以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向的開放實(shí)驗(yàn)的探索

陳姝雨+吳傳平+劉澤軍+王彥婷

摘要：以開放實(shí)驗(yàn)為平臺(tái)，為學(xué)生提供發(fā)揮主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性的空間，從而進(jìn)一步培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。本文以題為“基于myDAQ的光電特雷門琴的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”開放實(shí)驗(yàn)為例，從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施到調(diào)試驗(yàn)收等方面逐步引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)代檢測和虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為完整的創(chuàng)新項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路、構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)并通過測試得出結(jié)論的能力。教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生參與的熱情很高，創(chuàng)新思維得到鍛煉，并且教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：開放實(shí)驗(yàn)；myDAQ；特雷門琴；檢測技術(shù)；LabVIEW

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）39-0272-03

習(xí)近平總書記在“科技三會(huì)”上的重要講話指出，要把科技創(chuàng)新擺在更加重要位置，弘揚(yáng)創(chuàng)新精神，培育符合創(chuàng)新發(fā)展要求的人才隊(duì)伍[1]。高等院校肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和培育創(chuàng)新型人才的使命。開放實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)新教育的重要環(huán)節(jié)之一，它的建立使實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源得到了充分的利用，充實(shí)和開拓了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供了一個(gè)自主探索研究的機(jī)會(huì)，對于學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)極為重要[2-3]。

本文以一個(gè)較為新穎的開放實(shí)驗(yàn)為例，介紹了從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)方案到調(diào)試驗(yàn)收等方面的完整學(xué)習(xí)過程，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)得到了極大的鍛煉，反饋良好。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

特雷門琴是世界第一件電子樂器，也是迄今為止唯一一種不需要身體接觸的電子樂器。它是由物理學(xué)家利夫·特爾門（Lev Termen）教授于1919年發(fā)明的。

特雷門琴上有兩根天線，一根圓形天線和一根垂直的天線，演奏者通過改變雙手在天線上方的位置進(jìn)行彈奏。圓形天線用來調(diào)節(jié)音量，垂直的天線用來調(diào)節(jié)音高[4]。本項(xiàng)目采用虛實(shí)結(jié)合的方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)特的光電特雷門琴。

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)

總體任務(wù)：使用光電傳感器和虛擬儀器myDAQ設(shè)計(jì)一個(gè)能發(fā)出獨(dú)特聲音的光電特雷門琴，通過雙手的移動(dòng)來控制聲音的音量和音高。具體內(nèi)容為：（1）根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，確定各元器件的類型及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對手位置變化的檢測；（2）采用LabVIEW編寫程序，設(shè)計(jì)光電特雷門琴的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對聲音的監(jiān)控；（3）通過myDAQ實(shí)現(xiàn)硬件電路與人機(jī)界面的通信，并播放出聲音。

（二）實(shí)驗(yàn)過程及要求

（1）學(xué)習(xí)利用光電傳感器測量手的相對位置的方法；（2）選擇光電傳感器，根據(jù)傳感器類型確定放大器類型和電阻元件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換及放大；（3）搭建兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，分別實(shí)現(xiàn)對聲音的音量和音高的控制；（4）學(xué)習(xí)myDAQ的基本操作方法，對檢測到的電信號(hào)進(jìn)行采集，并將結(jié)果輸入到電腦中；（5）學(xué)習(xí)LabVIEW圖形化編程語言，將采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成有旋律的聲音信號(hào)，并編寫光電特雷門琴的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)音量和音高的顯示，以及音調(diào)的選擇；（6）通過myDAQ將聲音信號(hào)輸出到播放器中，完成聲音的播放；（7）完善界面功能，提高光電特雷門琴的穩(wěn)定性，滿足不同環(huán)境下光電特雷門琴的使用；（8）撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，并通過分組討論，學(xué)習(xí)交流不同方案的特點(diǎn)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及實(shí)施方案

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

特雷門琴可以分解為兩個(gè)部分，一部分為感應(yīng)手的位置變化的天線；另一部分為發(fā)出聲音的琴體。對于天線部分，首先利用光電傳感器檢測手位置的變化，并將該變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；然后通過放大電路進(jìn)行信號(hào)的放大；最后使用虛擬儀器myDAQ采集該信號(hào)。對于琴體部分，通過LabVIEW編寫程序完成電信號(hào)到聲音信號(hào)的轉(zhuǎn)換，由myDAQ將聲音同步播放出來。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（二）系統(tǒng)實(shí)施方案

1.信號(hào)的檢測和放大。信號(hào)的檢測和放大是由如圖2所示實(shí)驗(yàn)電路實(shí)現(xiàn)的，利用光電二極管的反向特性以及反向比例放大器實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換及放大[5]。

光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，具有單方向?qū)щ娞匦浴Ｋ窃诜聪螂妷鹤饔孟鹿ぷ鞯?，光的變化引起光電二極管電流變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。

根據(jù)電路圖可以得出輸出電壓的表達(dá)式為：

Vout=-iRf

i是光電二極管的反向電流，Rf為反饋電阻。

通過手在光電二極管上方移動(dòng)引起光的變化，從而使運(yùn)放的輸出電壓Vout發(fā)生變化。當(dāng)手完全覆蓋光電二極管時(shí)，輸出電壓Vout最小，最小電壓Vmin為運(yùn)算放大器將暗電流轉(zhuǎn)換成的偏移電壓；當(dāng)手遠(yuǎn)離光電二極管時(shí)，輸出電壓Vout最大，最大電壓Vmax由光電二極管的敏感度以及當(dāng)其裸露時(shí)的光線來決定。實(shí)驗(yàn)中需要搭建兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，分別用來產(chǎn)生聲音的音量信號(hào)和音高信號(hào)。

2.信號(hào)的采集和輸出。信號(hào)的采集和輸出都是由NI myDAQ來實(shí)現(xiàn)的。myDAQ適用于電子設(shè)備和傳感器測量。通過USB總線與計(jì)算機(jī)通信，再和計(jì)算機(jī)上的LabVIEW配合，便可分析和處理獲取的數(shù)據(jù)并可隨時(shí)隨地控制簡單的進(jìn)程[8]。

采集信號(hào)時(shí)，將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路中運(yùn)放的輸出端分別與myDAQ20位螺栓端子中的AI 0+和AI 1+連接，AI 0-和AI 1-接模擬地即可。運(yùn)放所需+15 V/–15 V電源也由myDAQ提供。

對于信號(hào)的輸出，直接將音頻輸出接口AUDIO OUT端與音響設(shè)備相連，即可實(shí)現(xiàn)聲音的播放[9]。

3.信號(hào)的轉(zhuǎn)換。聲音是一種波，它的兩個(gè)主要特性就是幅值和頻率，幅值即為聲音的音量，頻率即為聲音的音高，頻率在20 Hz～20 kHz之間是可以被人耳識(shí)別的。

音量的轉(zhuǎn)換。myDAQ采集到的兩個(gè)信號(hào)為幅值在Vmin至Vmax間的電壓信號(hào)，實(shí)驗(yàn)所用音頻設(shè)備的最大振幅是1Vpp，所以轉(zhuǎn)換后的音量信號(hào)應(yīng)為0-1V，即將Vmin-Vmax的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-1V的連續(xù)信號(hào)。endprint

音高的轉(zhuǎn)換。進(jìn)行音高信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)，需要用到音階與頻率的關(guān)系相關(guān)知識(shí)，下面通過鋼琴鍵盤上中央C（C0）開始到C1的一個(gè)八度為例進(jìn)行介紹。

在音樂理論中，把一組音按音調(diào)高低的順序依次排列起來就形成音階，也就是人們熟知的do、re、mi、fa、so、la、ti和do。C大調(diào)的七個(gè)主音do-ti對應(yīng)的琴鍵為白色鍵C-D-E-F-G-A-B。從do（C0）到高音do（C1）到即為一個(gè)八度，包含白色和黑色琴鍵共12個(gè)，每個(gè)琴鍵用其所對應(yīng)的“調(diào)”標(biāo)注[6]。兩個(gè)相鄰琴鍵之間相差一個(gè)半音，兩個(gè)半音距離構(gòu)成一個(gè)全音，一個(gè)八度區(qū)有12個(gè)半音。從圖中可以看出，只有主音mi和fa以及ti和do之間相差半音，其余主音之間相差一個(gè)全音，其他調(diào)也如此。

頻率從C0到C1升一個(gè)八度乘與2，降一個(gè)八度頻率除以2，兩個(gè)相鄰半音的頻率比是2開12次方，約為1.05946。中央C的頻率為261.63 Hz，國際標(biāo)準(zhǔn)音高A的頻率為440Hz。綜上，結(jié)合調(diào)與音階相關(guān)理論知識(shí)，以及和頻率的關(guān)系[7]可以得到各個(gè)調(diào)的各主音和頻率的關(guān)系。

音高信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是將Vmin—Vmax連續(xù)的值轉(zhuǎn)換成離散的頻率值，并且這些頻率和要演奏的調(diào)和音的個(gè)數(shù)N有關(guān)，比如想演奏do音到so音，那么N=5；想演奏一個(gè)八度的音樂，那么N=8。

三、系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)收

系統(tǒng)調(diào)試部分，是真正考驗(yàn)學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力和動(dòng)手能力的環(huán)節(jié)。通過實(shí)物驗(yàn)收和質(zhì)量評價(jià)等方面能夠看出學(xué)生硬件組裝和軟件編程能力是否過硬，以及自主創(chuàng)新的發(fā)揮。并且要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告對所做工作進(jìn)行總結(jié)。

選取學(xué)生作品如圖4所示，人機(jī)界面左邊是顯示區(qū)，顯示聲音的音調(diào)和音量，右邊是控制區(qū)。首先，為了使特雷門琴能適應(yīng)不同的環(huán)境，要根據(jù)實(shí)際測量的“檢測值”調(diào)整滑塊的最大值和最小值來確定Vmin和Vmax，以免出現(xiàn)高音上不去低音下不來的情況；然后，選擇想要彈奏的調(diào)（C、C#/D、…、B），程序中設(shè)定了彈奏的范圍為do-so這5個(gè)主音，即N=5；最后，點(diǎn)擊開始按鈕，就可以通過移動(dòng)雙手進(jìn)行彈奏了。

四、結(jié)束語

開放實(shí)驗(yàn)的實(shí)行為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了土壤，開放實(shí)驗(yàn)的研究和探索是一個(gè)持續(xù)的過程，在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅要強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)形式的開放，更要重視教師創(chuàng)新的帶頭作用，從而引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新。同時(shí)，還要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理的建設(shè)，最終形成一套科學(xué)、完善的教育培養(yǎng)模式。

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