PN結的微觀世界3D教學軟件設計與應用

程春雨， 馬 馳， 商云晶， 吳振宇， 于雙和， 婁 歡

（1.大連理工大學a.電子信息與電氣工程學部；b.創新與創業學院，遼寧大連116024；2.大連通科應用技術有限公司，遼寧大連116025；3.中科創達軟件股份有限公司，遼寧大連116023）

0 引 言

為了進一步貫徹落實《教育信息化2.0行動計劃》文件精神，推進信息技術與教學深度融合，加強教學資源建設與應用，促進教學資源開放共享，提升教學質量和育人水平，推動教學改革與創新［1-3］，國內各高校都在積極推進教學與信息技術深度融合工作。在此過程中，涌現出了一大批優秀的虛擬仿真實驗教學軟件［4-5］，廣泛應用于生物學、醫學、建筑學、土木、船舶、海洋等專業領域。在電類實驗教學中，電力系統、大型電機、大型控制系統等高成本、高能耗、時空跨度大、危險性強的虛擬仿真實驗教學軟件較為常見，而針對微觀不可見等電子現象的虛擬仿真實驗教學軟件相對較少?；诮虒W需求，我校模擬電路教學組設計了PN

結的微觀世界虛擬仿真實驗教學軟件。

1 設計背景

模擬電路是電類專業學生學習硬件電路設計的入門級專業基礎課，具有很強的理論性、實踐性和工程性，概念繁雜、晦澀難懂，常被學生戲稱為“魔電”［6-8］。模擬電路入門階段的學習是從半導體基礎知識開始，從半導體原子外層結構、共價鍵、自由電子和空穴、P型半導體和N型半導體、內建電場、空間電荷區和耗盡層、反向漏電流等概念講起，具有微觀不可見、抽象晦澀等特點，入門學習難度較大。

為了幫助學生快速學習并掌握模擬電路入門知識，基于3D虛擬仿真技術，課程組設計開發了PN結的微觀世界虛擬仿真實驗教學軟件，如圖1所示。該軟件應用于教學可提升學生學習興趣，激發出學生的想象力和創造力，有助于培養學生具有發現問題、分析問題、解決問題的工程實踐能力，提高教學效率，改善教學效果。

圖1 軟件主界面

2 實現方式

信息技術與教育教學深度融合的核心目標是增強學習者的學習體驗［9-10］，通過新技術破解教育教學難題，改善學習效果，確保教學質量的提升。與傳統的實驗相比，虛擬仿真實驗具有受眾面廣、學習便捷、無地域限制等優勢［11-12］。虛擬仿真實驗教學軟件的推廣和應用，能有效保障優質教學資源的傳播與共享。

本著“以虛補實、能實不虛”的設計原則，秉承“以學生學習需求為中心”的設計理念［13］，課程組將學生在學習過程中所遇到的重點難點問題進行了歸類整理，將復雜概念分解細化，將線下實體實驗無法展現的內容設計成微觀仿真模型，并以3D的形式動態呈現，如通過微觀載流子運動規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實中的物體抽象為多邊形或者多種曲線等表現形式，經過大量計算，輸出3D仿真模型算法的集合。通過3D建模引擎可以在虛擬世界中建立起一個“真實的世界”。3D仿真逼真度越高，教學效果越好。目前較為常用的3D建模引擎有3D Max、Unity3D等。在3D建模引擎和開發工具選擇上，課程組進行了大量嘗試。本虛擬仿真實驗教學軟件的設計主要采用了3D Max，它是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。課程組用3D Max設計的標準分立電子元器件模型、專用器件模型、電機內部結構組裝模型等如圖2所示。此外，設計還用到了二維動畫設計軟件Adobe Animate CC、視頻處理軟件Adobe Premiere Pro CC、圖片處理軟件Adobe Photoshop等開發工具。

圖2 用3D Max設計的部分模型

PN結的微觀世界虛擬仿真實驗教學軟件的程序框架、交互功能、資源整合等用的是LayaAir，所使用的編程語言主要是TypeScript和JavaScript。LayaAir是LayaBox旗下第二代HTML5引擎，性能優秀，現已成為HTML5行業公認的開發中大型游戲的首選引擎，除了支持2D3DVRAR、HTML5等開發外，該引擎還可應用于廣告、營銷、教育、醫療等眾多領域。

3 內容設計

教學軟件在完成在線教學任務的同時，更應注重教學內容的設計。虛擬仿真實驗教學軟件之所以能夠快速發展，因其順應了當代實驗教學需求的同時還堅守了內容設計的質量標準，學生良好的學習體驗背后蘊含著教師們對教學內容的精心設計。教學內容設計是虛擬仿真實驗教學軟件設計的重要環節，內容設計質量的高低將直接影響教學軟件開發的成敗和使用效果［14-15］。

在當代實驗教學，尤其是疫情等特殊時期網絡教學的驅動下，虛擬仿真實驗教學軟件得到了蓬勃發展，其中，電子類，尤其是針對微觀電子現象的虛擬仿真實驗教學軟件相對較少。為了扎實模擬電路理論基礎，彌補實驗教學在電流、電場等微觀實驗內容上的不足，增強學生學習“魔電”的信心，課程組根據學生在學習過程中反饋的重點難點問題，設計了PN結的微觀世界虛擬仿真實驗教學軟件。

載流子（多子和少子）、電流、電場等具有微觀、抽象、不可見、實體實驗難以呈現等特點。本軟件借助于生動形象的3D微觀模型，采用虛擬仿真技術，通過界面友好的交互操作，設計了原子外層結構微觀模型，并將載流子移動過程可視化。通過分析載流子所受電場力及其運動規律，幫助學生動態分析、深層次學習內外電場的作用、載流子的運動規律、PN結的工作原理、二極管的單向導電性和反向漏電流、三極管的放大原理等。設計循序漸進、逐層深入的實驗內容，加深學生對重點難點問題的理解。通過對載流子微觀結構與微觀現象抽象不可見問題的生動呈現（見圖3），破解線下實體實驗難以解決的教學難題，有效激發學生學習興趣、想象力和創造力，培養學生自主學習的良好習慣，提高學習效率，改善教學效果。

圖3 N型半導體學習界面

此外，課程組還將虛擬仿真教學內容與線下實體實驗內容緊密結合，將面包板導電機制、搭接電路查錯糾錯實訓、實驗數據和波形分析等內容融入教學軟件中。學生通過對微觀結構和微觀現象的學習，深刻理解并掌握二極管、三極管等元器件的工作原理后，可通過在線實訓自主嘗試、分析、驗證元器件的使用方法，使學生更好地理論聯系實際，實現與線下實體實驗有效銜接，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的工程實踐能力，為后續專業課程的學習和實踐打下堅實的基礎。本軟件主要包含以下3大模塊。

3.1 PN結的微觀世界交互學習認知模塊

PN結的微觀世界交互學習認知模塊主要包括：原子外層（價電子層）結構、共價鍵的形成、半導體材料的低導電性、自由電子和空穴的形成、N型半導體和P型半導體的定義、空間電荷區和耗盡層的形成、內建電場的建立、多數載流子（P區的空穴和N區的自由電子）和少數載流子（N區的空穴和P區的自由電子）所受電場力及其運動規律、PN結的形成、二極管的正向偏置和反向偏置、反向漏電流的產生、二極管（PN結）的單向導電性、晶體三極管的微觀結構、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動規律及其放大原理、晶體三極管偏置方式及其3種工作狀態等內容，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習界面

實驗內容通過載流子的運動規律貫穿，比如關于二極管反向漏電流的產生，是因為二極管中除了因摻雜而產生的多數載流子（P區的空穴和N區的自由電子）外，還存在極少數的本征載流子（P區的自由電子和N區的空穴），即少數載流子。二極管反向偏置時，少數載流子被外加電源電場激發，反方向移動形成反向漏電流，因此，二極管反向偏置時有極小的反向漏電流存在。通常情況下，少數載流子的數量極少，二極管的反向漏電流也很小，可以忽略。但是，如果PN結中少數載流子的濃度大量增加，反向漏電流也會隨少數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現了放大作用。

實驗設計了豐富多樣的交互學習內容，例如在N型半導體材料和P型半導體材料的學習中，學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；在二極管的學習中，學生在不使用限流電阻直接接通電源時，將看到二極管被燒毀的動畫；在二極管、三極管的學習中，學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的變化等。

在實驗過程中也穿插了大量的交互測試內容，例如學生在學習完N型和P型半導體后，能夠根據情況自行判斷P區和N區的位置；學習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；學習完三極管放大原理后，能夠懂得判斷基極、發射極、集電極的位置；學習完三極管的偏置方式后，能夠根據BC結和BE結的偏置狀態判斷三極管所處的工作區域等。

3.2 面包板搭接電路查錯糾錯實訓操作模塊

面包板搭接電路查錯糾錯實訓操作模塊主要包括面包板及其導電機制簡介、LED發光強度比較電路原理講解、搭接電路查錯糾錯實訓操作、發光二極管（LED）工作電流與發光強度關系測試分析等內容，具體操作界面如圖5所示。

圖5 面包板搭接電路查錯糾錯實訓操作界面

面包板搭接電路查錯糾錯實訓操作模塊主要通過完成對實際搭錯電路的查錯糾錯過程，訓練學生掌握在面包板上搭接實驗電路的原則、方法和技巧。共設計了8個交互實訓內容。每一個交互實訓內容有若干個錯誤點，正確找出錯誤點后會有對應的分析講解；每次錯誤操作，也會有相應的錯誤操作提示。

面包板搭接電路查錯糾錯實訓模塊可以通過交互操作，反復練習，幫助學生熟練掌握面包板的導電機制、使用原則、方法和技巧等，可以大量節省線下實驗時間，降低實驗過程中錯誤操作次數，大幅度提高實驗效率，改善教學效果。

3.3 三極管實用電路設計分析模塊

晶體三極管單管電路靜態工作點的設置是學習放大電路的基礎和前提。開始學習時，學生弄不清靜態工作點和動態放大之間的關系，會將電路設置在飽和區或者截止區卻試圖去測試電路的放大性能。

三極管實用電路設計分析模塊將三極管單管電路靜態工作點的設置及其工作狀態與輸入輸出波形對應起來，通過改變電阻值來改變靜態工作電壓，同時，三極管所處工作區域會發生變化，輸出波形也會隨之變化，如圖6所示。經過反復多次重復操作，學生可以熟練掌握晶體三極管單管電路靜態工作電壓與3種工作方式及輸入輸出波形的對應關系等，為后續復雜電路的學習和設計奠定基礎。

圖6 三極管實用電路設計分析界面

4 考核與評價

教學考核與教學評價應能全面反映學生對知識的理解和實驗過程的詮釋。改進評價方法，健全評價體系，全面考核學生學習成效，綜合評價學習能力、實踐能力和創新能力是虛擬仿真實驗教學軟件考核功能應重點考慮的問題。本虛擬仿真實驗教學軟件采用過程化、網絡化、智能化“三位一體”的多元化教學評價模式，通過過程記錄和加印水印的方式保證學生身份的真實性；通過交互操作和隨機抽取考查內容等方式保障考核內容的真實性和客觀性，以及評價的公平公正性；通過設計重復操作不計入考核成績的智能運算方式保障學生不會忌憚重復多次學習，幫助學生扎實掌握所學技能；通過過程化、網絡化、智能化的考核評價，培養學生不畏困難、積極進取、勇于探索的學習態度和科研精神。

5 結 語

PN結微觀世界虛擬仿真實驗教學軟件具有生動形象、操作界面簡單、微觀細節表現生動、富有知識性和啟發性、理論與實際結合緊密，可展現實體實驗無法呈現的微觀特性，不受時間和地點限制，鼓勵多次重復操作，使用成本低，可拓展性強等優點，其教學應用提升了實驗教學效率、水平和效果，提高了實驗教學質量，解決了以下幾個問題：

（1）通過線上教學的形式解決實驗教學學時少、學生參與實踐相對困難的問題。

（2）通過新穎、生動、形象的教學設計和3D動態模型調動學生參與實踐的積極性，有助于改善學生主動參與實踐的積極性不高、學習興趣不能長期堅持等問題。

（3）本軟件的教學應用保障了在有限的實驗教學資源條件下吸引更多的學生主動參與到實踐教學活動中，最大限度地提高了學生的受益面。

（4）本軟件注重對實驗過程的監督評測和考核管理，保障了學生身份的真實性、評價內容的完整性和客觀性、考核結果的公平公正性，杜絕了部分學生不愿意獨立完成實驗，實驗數據弄虛作假等問題。

PN結的微觀世界虛擬仿真實驗教學軟件普適性強，適用于普通高等教育、中等?？圃盒?、職業技術學校和科普教育中的電類、光電、物理等專業教學使用。其教學應用對我校相關課程建設和學科發展起到了一定的推動作用，得到了學生和同業專家的認可和高度好評，有著廣泛的教學使用價值和推廣前景。