計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)一體化同步教學(xué)系統(tǒng)研究

樊澤明+梁振濤+任靜

[摘 要] 針對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程當(dāng)前教學(xué)方式存在的不足，構(gòu)建了該課程理論與實(shí)驗(yàn)一體化同步教學(xué)系統(tǒng)。該教學(xué)系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)設(shè)備為平臺，以校園網(wǎng)為紐帶，以教室教學(xué)設(shè)備為工具，將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融為一體。針對該課程中的數(shù)據(jù)采集部分，展示了新教學(xué)方式的實(shí)現(xiàn)效果。新的教學(xué)方式實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，不僅使教學(xué)過程變得形象直觀、通俗易懂，而且學(xué)生能夠全程參與課程學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);教學(xué)方式;遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn);教學(xué)系統(tǒng)

[中圖分類號] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）03-0061-06

0 引言

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代檢測技術(shù)相結(jié)合的綜合應(yīng)用技術(shù)，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科[1，2]。該課的教學(xué)目的是掌握將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于檢測、控制等工程實(shí)際領(lǐng)域的方法，其教學(xué)任務(wù)除了要使學(xué)生較系統(tǒng)地掌握理論知識外，還要求通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生受到必要的工程訓(xùn)練和初步的科學(xué)研究方法的鍛練，從而達(dá)到鞏固、深化和擴(kuò)大所學(xué)理論知識的目的，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力[3]。

實(shí)踐環(huán)節(jié)是該課程學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容[4]，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要組成部分，是學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐的重要指導(dǎo)。然而目前該課程教學(xué)存在諸多問題，主要表現(xiàn)在：（1）理論教學(xué)枯燥、理解困難，如在講電機(jī)的PID控制時(shí)，學(xué)生對這3個(gè)參數(shù)的理解比較困難，老師講完后也不明白它們的本質(zhì)特征;（2）大型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都比較昂貴，這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備較少，不僅很難實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生一臺機(jī)器，而且因擔(dān)心學(xué)生損壞設(shè)備，一般不會(huì)讓學(xué)生親自動(dòng)手，更不可能安排學(xué)生親自做實(shí)驗(yàn);（3）在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，老師都要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前培訓(xùn)，目前的方法是學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室，老師在講解時(shí)，學(xué)生圍在老師和實(shí)驗(yàn)設(shè)備周圍，這樣很難讓每個(gè)學(xué)生都能看到和聽到老師的講解和演示，實(shí)驗(yàn)前的培訓(xùn)效果并不好;（4）實(shí)驗(yàn)課與理論課分割開來，授課老師與授課進(jìn)度都不同，造成兩者相互脫節(jié)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課時(shí)無法直觀和深刻地理解所學(xué)的知識，而在實(shí)驗(yàn)課中又不能很好的聯(lián)系自己以前所學(xué)的理論知識，使得實(shí)驗(yàn)課無法達(dá)到很好的教學(xué)效果，甚至使得實(shí)驗(yàn)課流于形式;（5）實(shí)驗(yàn)課本身也有許多弊端，比如受到時(shí)間、空間的限制，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)往往不能全面了解和掌握實(shí)驗(yàn)所提供的知識，不能實(shí)現(xiàn)與理論教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。比如測控的過程不夠形象直觀，學(xué)生僅僅只是按照老師給定的原理圖焊接電路并給出既定的輸入信號，得到似懂非懂的輸出信號，并不能對整個(gè)系統(tǒng)有直觀的感覺，不能清晰了解整個(gè)系統(tǒng)的工作過程以及每個(gè)器件在系統(tǒng)中的作用，這就不能很好的起到教學(xué)的目的，很多時(shí)候會(huì)事倍功半。本文基于這種現(xiàn)狀，針對該課程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種全新的理論與實(shí)驗(yàn)一體化的同步教學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，能夠使教學(xué)過程變得簡單、形象而通俗易懂，甚至能夠起到事半功倍的效果。

1 理論與實(shí)驗(yàn)一體化同步教學(xué)系統(tǒng)的理論 分析

現(xiàn)代教育不僅是讓學(xué)生提高理論水平，更要讓學(xué)生具備應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，即培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)理論和實(shí)驗(yàn)知識的能力、獨(dú)立應(yīng)用理論知識解決工程問題的能力和應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提高理論創(chuàng)新的能力。這就需要理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密聯(lián)系，同步進(jìn)行。

1）從能力培養(yǎng)角度考慮。一方面，在理論教學(xué)過程中通過及時(shí)實(shí)驗(yàn)快速理解理論知識，提高理論學(xué)習(xí)效率;另一方面，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)探求解決問題的理論知識，從而快速提高分析問題和解決問題的能力。

2）從教學(xué)內(nèi)容上考慮。理論與實(shí)驗(yàn)一體化同步教學(xué)，其知識成份既具有更加廣泛的遷移性、更適合于學(xué)生解決問題和創(chuàng)新的需要，也具有廣闊的綜合性，是理論與實(shí)驗(yàn)知識的綜合集成，更適合于學(xué)生從理論和實(shí)驗(yàn)綜合的角度分析問題。其以圍繞解決未來職業(yè)相關(guān)的實(shí)際問題的面貌出現(xiàn)，為課程賦予了新的活力，必然會(huì)激起學(xué)生的興趣與好奇，使其產(chǎn)生求知的欲望和學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，使學(xué)生更樂于利用這些解決問題的知識進(jìn)行新的嘗試與探索，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生從記憶知識中解放出來，從而成為探索知識、運(yùn)用和創(chuàng)新知識的能工巧匠。

3）從教學(xué)情況考慮。更適合于應(yīng)用發(fā)現(xiàn)法教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)因材施教，使教師從繁重的講授中解脫出來進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究、探索與提高。

4）從整體功能上考慮。改變了師生之間的關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)了師生角色的轉(zhuǎn)變，學(xué)生成了學(xué)習(xí)的主體，教師成了教學(xué)的主導(dǎo);改進(jìn)了教學(xué)的過程，使實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)成為了一個(gè)有機(jī)的整體，加強(qiáng)了理論與實(shí)際的聯(lián)系，體現(xiàn)了因材施教的教學(xué)原則，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生知識、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)的發(fā)展。

顯然這一體系是現(xiàn)代教育理論、教育學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)的產(chǎn)物，是提升教學(xué)質(zhì)量的推動(dòng)力，是改進(jìn)教學(xué)形式的促進(jìn)劑，是促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)的著迷藥，是提升教學(xué)效果的催化劑[5]。

2 理論與實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該教學(xué)系統(tǒng)分為4個(gè)維：學(xué)生維、教師維、實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維、實(shí)驗(yàn)設(shè)備維。其中學(xué)生維由學(xué)生及其參與互動(dòng)學(xué)習(xí)的終端機(jī)軟硬件組成;教師維由授課教師、講臺、計(jì)算機(jī)軟硬件、投影儀、投影屏幕組成;實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維由實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器軟硬件、攝像機(jī)、裝載攝像機(jī)的移動(dòng)小車、采集系統(tǒng)、接口系統(tǒng)組成;實(shí)驗(yàn)設(shè)備維由實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)平臺、接口設(shè)備組成。其中實(shí)驗(yàn)服務(wù)器維和教師維是系統(tǒng)的兩個(gè)主體維度。整個(gè)系統(tǒng)依附于校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。這也意味著，該教學(xué)系統(tǒng)一旦建成，接入校園網(wǎng)的教室在安裝本系統(tǒng)軟件之后，獲取相關(guān)的權(quán)限，就可以遠(yuǎn)程連接實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)互動(dòng)模式教學(xué)。該教學(xué)系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

2.1 學(xué)生維的設(shè)計(jì)

在學(xué)生維中，每組學(xué)生或每個(gè)學(xué)生擁有一個(gè)終端（平板電腦或筆記本）。這些終端機(jī)和教室內(nèi)的教師機(jī)組成無線局域網(wǎng)，通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)學(xué)生參與教學(xué)信息的傳輸。

該維是該教學(xué)模式的主體之一，是學(xué)生全程參與互動(dòng)式教學(xué)的必備條件，學(xué)生操作的終端機(jī)的軟件平臺是該維的核心。在每部分要講解的內(nèi)容中，教師將與該部分有關(guān)的學(xué)生操作軟件包通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到每個(gè)學(xué)生操作的終端機(jī)上，學(xué)生打開該軟件包，不僅能夠完成與所授課程有關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的加載，而且能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維具備的條件進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方式設(shè)計(jì)。

2.2 教師維的設(shè)計(jì)

在教師維中，教師使用的就是講臺上的計(jì)算機(jī)、教室的投影儀及投影屏幕等原有多媒體教學(xué)設(shè)備，也就是說，不需要增加任何設(shè)備即可構(gòu)成教師維的硬件設(shè)備，需要做的就是開發(fā)教師授課軟件。教師維與學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器兩維通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，而與實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維相連的是校園網(wǎng)，如圖2所示。

該維是該教學(xué)模式的主體之二，是實(shí)現(xiàn)該教學(xué)模式的關(guān)鍵，與學(xué)生維類似，其軟件也是該維的核心。該維提供以下幾種教學(xué)方式：（1）使用常規(guī)課件方式;（2）使用遠(yuǎn)程攝像機(jī)的視頻。通過實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維攝像機(jī)傳過來實(shí)驗(yàn)設(shè)備維各設(shè)備運(yùn)行的視頻。在老師課堂中需要演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操縱攝像頭系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)相應(yīng)程序處理之后顯示實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)畫面及設(shè)備運(yùn)行聲音，學(xué)生如同親臨實(shí)驗(yàn)室;（3）使用遠(yuǎn)程檢測與控制方式。實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維中的服務(wù)器傳過來其采集的實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，以圖象或曲線的形式顯示在投影儀屏幕上，使教師授課具有了立體感，同時(shí)也增加了課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性，增強(qiáng)了課程的吸引力，使學(xué)生能夠在放松中學(xué)到知識;（4）使用與學(xué)生的創(chuàng)新性互動(dòng)式方式;（5）上述四種方式的綜合運(yùn)用。

同時(shí)教師維可以單獨(dú)向?qū)嶒?yàn)室服務(wù)器維發(fā)送操作指令來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以接收到學(xué)生終端的指令后進(jìn)行修改再轉(zhuǎn)發(fā)，這樣還可以解決班上同學(xué)同時(shí)發(fā)送指令時(shí)的排隊(duì)問題。

2.3 實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維由兩部分組成：一部分是音視頻采集與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過校園網(wǎng)將實(shí)驗(yàn)室的音視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇淌业慕處熅S，同時(shí)教師維也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)最佳的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維的音視頻效果。此系統(tǒng)由高清攝像頭、云臺、拾音器、移動(dòng)平臺及控制裝置組成。該攝像頭內(nèi)部含有可供復(fù)用的RS485總線，這個(gè)總線通過接收不同的指令，分別控制云臺的轉(zhuǎn)動(dòng)、攝像頭的調(diào)焦、移動(dòng)平臺的移動(dòng)等，如圖3所示。實(shí)現(xiàn)了攝像頭的遠(yuǎn)程控制調(diào)焦、轉(zhuǎn)動(dòng)，還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程移動(dòng)控制，即攝像頭可以根據(jù)需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)行走。攝像頭會(huì)將實(shí)驗(yàn)室的畫面及時(shí)反饋給教室端，另外實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音也會(huì)通過攝像頭的拾音器傳回到教室，這樣就構(gòu)建了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。

另一部分是實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維連接的采集和控制接口系統(tǒng)，為教師維提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行的各種信息。該維為該教學(xué)模式提供音視頻和數(shù)據(jù)，更是教師及學(xué)生控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的中轉(zhuǎn)服務(wù)站，是該教學(xué)模式的客體。

該維的核心是硬件和軟件，其中與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維相連的各種通信接口、A/D采集卡、D/A轉(zhuǎn)換卡等是硬件核心，主要用于完成下面功能：（1）接受操作指令并轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)驗(yàn)設(shè)備。教室傳來的操作指令需要在這里經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教師的進(jìn)一步校正之后轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)驗(yàn)設(shè)備;（2）采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并回傳。要想學(xué)生在教室內(nèi)看到實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果，就需要將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)發(fā)回教室，如圖4所示。實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)接口和實(shí)時(shí)處理是該維的軟件核心。

2.4 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維的設(shè)計(jì)

該維主要完成兩部分的功能，一部分是對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行開發(fā)以便于實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠直接連接實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器機(jī)，如通過開發(fā)RS485、有線網(wǎng)口、無線網(wǎng)口、紅外接口等，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)機(jī)的通訊，同時(shí)滿足學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的需求;另一部分為所授課程需要新增加的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這部分設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮能夠?yàn)樵摻虒W(xué)模式使用。

3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集授課設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

數(shù)據(jù)采集與調(diào)理是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)據(jù)采集與調(diào)理就是將溫度、壓力、流量、位移等被控對象的模擬量采集并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字量。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程所應(yīng)該必須掌握的一個(gè)環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分一般包括傳感器、模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等[6]。這些硬件將組成一個(gè)電路，配合外圍設(shè)備以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)共同完成數(shù)據(jù)采集處理的任務(wù)。

3.2 全新授課方式設(shè)計(jì)

學(xué)生要學(xué)懂進(jìn)而設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，就必須要清楚這些器件是如何工作的、整個(gè)系統(tǒng)是如何工作的、信號是如何轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可接受信號的。然而現(xiàn)在的授課方式，或者將系統(tǒng)割裂開來，分別講解各個(gè)硬件，或者教師只是拿原理圖在那里空說，學(xué)生很難理解器件以及整個(gè)系統(tǒng)工作過程。 因此，為了使授課過程變得易懂、形象、直觀，筆者提出一種新的授課方式，如圖5。該授課方式依托該教學(xué)系統(tǒng)，主要分教和學(xué)兩個(gè)方面。

1）教師授課。教師在授課時(shí)利用該教學(xué)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室正在運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示在教室大屏幕上，并將系統(tǒng)的原理圖同屏顯示。這樣授課教師就能夠根據(jù)原理圖和系統(tǒng)的真實(shí)畫面進(jìn)行授課。還可以通過數(shù)據(jù)采集板卡將采集系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)位的信號采集到實(shí)驗(yàn)機(jī)。當(dāng)教室內(nèi)教師需要講解系統(tǒng)某一部分的原理時(shí)，可以用鼠標(biāo)在原理圖相應(yīng)的點(diǎn)位點(diǎn)擊，遠(yuǎn)程的實(shí)驗(yàn)機(jī)接受到反饋信號后，傳送該點(diǎn)位的信號，可以采用畫圖或者圖表的形式將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，通過比較經(jīng)過某個(gè)器件前后的數(shù)據(jù)或波形，理解器件的性能，進(jìn)而理解該器件在整個(gè)系統(tǒng)中的作用。如果要比較某一類兩種不同型號器件的工作情況，也可以分別顯示含有這兩種不同型號器件的系統(tǒng)的工作情況，通過對比直觀的了解器件的性能。

2）學(xué)生學(xué)習(xí)。這個(gè)環(huán)節(jié)主要是配合教師的授課，學(xué)生能夠參與課堂，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，擺脫傳統(tǒng)課堂被動(dòng)接受的狀態(tài)。對于需要編寫驅(qū)動(dòng)程序的部分，學(xué)生可以通過自己的終端機(jī)編寫程序，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器將程序下載到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的公控制計(jì)算機(jī)或者直接在實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器上運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行的情況學(xué)生又可以通過教室大屏幕看到。針對需要學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)也提供了開放式的環(huán)境?？梢詫⒅饕男酒捌渫鈬O(shè)備封裝在一起作為模塊，學(xué)生可以在自己的學(xué)生終端上依據(jù)這些模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)，如果出現(xiàn)原則性的錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)給出提示。如果沒有原則性的錯(cuò)誤，在學(xué)生設(shè)計(jì)完畢保存時(shí)，終端機(jī)會(huì)發(fā)送相應(yīng)的反饋信號到教師維計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維計(jì)算機(jī)。教師維計(jì)算機(jī)可以動(dòng)態(tài)顯示學(xué)生所選系統(tǒng)并顯示連線過程，這樣也可以供其他學(xué)生學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器維的計(jì)算機(jī)會(huì)通過輸出端口發(fā)送控制指令給電路板上的多路開關(guān)或者繼電器，通過改變多路開關(guān)或者繼電器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電路板的實(shí)際連接電路與學(xué)生設(shè)計(jì)的電路相同。當(dāng)學(xué)生選擇開始實(shí)驗(yàn)之后，電路板開始在所在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中工作，又可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，查看相應(yīng)點(diǎn)位的輸出信號。這樣就能使學(xué)生很直觀的看到自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)問題在哪里。通過比較某個(gè)模塊在前后設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中的位置、參數(shù)大小以及有無，可以很直觀的了解該模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的作用。這樣不僅能夠使課堂變得更加有趣，學(xué)生理解起來也更加方便，還將實(shí)驗(yàn)課與理論課程有機(jī)結(jié)合，學(xué)生也能夠全程參與課堂，上課的效果和效率將明顯改觀。

4 系統(tǒng)效果展示

4.1 授課效果展示

圖6所示是一個(gè)簡單的實(shí)際數(shù)據(jù)采集電路[7]。主要是采用測傳感器時(shí)間常數(shù)的方法，間接達(dá)到高度跟蹤的目的。

在該系統(tǒng)中，包含高度傳感器和芯片MC1403、MC4053、LM725、LM339、6N137、 CD4583A及三極管9013。要想明白整個(gè)電路的工作原理和過程，必須先明白各個(gè)芯片的工作原理。

在新的教學(xué)方式中，筆者直接將數(shù)據(jù)采集電路接入系統(tǒng)。電路輸入控制端 （CONTROL）直接與單片機(jī) I/O 口相連， 輸出端（OUTPUT）與單片機(jī)時(shí)基模塊端口相連端口設(shè)置成輸入捕捉模式，下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)結(jié)束。在主要器件的輸入端和輸出端分別引出信號，如圖5中所示A、B、C、D……等。用一個(gè)16路的數(shù)據(jù)采集板卡（先不管數(shù)據(jù)采集板卡是如何工作的）將這些信號分別采集到實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器每隔一段時(shí)間將這些端點(diǎn)的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇處熅S計(jì)算機(jī)。教師在授課的過程中，當(dāng)需要講解該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，可通過教師維計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器的實(shí)時(shí)語音通訊功能告知實(shí)驗(yàn)教師啟動(dòng)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。授課教師可以通過教師維計(jì)算機(jī)上的控制軟件控制攝像機(jī)等輔助設(shè)備的移動(dòng)和調(diào)焦轉(zhuǎn)動(dòng)，將攝像機(jī)移動(dòng)到正在工作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旁邊，這樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)畫面就通過攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇處熅S計(jì)算機(jī)，最終顯示在大屏幕上。同時(shí)也能夠顯示電路圖的原理圖，授課教師根據(jù)原理圖進(jìn)行授課?？梢韵戎v解整個(gè)系統(tǒng)的工作流程，當(dāng)需要講解每個(gè)芯片的工作原理時(shí)，可以先講解工作原理，再講解在本系統(tǒng)中的作用，還可以通過點(diǎn)擊芯片前后設(shè)置的端點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)圖表或者波形的形式顯示，通過對比不同工作條件或狀態(tài)下芯片輸入輸出波形或數(shù)據(jù)的變化，就能夠很輕松的理解芯片的作用和工作原理。例如，對于圖6所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，芯片LM725為高精度運(yùn)算放大器。A端為放大器同相端輸入，其為能源基準(zhǔn)電壓源MC1403輸出的基準(zhǔn)電壓，反相端通過電阻后接地，由放大器的特性，根據(jù)公式，將端點(diǎn)B的電壓標(biāo)定為5V。通過講解原理，并比較A、B兩點(diǎn)的電壓，即可很容易的理解該運(yùn)算放大器的工作原理。圖7所示為教師維計(jì)算機(jī)軟件的授課效果圖。明白了各個(gè)芯片的工作原理，也就明白了信號是如何在整個(gè)系統(tǒng)中傳遞和變化的，就能很好的理解整個(gè)系統(tǒng)的工作過程。

4.2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果展示

在教師授課講解之后，學(xué)生對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有了一定的概念，對整個(gè)系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行了熟悉，也了解了各芯片的功能和整個(gè)系統(tǒng)的原理。但是，有些環(huán)節(jié)是否可以調(diào)整呢？比如，在信號的傳遞過程中是否必須要有放大器，放大器的放大倍數(shù)改變之后輸出會(huì)有怎么樣的變化，是否可以省去濾波電路，濾波電路的參數(shù)怎樣設(shè)置才算合理，才能夠起到恰當(dāng)?shù)淖饔?。這些或許依舊在困擾學(xué)生，這就需要學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來自己驗(yàn)證。

圖8為本平臺數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)板中數(shù)據(jù)調(diào)理的部分。A端為信號輸入，為傳感器從設(shè)備采集到的信號，C端為經(jīng)過調(diào)理之后的信號，可以送到A/D芯片進(jìn)行處理。在該部分，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過終端機(jī)軟件的操作，選擇是否需要該環(huán)節(jié)，并可以更改該環(huán)節(jié)的參數(shù)。比如，學(xué)生需要驗(yàn)證是否需要數(shù)據(jù)調(diào)理環(huán)節(jié)，可以選擇閉合開關(guān)K1、K4（在實(shí)際電路中，使用繼電器或者多路開關(guān)通過實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器計(jì)算機(jī)控制接通與否），然后觀察系統(tǒng)輸出信號與采用調(diào)理環(huán)節(jié)時(shí)的變化，即可很明了的知道該環(huán)節(jié)的作用。對于是否需要濾波、是否需要放大器，均可以采用這種方法實(shí)現(xiàn)，通過比較即可了解該環(huán)節(jié)的作用以及在系統(tǒng)中的必要性和重要性。還可以通過按鍵閉合的組合方式，選擇不同的放大器，比較不同放大器的差別;對于同一個(gè)放大器，選擇不同的電阻，比較電阻值對放大倍數(shù)的影響。

學(xué)生還可根據(jù)觀察到的傳感器傳遞的信號，計(jì)算合適的濾波頻率，并選擇低通、高通濾波器進(jìn)行濾波，還可以根據(jù)自己的計(jì)算，選擇不同的電阻、電容值組合，以便達(dá)到最佳的濾波效果。通過這種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過自己的驗(yàn)證，再結(jié)合授課教師的及時(shí)講解，學(xué)生能很容易的理解所學(xué)知識，并知道如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、哪些部分是必不可少的。學(xué)生能及時(shí)消化所學(xué)，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率。

4 結(jié)束語

本文在分析當(dāng)前授課方式存在的不足的基礎(chǔ)上，介紹了筆者提出的理論與實(shí)驗(yàn)一體化同步教學(xué)系統(tǒng)，然后依托該系統(tǒng)提出了一種針對《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的全新的授課方式，詳細(xì)表述了該授課方式的思想，并就數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)舉例說明，最后給出了該授課方式的實(shí)現(xiàn)效果以及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法和效果。

這樣以系統(tǒng)為對象的學(xué)習(xí)會(huì)比傳統(tǒng)上先學(xué)習(xí)芯片的資料、再根據(jù)授課教師的理論講解學(xué)習(xí)原理圖、最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式更形象、更通俗易懂、更有效，整個(gè)授課學(xué)習(xí)過程中不僅實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，也能使學(xué)生充分參與課堂，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使授課效果事半功倍。

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