現(xiàn)代化技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用

樊振方，吳素勇，汪之國(guó)，譚中奇

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙　410073)

現(xiàn)代化技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用

樊振方，吳素勇，汪之國(guó)，譚中奇

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘 要：以《高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)的切身經(jīng)歷為基礎(chǔ)，論述了現(xiàn)代化的技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用?，F(xiàn)代化技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程的應(yīng)用，能夠提高實(shí)驗(yàn)效率，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的精度，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化改造是推進(jìn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)代化技術(shù)手段;教學(xué)改革

科學(xué)精神、創(chuàng)新思維和實(shí)驗(yàn)技能是院校人才培養(yǎng)，特別是工科類研究生培養(yǎng)的三大重要內(nèi)容。而實(shí)驗(yàn)課程是提高實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)動(dòng)手能力的重要手段[1]。實(shí)驗(yàn)課程作為聯(lián)系理論與實(shí)踐的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的重要途徑和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[2]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課，可以將課堂上比較抽象的理論知識(shí)具體化、實(shí)物化，進(jìn)而加深學(xué)生的知識(shí)烙印。對(duì)于理工科學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)課是必不可缺少的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)成功與否是一個(gè)專業(yè)學(xué)科教學(xué)水平的重要體現(xiàn)[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代化的電子技術(shù)和信息技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活的方方面面。然而在一些實(shí)驗(yàn)課仍然停留在用實(shí)驗(yàn)記錄紙描點(diǎn)來(lái)記錄分析數(shù)據(jù)、用眼睛直接觀察來(lái)數(shù)條紋等比較落后的階段。一些新的技術(shù)手段，例如圖像處理技術(shù)、集成電路技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)等可以完全可以應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)課程中，這樣可以有效提高實(shí)驗(yàn)效率，增強(qiáng)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課的成效，保持課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。

我國(guó)現(xiàn)行高等教育在人才培養(yǎng)模式方面已凸顯出與社會(huì)發(fā)展不相適應(yīng)，這就要求我國(guó)高等教育要以學(xué)生個(gè)性、社會(huì)發(fā)展需要為目標(biāo)，不斷塑造大學(xué)精神，提高學(xué)校辦學(xué)特色,為社會(huì)培養(yǎng)出多方面的專業(yè)復(fù)合型現(xiàn)代人才[3]。大力推進(jìn)教學(xué)改革是保持高校教育與時(shí)俱進(jìn)及培養(yǎng)符合時(shí)代要求人才的必然要求。教學(xué)改革往往關(guān)注于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程等方面[4]，而教學(xué)手段的改革也是教學(xué)改革的重要方面，這一點(diǎn)往往容易被忽視。如何在保留經(jīng)典實(shí)驗(yàn)精髓的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)手段及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的現(xiàn)代化改造，以使學(xué)生更好地觀察到隱藏在實(shí)驗(yàn)背后的物理本質(zhì)是教學(xué)改革的必然要求。

1教學(xué)體會(huì)

下面以幾個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例為例，說(shuō)明現(xiàn)代化技術(shù)手段應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中取得的良好成效。

在機(jī)抖激光陀螺的輸出信號(hào)處理試驗(yàn)中，需要鑒別陀螺輸出信號(hào)的方向并對(duì)輸出脈沖數(shù)進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，同時(shí)還要對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波以濾除抖動(dòng)成分得到真實(shí)角速度輸入。如果采用分離的門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作量是可想而知的。因此本實(shí)驗(yàn)采用了NI的可編程板卡PCI-7855R，該板卡板載FPGA擁有大量的可編程數(shù)字資源，可以實(shí)現(xiàn)鑒向計(jì)數(shù)、采樣和數(shù)字濾波。學(xué)生直接通過(guò)LABVIEW圖形化的編程語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行編程，克服了必須有硬件描述語(yǔ)言基礎(chǔ)才能對(duì)FPGA進(jìn)行編程的問(wèn)題。板卡直接插在PCI插槽上，這樣可以將數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線無(wú)縫傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行處理和顯示，省去了中間數(shù)據(jù)傳送的環(huán)節(jié)，而且數(shù)據(jù)吞吐量，學(xué)生可以直接觀察到有抖動(dòng)調(diào)制的原始信號(hào)波形，還可以采用不同的數(shù)字濾波器直觀的看到數(shù)字濾波前后信號(hào)及其頻譜的變化規(guī)律。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)學(xué)生在掌握激光陀螺輸出信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，還學(xué)習(xí)了可編程邏輯器件的使用和濾波器的相關(guān)知識(shí)，工程實(shí)踐能力得到了鍛煉了。

在激光陀螺的比例因子實(shí)驗(yàn)中，以往通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)手動(dòng)調(diào)整并記錄記錄陀螺轉(zhuǎn)過(guò)的角度，這樣引入的誤差比較大，誤差大概在0.1deg的量級(jí)，激光陀螺本身的精度被掩蓋在測(cè)試誤差中無(wú)法體現(xiàn)。改造后采用高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)代替轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)比例因子的測(cè)量，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)編程來(lái)精確控制，定位精度可達(dá)0.001deg，這樣就能減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的人為誤差因素，從而可以凸顯激光陀螺的高精度特性。

在激光面型干涉儀試驗(yàn)中，以往通過(guò)眼睛直接觀察條紋的變化，邊觀察邊調(diào)節(jié)，時(shí)間久了，容易出現(xiàn)視覺(jué)疲勞。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造后，采用高分辨的CCD采集圖像，并將圖像通過(guò)計(jì)算機(jī)渲染放大呈現(xiàn)在屏幕上。這樣一方面可以解放人的眼睛，保護(hù)實(shí)驗(yàn)者的視力，增強(qiáng)視覺(jué)效果；另外一方面條紋間距和條紋數(shù)量都可以采用圖形處理技術(shù)得到，可以實(shí)現(xiàn)條紋與面型的精確測(cè)量。還可以根據(jù)二維的條紋圖形采用OpenGL編程等方法描繪出被測(cè)物的三維面型，通過(guò)對(duì)比條紋和三維圖像，可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)物理本質(zhì)的理解。進(jìn)一步可以采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)物的上下和左右方位，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的完全自動(dòng)化。

除了對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的改革之外，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交及數(shù)據(jù)處理等方面同樣做了改進(jìn)。不再要求學(xué)生提供紙質(zhì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而是給他們充分的自由，讓他們通過(guò)不同方式來(lái)展示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程與收獲，可以以圖表及圖文結(jié)合的方式，也可以采用動(dòng)畫(huà)、音頻和視頻等形式。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拍攝的圖片和視頻都可以做為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容。在數(shù)據(jù)處理方面，不再要求學(xué)生采用坐標(biāo)紙來(lái)描點(diǎn)，而是給予他們極大的靈活性，可以采用MATLAB等數(shù)學(xué)工程軟件對(duì)記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。相比于原來(lái)單純提交紙質(zhì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性。

2現(xiàn)代化技術(shù)手段應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課的效果

通過(guò)筆者的切身教學(xué)體會(huì)，將現(xiàn)代化的技術(shù)手段應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課之后，至少會(huì)帶來(lái)以下的好處:

2.1提高實(shí)驗(yàn)效率

在實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)施過(guò)程中，往往實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建往往占用了大部分的時(shí)間，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察只留有少部分時(shí)間。采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段可以明顯提高實(shí)驗(yàn)的效率，可以減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建難度，從而將重心轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)所體現(xiàn)的物理本質(zhì)上，提高效率的同時(shí)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果。在激光陀螺的讀出信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)中采用集成化的FPGA板卡進(jìn)行教學(xué)很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

2.2提升學(xué)習(xí)興趣

成功的教育應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力[5]。如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，仍然采用老舊的設(shè)備和數(shù)據(jù)觀測(cè)處理手段，就不能保證課程的與時(shí)俱進(jìn)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)也會(huì)覺(jué)得索然無(wú)味。在實(shí)驗(yàn)中增加現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的大量元素，采用現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。在提高學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也強(qiáng)化了課程開(kāi)展的教學(xué)效果，實(shí)驗(yàn)中的一些錯(cuò)誤可以得到及時(shí)的自我糾正。采用多種形式而不是采用紙質(zhì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告更加符合新時(shí)代學(xué)生發(fā)散思維的特性，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中學(xué)生還能夠?qū)⒆约簩?duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)想法和學(xué)習(xí)體會(huì)與老師進(jìn)行交流，可以很好的提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

2.3提高實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度

實(shí)驗(yàn)誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差[6]，誤差在實(shí)驗(yàn)中是不可避免的，但是通過(guò)更加先進(jìn)的技術(shù)途徑可以大大減少各種誤差。以往的實(shí)驗(yàn)往往靠眼睛觀察來(lái)記錄數(shù)據(jù)，然而人眼的觀測(cè)誤差是很大的，在有些情況下甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)覺(jué)。同時(shí)以往的儀器設(shè)備自動(dòng)化程度比較低，單純靠手工調(diào)諧，很難達(dá)到理想的精度。現(xiàn)代化技術(shù)手段的引入可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器的高精度控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高精度處理。例如上述在測(cè)量激光陀螺比例因子試驗(yàn)中，通過(guò)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的引入，突出了激光陀螺精度高的特點(diǎn)；在激光面型干涉儀試驗(yàn)中，用計(jì)算機(jī)來(lái)處理CCD采集到的圖像計(jì)算條紋的變化，相比原來(lái)用眼睛數(shù)條紋的方法，精度上有了較大的提升。

3對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的要求

現(xiàn)代化技術(shù)手段應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課程能夠達(dá)到良好的教學(xué)效果，而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要從實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)層面著手。作為高校教師應(yīng)該大力推進(jìn)教學(xué)改革，積極思考如何在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目標(biāo)不變的前提下，大膽改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段和教學(xué)方法，而不是每年都機(jī)械重復(fù)同樣的教學(xué)內(nèi)容。但實(shí)際上，教師學(xué)歷高但缺乏工程背景和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是我國(guó)高等工程教育的一大問(wèn)題， 因此提高教師隊(duì)伍的工程實(shí)踐能力是高等工程教育改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容[7]。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的現(xiàn)代化改造可以通過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：(1)自研，這樣方法適用于試驗(yàn)中某些具體細(xì)節(jié)的改進(jìn)，可以由任課老師或者由老師帶著參與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的學(xué)生來(lái)完成；(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備引進(jìn)，高校應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和維護(hù)上給與充分的支持，在經(jīng)費(fèi)充裕的前提下，可以采購(gòu)更加自動(dòng)化、智能化的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化改造雖然增加了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與維護(hù)成本，但卻提高了實(shí)驗(yàn)課效率、調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極性，與帶來(lái)的好處與優(yōu)點(diǎn)相比，這些投入都是值得的。

4結(jié)論

實(shí)踐性是工程教育的基本特征[8-9]。實(shí)驗(yàn)課程是高校教育中培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。在保留實(shí)驗(yàn)精髓的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)處理等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行不斷的改革創(chuàng)新是保證實(shí)驗(yàn)課與時(shí)俱進(jìn)的必然要求。高校應(yīng)在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)理念、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)以及教學(xué)組織方式等方面保持不斷創(chuàng)新，才能保證培養(yǎng)出的學(xué)生能夠適應(yīng)時(shí)代的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚中奇,姜廣文,謝文科,等.淺談研究生課程《高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)體會(huì)[J].高等教育研究學(xué)報(bào),2012(1):68-70.

[2]汪之國(guó),吳素勇,毛宏軍,等.以培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力為核心的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革與實(shí)踐[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014(4):123-125.

[3]胡珺,彭俊艷,周釵美.新時(shí)期我國(guó)高等教育存在問(wèn)題及其對(duì)策研究[J].經(jīng)營(yíng)管理者,2010(9).

[4]胡紹民,羅暉.《激光原理》課程教學(xué)體會(huì)[J].高等教育研究學(xué)報(bào),2012(1):71-73.

[5]劉香楠,于國(guó)華.基于新時(shí)期下的開(kāi)放式、創(chuàng)新性教學(xué)模式研究[J].商品與質(zhì)量(消費(fèi)研究),2015(3):245.

[6]劉興勝,劉鷹.測(cè)量誤差的表示方法及其分類[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2015(2):1-2.

[7]張學(xué)洪,王文,徐建平.新時(shí)期高等工程教育改革的對(duì)策[J].高等工程教育研究,2012(3):53-56.

[8]朱高峰.工程教育中的幾個(gè)理念問(wèn)題[J].高等工程教育研究,2011(1):1-5.

[9]關(guān)芳，何光宏.基于Internet的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2004(1)：13-17.

Application of Modern Technique in Experimental Course

FAN Zhen-fang，WU Su-yong，WANG Zhi-guo，TAN Zhong-qi

(National University of Defense Technology，Hunan Changsha 410073)

Abstract：Based on the teaching experience of “Higher Optoelectronics technology experiment”,the application of modern technique in experimental course is discussed.Application of modern technique used in the procedure of experiment and data processing can improve the teaching efficiency,enhance the accuracy of experiment,and then the engineering ability of student is excised.Laboratory modernization is an important aspect of promoting education reform.

Key words：higher optoelectronic technology experiment；modern technique；education reform

收稿日期：2015-09-22

文章編號(hào)：1007-2934(2016)02-0132-03

中圖分類號(hào)：G 642.423

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.035