

该实验教学模式在我校电子信息工程系08级、09级学生中试行。学生先后完成了基础型虚拟实验和基于Labview的设计型实验。

1.实验完成情况

从实验完成情况分析，虚拟实验便于学生随时随地自主学习和复习，基础知识点掌握较扎实。“虚实结合”的设计型实验拓扑图的复杂性也远远大于实物实验的设计。

2.问卷调查结果

为了客观评价该实验教学模式和进一步完善，进行学生的问卷调查，具体回收情况如表1所示。问卷包括10道题目，其中7个多选题和3个开放型问答题，内容包括学生对实验模式的认可程度、教学效果评价以及实验方式选用情况等方面。具体问卷调查结果如表2所示。

实验方式的认可度和教学效果均超过4分，说明大多数学生对实验方式的评价较高。不少学生认为，虚实结合的实验方式能更深入地了解实验过程，掌握相关知识，弥补实物实验不足。实验时间与地点灵活，结合网站，实现远程学习。基础型和设计型实验的采用率均高于90%，越来越多的学生肯定了该实验模式的必要性。

3.学习情况跟踪

实验模式的改革极大地提高了学生的学习兴趣。在毕业设计选题中，选择与该课程相关题目的学生数量大幅度增加，去年达到了30%。同时，实验模式的改革极大地提升了学生的应用能力。不少学生在学科竞赛中取得不错的成绩。部分学生反映，课程改革对其深造和就业有着积极意义。

四、结论

我系以“传感器技术及应用”为例，从教学资源、实验环境、课外实践、教学方式等方面改革，构建开放式虚实结合实验教学模式。不仅实现了应用型人才全方位的培养，而且激发了学生的主观能动性与创造性思维。此外，该教学模式的研究对提高实验教学质量有积极作用，对实验教学体系和方法均有借鉴与思考意义。

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[9]罗朝明，吴祥营，陶扬威，等.虚拟实验在《信号与系统》教学中的应用[J].电子技术，2014，（1）.

[10]戴洪德，孙玉玉，吴晓男，等.虚拟仪器在飞机仪表实验教学中的应用探索[J].仪表技术，2014，（3）.

[11]何小溪，仲伟峰，周威.创新人才培养实践教学体系的探索与构建[J].黑龙江教育，2014，（1）.

[12]张冬至，刘润华，王平，等.电类课程研究型教学模式与学生创新能力培养研究[J].实验技术与管理，2014，31（3）.

[13]赵方，苏咏梅.基于CDIO的高职电子专业项目化教学探索与实践[J].教育与职业，2014，（24）.

（责任编辑：刘翠枝）

作者：张静?肖明

传感器虚拟实验设计论文 篇3：

信息技术在初中化学实验教学中的创新应用

摘要：2018年4月，国家教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量，支撑引领教育现代化发展。在化学实验教学中融合现代信息技术，能弥补传统实验教学的不足，使实验的可视范围更广、清晰度更好、直观性更强;能帮助学生快速的掌握实验操作步骤和技巧;可以充分调动学生的积极性、主动性和创造性，从而提高实验教学的效果。

关键词：化学实验;多媒体;视频;投屏;数字传感器;虚拟实验室

化学是一门以实验为基础的学科。化学实验不仅能培养学生的实验技能，更能培养学生的科学思维及创新能力。实验教学直接影响到学生对化学知识的掌握和科学素养的形成。在化学实验教学中融合现代信息技术，可以很好的提高实验教学的效果。

一、利用多媒体课件，引导学生进行合理猜想

实验教学的地位和作用已经从过去的培养学生的技能扩展到了对研究、思想方法和创新能力的培养。新课程改革要求课堂上学生能主动去学习探究，倡导在“做中学”的体验式学习，而化学课上的实验探究则是实现学生在“做中学”的主要方式。猜想是实验探究的重要环节，然而学生的知识经验有限，大部分学生都是瞎猜。不给学生知识提示，就要求学生对所研究的问题进行猜想，80%以上的学生这种时候很茫然，不知道从哪里猜起。

二、巧用多媒体给学生“塞凳子”，让学生成功完成实验方案的设计。

化学实验方案设计是学生在实施化学实验之前，根据化学实验目的和要求，通过查阅资料、调查访问等方式获得相关的知识和经验，然后在小组内讨论，运用已有的化学知识与经验，对化学实验的仪器、装置、步骤和操作方法所进行的一种规划。化学实验设计对于发展学生的科学探究能力、提高他们的科学素养具有重要意义，但这也是实验探究最难的一步。例如：在探究空气中氧气的含量时，学生刚接触这种比较复杂的实验，而且尚未学习大气压强，查阅资料也无从下手，无法完成一套实验方案的设计。这时如果能利用多媒体短片放映有关气体压强的现象特别是生活中的例子，（如买瓦坛子的时候先用草在 坛子烧一会，再把坛子口放入水中水被吸入坛子中）学生受到启示通过讨论后就能顺利把实验方案设计出来了。

三、利用手机进行拍照和录制小视频，幫助学生掌握实验操作步骤。

我们在上学生实验课的时候，往往要先跟学生讲解实验步骤。但是枯燥的讲解并不能吸引学生的注意，加之到了实验室，实验用品都摆在了学生面前，他们的注意力被实验器材吸引，除了自制力强的少数学生还在听老师讲，多数学生都忙着观察实验用品去了。这个时候如果我们能把实验操作步骤的关键点拍下来，对着照片和小视频讲解，学生会感兴趣的多。例如，氧气的实验室制取和性质实验，该实验的操作有一定的难度，在实验前我们可以自己预先做实验，把检查气密性、装好药品的试管、固定好的装置等拍照，在关键部位用红色圆圈圈出来，将加热、气体的收集等拍成小视频，在拍视频的时候突出关键点，例如加热的时预热和用外焰部分加热，在收集气体时让镜头对准导管口冒出的气泡，等气泡连续均匀冒出时开始收集，在讲解实验步骤的时候配合这些照片和视频，由于照片上的仪器药品跟学生实验桌上的一样，学生感觉很亲切，注意力自然被吸引过来了。

四、利用手机进行投屏，让学生能更好的观察实验并掌握实验技巧。

化学是一门以实验为基础的学科，课堂上很多时候需要做实验。但由于有的实验演示时，不好拿着在教室里走动，位置不好的学生都观察不到，久而久之，就会导致后面的学生对演示实验缺乏兴趣，在教师演示时干别的事情。如果我们在演示实验的时候进行投屏，就能很好的解决这个问题。例如在教师演示过滤操作时，由于学生位置的关系，大部分学生无法观察到教师是如何让玻璃棒靠在三层滤纸一边，混合液低于滤纸边缘也无法观察到，导致学生在自己操作时玻璃棒拿着靠三层滤纸很别扭，总是左手拿着靠在左边，又朝左边倾斜，操作起来极不方便，还很容易将水倒倒到外面。

五、利用手持实验技术，完成数据的精准采集并将其直观的展示出来。

手持实验技术相比传统实验具有便携、实时、准确、直观形象的优点。教材上有些实验利用传统的实验器材进行实验时，不能较好的将实验数据呈现出来：现象不够明显，数据不够准确，影响学生对数据的分析和找规律，效果不是很好。如果改用手持实验技术，效果就会好很多。例如：学习PH时，对于稀释几种不同酸碱性的溶液的PH值的变化及酸碱中和反应中的PH变化的探究，用PH试纸测量其变化就非常的困难，但如果采用PH传感器进行数据采集，连上电脑就能直接将其变化按我们需要的方式（变化曲线）呈现出来，直观明了，学生一看就明白且印象深刻。如果连上摄像头，还能将实验操作过程展示在屏幕上，更方便学生观察，而且还可以录下来供回放使用，非常的直观、方便。

六、利用虚拟实验室，完成一些实验室没有条件完成的实验。

在实验教学中，一些实验由于受实验器材限制，无法让学生自由的进入实验室进行实验;有些实验试剂有毒，从师生的安全角度出发，一般学校实验室也不会开设。利用虚拟实验室，学生便可以身临其境般地操作虚拟仪器，操作结果可以通过电脑显示反馈给学生。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，安全方便，可重复操作，有效地解决了实验条件与实验效果之间的矛盾。例如：一氧化碳还原氧化铜的实验，由于一氧化碳有毒，所以课堂上我们一般都不演示;还有氧气的实验室制取，该实验消耗大，且酒精灯的使用不当易引发火灾，一般教师带学生进实验室做一次就不会再去做了，但是有部分学生在一节课内无法完成该实验，或者是在实验中出现了一些错误，实验失败等问题，学生很想进行第二次实验。

总之，现代信息技术的发展为我们的教学提供了更好的技术支持。随着我们国家教育现代化的推进，信息技术将会让我们的教学方式和学生的学习方式发生改变。在实验教学中融合现代信息技术，能丰富我们的实验教学内涵，提高学生的学习兴趣，提升实验教学的效果，达到利用实验培养学生的动手能力和发展学生的科学创新思维的目的。

作者：刘玉芬