摘要：在本科教學中如何采用現代化的教學方法解決教學難點，加強課本中的知識點與實踐之間的聯系，是高校教師面臨的挑戰，也是亟須解決的難題。本文以“傳感器技術”課程為例，該課程的學習需要使用大量的數學工具建立傳感器的物理模型，并深刻理解傳感器的感知原理。因此，學生在學習本課程時會出現較多困難點，難以高效理解吸收課本知識，以至于教師無法實現高質量的教學。借助Comsol仿真軟件強大的功能，筆者嘗試將其運用到教學中，利用仿真軟件建立傳感器物理模型，求解相對應的物理參數。仿真軟件的可視化功能激發了學生的學習興趣，使得授課內容更加直觀化、簡單化，大大減少了學生對復雜數學計算問題的擔憂，提升了課堂教學質量。

關鍵詞：傳感器技術；物理模型；感知原理；Comsol仿真軟件

1概述

我國提出“雙一流”建設的國家戰略旨在推動高等教育的“內涵式發展”，進而整體提升高等教育的水平。在此背景下，對于本科教育的高質量建設是必然要求［1］。因此，在本科教學中如何采用現代化的教學方法解決教學難點，加強課本中的知識點與實踐之間的聯系，是高校教師面臨的挑戰，也是亟須解決的難題。以“傳感器技術”這門課程為例，它是測控技術、電子信息工程、自動化、機電工程等專業的一門重要專業技術課程，其主要研究傳感器的基本原理、基本特性及性能指標，傳感器設計、標定及校準方法，各類傳感器的轉換原理、實際應用及未來發展趨勢。通過本課程的講授，使學生在學習模電、數電、物理學部分的基礎上，能夠運用所學的定律和定理來分析掌握傳感器系統的數學模型的建立與求解，為學生在工程實際中傳感器系統的設計打下一個良好的基礎。

然而，該課程的學習需要使用大量的數學工具建立傳感器的物理模型，并深刻理解傳感器的感知原理，以豐富的理論為基礎設計傳感器，進而解決實際的復雜工程問題。因此，學生在學習本課程時會出現較多困難點，難以高效地理解吸收課本知識，以至于教師無法實現高質量的教學。如何激發學生學習本課程的積極主動性，是授課教師亟待解決的教學難題。當前教學模式存在一系列的問題，比如單一的講授方式導致授課內容枯燥乏味，啟發式教學不足，難以讓學生所學的理論知識與實際工程應用有效結合，使得學習效果大打折扣。為了調動學生學習的興趣、克服傳統授課方式的弊端、提高授課質量，眾多教師探索了大量的有效授課途徑，比如課堂教學引入手機APP、多媒體動畫展示、翻轉課堂等。基于大量的教學案例表明，將新型多媒體技術與傳統的教學方式有機結合可以激發學生的學習興趣，提高對所學知識的理解能力，進而增加了學生的自信心［2］。

在眾多的教學媒體中，針對實物采用計算機仿真軟件建立模型，探究物理模型中各個參量的相互作用會提高學生的興趣與對復雜知識的理解力。ComsolMultiphysics仿真軟件在操作的便捷性方面更具有優勢，無需編寫代碼，直接在操作界面選擇幾何結構、設置參數，其界面交互友好、處理功能強大。該仿真軟件針對不同應用領域有力學、電磁場、流體、傳熱、化工、MEMS、聲學等模塊，能實現多物理場、多參數耦合，以及具有CAD、MATLAB和Excel等軟件的第三方接口。眾多授課教師把ComsolMultiphysics仿真軟件應用到教學實踐中，比如，吳宏偉等［3］借助該軟件在光纖技術與應用課程中實現彎曲階躍光纖模式的仿真分析；孔為等［4］在節能技術課程中以固體氧化物燃料電池為實例，借助該軟件求解課程中所涉及的復雜的偏微分方程；李衛平等［5］采用Comsol仿真軟件建立物理模型模擬材料的整個腐蝕過程，有效解決了實際操作過程中材料腐蝕時間長難以實時監測的難題，提高了學生利用仿真手段解決實際復雜工程問題的能力。借助于Comsol仿真軟件強大的功能，筆者嘗試將其運用到“傳感器技術”教學中，利用仿真軟件建立傳感器物理模型，求解相對應的物理參數。仿真軟件的可視化功能給學生較大的感官刺激，激發了學生的想象力，使得授課內容更加直觀化、簡單化，大大減少了學生對復雜數學計算問題的擔憂，提升了課堂教學質量。本文以柔性位移傳感器為例，展示利用該仿真軟件在課堂教學中的效果。

2柔性位移傳感器工作原理介紹

2.1傳感器介紹

如圖1所示，柔性位移傳感器一般是以防水防潮、彎曲性能良好的柔性材料為基底，采用表貼或者內嵌的方式，把應變片或者FBG（光纖光柵）與柔性材料相結合。傳感器工作時，其一端固定，其余為自由端，基于應變片或者FBG采集的應變信息利用位移重構算法即可計算柔性傳感器所有檢測單元末端測量點的位移，進而得到被測物體的位移場的變化。

2.2重構算法介紹

將柔性傳位移感器視作由許多梁單元（檢測單元）組成，應變片或者FBG布置于梁單元中點，傳感器受到外力作用而發生形變時，可通過應變片或者FBG測量到的應變信息推出梁單元末端（測量點）的撓度，從而求出梁單元末端的位移，每個分解梁都可以此類推，圖2為上述推導過程原理圖。

重構算法推導過程：由材料力學相關理論，距離固定端長度為l的應力為：

σ=F（L-l）RI（1）

式中：F為使梁單元產生彎曲的力，L為梁長度，R為梁表面到中性軸的距離，I為慣性矩。因為σ=E·ε，其中E為材料的彈性模量，所以有：

在應變片或者FBG處，即當l=L/2時：

εL/2=F（L-L/2）REI=FLR2EI（2）

梁單元末端的撓度ω及梁末端的旋轉角θ公式可得：

ω=FL33EI=2L23RεL/2

θ=FL22EI=LRεL/2（3）

如圖2所示，以垂直于第一個梁單元固定端為y軸建立坐標系，定義xi為第i個梁單元末端的水平位移，xiθ為第i-1個梁單元旋轉角所對應的水平位移，xiω為第i個梁單元撓度所對應的水平位移。因此有

x1=ω1i=1

xi=xi-1+L·sin∑i-1n=1θn+ωi·cos∑i-1n=1θni＞1（4）

3仿真步驟及分析

（1）幾何構建：新建空模型文件，在模型開發器中添加三維“組件1”，選擇“幾何1”分類添加“圓柱體1”，設置圓柱體參數，半徑為2.5mm，高度為900mm，并在模型表面分別添加指定不同位移點，如圖3所示。

（2）賦予材料：選用POM（聚甲醛）材料。選擇添加材料庫中“Acrylicplastic”，具體參數按照表1所示。

（3）添加物理場：添加物理場接口，選擇結構力學模塊下的固體力學。按照在“初始值1”分類中設定初始端面中心坐標O（0，0，0），沿x軸方向在模型不同位置處設置位移點，在坐標（300，0，-2.5）處沿z軸方向施加30.7mm位移，在坐標（500，0，-2.5）處沿z軸方向施加11mm位移，在坐標（700，0，-2.5）處沿z軸方向施加38mm位移，在坐標（900，0，-2.5）處沿z軸方向施加18.2mm位移。

（4）網格設置：計算機運算需要對模型進行網格化，在“組件1”添加網格，選擇自由四面體網格，考慮到使用設備的計算性能，單元質量優化中選擇“基本”優化級別，在“尺寸”的單元大小下預定義中選擇“較細化”，網格化后效果如圖4所示。

（5）添加研究：選擇“穩態”，在研究設置內勾選“包含幾何非線性”，配置物理場和變量選擇，最后點擊計算按鈕。

（6）仿真結果導出（見圖5）。

（7）不同測量點的位移如表2所示。

上述仿真過程可知：在“傳感器技術”這門課程教學中，基于Comsol的仿真軟件對傳感器建模仿真分析，既豐富了授課方式，又使復雜的問題更加形象具體化，進而提高學生對傳感器感知原理的理解。

4結論

本文是以“傳感器技術”這門課程中柔性位移傳感器為例，介紹了利用Comsol仿真軟件對傳感器進行建模與仿真分析。與之前復雜的文字和枯燥的公式表達相比較，仿真軟件的可視化使得教學更加形象生動。通過層次分明、直觀化的軟件仿真技術與傳統的授課方式相結合，激發了學生學習知識的興趣，夯實了自身理論基礎；通過建模仿真傳感器的感知原理，讓學生學會獨立思考、解決問題的同時提高了自身的創新能力。下一步，筆者嘗試將這一教學手段應用到其他課程教學中，通過不斷完善可視化的仿真教學演示，使之成為提升專業教學質量的重要抓手，并且有助于培養應用型人才。

參考文獻：

［1］蔣觀麗，劉志民.外嵌與內生：“雙一流”建設背景下高校學科組織發展的內在機理與行動邏輯［J］.江蘇高教，2023（08）：7078.

［2］樂建華，王睿勇.“以學生為中心”的多元化課堂教學環境構建——以“傳感器與檢測技術”課程為例［J］.高等理科教育，2021（02）：8994.

［3］吳宏偉，程淑玲.“光纖技術及應用”課程中可視化仿真軟件的應用——以COMSOLMultiphysics仿真光纖模式分析為例［J］.科技風，2022（30）：101103.

［4］孔為，肖建昆，陳代芬.ComsolMultiphysics在“節能技術”教學中的應用［J］.科技資訊，2013（06）：209.

［5］李衛平，劉慧叢，陳海寧，等.基于COMSOL軟件的腐蝕仿真實驗教學方法［J］.實驗室研究與探索，2021，40（10）：8285.

項目基金：山東省自然科學基金項目（ZR2021QD066）

作者簡介：田長彬（1990—），男，漢族，山東汶上人，博士研究生，講師，主要研究方向為光纖傳感理論及其應用。