綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

陳世海 王軍 代偉 呂剛

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)高等工程教育人才培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排與設(shè)計(jì)應(yīng)從應(yīng)用的角度出發(fā)，盡量結(jié)合工程實(shí)際。然而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)往往從屬于理論課教學(xué)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多是針對(duì)某些理論知識(shí)而設(shè)計(jì)。針對(duì)這一問題，將“實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)際工程項(xiàng)目引入電子信息專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化對(duì)于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：綜合實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；工程項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）19-0150-03

Abstract： Experiment teaching is very important for personnel training in higher engineering education. The experiment content should be set from the aspect of practical application and should have some relation with engineering practice. But most experiments available are set for theory teaching， and their contents are only for some theory knowledge. Aiming at these issues， a practical project， the design of laboratory safety monitoring system， is reformed for the comprehensive experiment of electronic information students to enforce their ability of real engineering practice.

Keywords： comprehensive experiment； reaching reform； engineering project

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等工程教育的重要組成部分，也是影響工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。受專業(yè)課教學(xué)體制和教學(xué)計(jì)劃安排等因素影響，多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依從于具體的理論課教學(xué)，其教學(xué)目標(biāo)通常也是為了鞏固理論課的教學(xué)成果；盡管這些實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐、儀器操作、動(dòng)手實(shí)踐以及創(chuàng)新等能力上起到了積極有效的作用，然而在學(xué)生畢業(yè)后從事的實(shí)際工作中，其所要解決的工程問題，往往不是一門專業(yè)課知識(shí)就能涵蓋和解決的，而是需要綜合多門專業(yè)知識(shí)甚至需要多學(xué)科知識(shí)；如果在人才培養(yǎng)過程中，不能給學(xué)生提供解決實(shí)際工程問題的切身經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，很可能導(dǎo)致其在將來工作時(shí)感覺束手無策[1，2]。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，應(yīng)該多從專業(yè)上的工程實(shí)踐出發(fā)，以實(shí)踐工程項(xiàng)目需求為導(dǎo)向，適當(dāng)實(shí)時(shí)增加綜合性實(shí)驗(yàn)。

開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，最直接的辦法就是將實(shí)際工程項(xiàng)目引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這也是最為有效的辦法。針對(duì)電子信息專業(yè)的人才培養(yǎng)要求，將“實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探索綜合性實(shí)驗(yàn)改革。

一、項(xiàng)目需求

隨著高等工程教育教學(xué)內(nèi)容的拓展以及招生人數(shù)的增加，高校實(shí)驗(yàn)室規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，同時(shí)，為了提高實(shí)驗(yàn)室的利用效率，部分實(shí)驗(yàn)室實(shí)行了面向不同學(xué)生開放的制度，鼓勵(lì)本科生在課外時(shí)間走進(jìn)實(shí)驗(yàn)從事相關(guān)專業(yè)實(shí)踐活動(dòng)。無疑，實(shí)驗(yàn)規(guī)模的增長(zhǎng)以及實(shí)驗(yàn)室開放制度，都為本科生提供了更多、更便利的實(shí)踐條件，但與此同時(shí)，也為實(shí)驗(yàn)室安全帶來了巨大的管理壓力和安全壓力。一方面需要不斷加強(qiáng)制度建設(shè)和學(xué)生管理，從制度上、從學(xué)生的主觀上保障實(shí)驗(yàn)室安全，但這是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，是一個(gè)正在逐步完善的過程；所以，另一方面還要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)測(cè)。前者防患于未然，后者是亡羊補(bǔ)牢，盡量降低損失。然而，目前實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)多以視頻監(jiān)控為主，并不具備實(shí)時(shí)報(bào)警功能。為此，針對(duì)電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，研發(fā)一套具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮以下三個(gè)方面的內(nèi)容。

（一）及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患

火災(zāi)是電學(xué)實(shí)驗(yàn)室最常見的安全事故，因此，實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要充分考慮到對(duì)實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，盡量降低實(shí)驗(yàn)室損失。

（二）實(shí)時(shí)報(bào)警

如果能夠在災(zāi)害發(fā)生階段或者災(zāi)害初期能夠及時(shí)處理，通?？梢詷O大地降低甚至避免產(chǎn)生損失。所以，在監(jiān)測(cè)到災(zāi)害發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠立即發(fā)出報(bào)警信息，使相關(guān)人員能夠及時(shí)獲取災(zāi)害信息，以利迅速采取有效措施控制災(zāi)害。

（三）可擴(kuò)招性

不同實(shí)驗(yàn)室可能具有不同的安全隱患，所以實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能夠適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)需求，可以對(duì)不同信息，如有毒有害氣體泄漏等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由微處理器、傳感模塊、通信模塊、人機(jī)接口以及電源模塊等5部分組成，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。其中傳感模塊用于采集實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如溫度、煙霧、有毒有害氣體等，不同實(shí)驗(yàn)室可以配置不同類型的傳感器；微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，能夠根據(jù)傳感模塊采集的具體數(shù)據(jù)判斷實(shí)驗(yàn)室的安全或?yàn)?zāi)害狀況，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)的將實(shí)驗(yàn)室安全/災(zāi)害信息傳遞給管理人員或者聯(lián)動(dòng)消防機(jī)構(gòu)；通信模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控信息的傳輸，要具有良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性；人機(jī)接口用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和配置，要簡(jiǎn)單易用；電源模塊為系統(tǒng)各部分提供電力支撐，要滿足功率及穩(wěn)定性要求。

（一）微處理器

微處理器是系統(tǒng)的控制中樞，由于系統(tǒng)運(yùn)算量不大，所以微處理器的選擇面較廣，在實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)所學(xué)微機(jī)原理的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇，若MCS-51系列處理器，也可以根據(jù)學(xué)生的興趣愛好進(jìn)行選擇，如果ARM系列。ARM處理器做主控單元，這類芯片存儲(chǔ)空間大、片內(nèi)有可擦寫的寄存單元、能夠快速的響應(yīng)外部的各種數(shù)字信號(hào)、片內(nèi)具有以太網(wǎng)控制器，但是在數(shù)據(jù)的處理方面過于冗雜而且芯片價(jià)格較貴，在實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中芯片的很多功能也用不到，所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其性價(jià)比較低，但對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)，選擇這類芯片有助于學(xué)生拓展知識(shí)面，為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。采用所學(xué)的MCS-51系列微處理器，如STC89C52微處理器作為控制核心，其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)空間夠用、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。在系統(tǒng)整體和各個(gè)模塊的程序相互調(diào)用方面，處理速度快、性能穩(wěn)定。STC89C52微處理器最小系統(tǒng)電路如圖2所示。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，其最突出的優(yōu)勢(shì)是性價(jià)比高，對(duì)學(xué)生而言，其最突出的優(yōu)勢(shì)是資料豐富、上手容易。這兩種方案各有優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)中同學(xué)可以根據(jù)自己的情況合理選擇。

實(shí)驗(yàn)中需要確保STC89C52微處理器復(fù)位電路正常工作。其復(fù)位電路是在RESET引腳（第9腳）上連接一個(gè)10μF電容到電源正極VCC端，再連接一個(gè)10kΩ的電阻到電源負(fù)極GND端，這樣設(shè)計(jì)一個(gè)RC工作電路保證STC89C52微處理器在上電之后RESET腳上有足夠時(shí)間高電平。這個(gè)電阻和電容是根據(jù)硬件設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇的。電路設(shè)計(jì)原理就是在復(fù)位引腳的電容上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)電容放電RESET引腳信號(hào)被拉到高電平，由于是電容充滿電的狀態(tài)會(huì)保持一段時(shí)間高電平來使STC89C52微處理器復(fù)位。

（二）無線通信模塊

常用的無線通信方式有WIFI、藍(lán)牙、Zigbee和公用移動(dòng)通信等。WIFI傳輸速率高、聯(lián)網(wǎng)方便，在短距離高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信中應(yīng)用非常廣泛，但其通信距離一般不超過100m，即使是超級(jí)WIFI，其通信距離也只是達(dá)到公里級(jí)而已，如果采用這種通信方式，或者要求實(shí)驗(yàn)室管理人員或者消防機(jī)構(gòu)在監(jiān)控系統(tǒng)的通信范圍內(nèi)，或者要求管理/消防人員實(shí)時(shí)處于網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)，但這兩個(gè)條件通常難以滿足。至于藍(lán)牙和Zigbee通常只適用于近距離無線通信，在此不予考慮。采用公共移動(dòng)通信，其通信距離廣、穩(wěn)定性高，而且通信終端（手機(jī)）使用方便，所以系統(tǒng)的無線通信采用公共移動(dòng)通信方式。實(shí)驗(yàn)中選用了基于2.5G技術(shù)的GPRS模塊，雖然現(xiàn)在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展到了4G標(biāo)準(zhǔn)，但是實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不需要傳輸大流量數(shù)據(jù)，只需要發(fā)送語音數(shù)據(jù)消息就可以，并且此種網(wǎng)絡(luò)是按照流量計(jì)費(fèi)的方式所以沒有必要選擇4G這種價(jià)格高，使用效果和GPRS模塊是相當(dāng)?shù)?。常見的GPRS模塊有TC35i和SIM900a都能滿足實(shí)驗(yàn)要求，而且資料豐富、使用方便。

SIM900A模塊具有獨(dú)立的5V電源接口，有USB-TTL和RS232數(shù)據(jù)傳輸口所以此模塊和電腦及單片機(jī)的聯(lián)機(jī)有兩種方式并且各有自己的特點(diǎn)，串口線連接數(shù)據(jù)傳輸速率較慢而TTL-USB連接是現(xiàn)在選的更多的一種方式帶有標(biāo)準(zhǔn)串口接口可方便用PC控制或者調(diào)試。所有可用的SIM900A引腳都外接出來，方便開發(fā)各種SIM900A的應(yīng)用模塊和單片機(jī)采用RS232串口通信的方式，模塊具有靜電保護(hù)措施，防止在卡槽插卡的過程中靜電經(jīng)典干擾，含有復(fù)位接口按下復(fù)位鍵模塊返回到初始化狀態(tài)。

SIM900A需要5V/2A的電源供電才能正常工作，并且電路設(shè)計(jì)中有靜電保護(hù)措施防止芯片被靜電擊穿。在系統(tǒng)整體調(diào)試之前首先要對(duì)SIM900A模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、硬件調(diào)試等一列操作，才能達(dá)到我們需要的功能要求，后面內(nèi)容對(duì)于模塊的調(diào)試、通信服務(wù)器的建立進(jìn)行敘述。在對(duì)模塊調(diào)試之前首先要保證接線正確。此模塊有兩種接線方式一種是RS232串口的方式通信一種是使用USB-TTL接口線連接，串口接線交換TXD-RXD、RXD-TXD這樣串口鏈路正常建立。模塊實(shí)物如圖3所示。

SIM900A通信模塊是內(nèi)置TCP/IP 通信協(xié)議引腳ring指示燈用來顯示模塊的聯(lián)網(wǎng)結(jié)果。通過觀察指示燈的亮和滅判斷模塊的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)如表1所示。

（三）傳感模塊

在電類實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)于火災(zāi)問題，可以選擇溫濕度傳感器判斷火災(zāi)狀態(tài)，如使用DHT11作為集成的數(shù)字復(fù)合式溫濕度檢測(cè)模塊，能夠同時(shí)檢測(cè)濕度和溫度并且誤差小于0.1，且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、程序設(shè)計(jì)方便，DHT11電路如圖4所示。為提高監(jiān)測(cè)效果或者擴(kuò)展監(jiān)測(cè)內(nèi)容，可選用氣體/煙霧傳感器，如MQ-2系列傳感器對(duì)特殊氣體例如甲烷、一氧化碳等都有檢測(cè)功能，并且還能監(jiān)測(cè)是否有煙霧，靈敏度很高。MQ-2電路如圖5所示。

此模塊是具有4個(gè)引腳其中一個(gè)引腳空接。DHT11引腳DQ和處理器的數(shù)據(jù)口連接采用單總線的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信，通信時(shí)間為4ms左右，處理器發(fā)送開始信號(hào)之后，DHT11進(jìn)行一次信號(hào)采集處理。當(dāng)數(shù)據(jù)口收到處理器發(fā)的高電平時(shí)就會(huì)輸出采集的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)模塊的監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置、模塊初始化后面內(nèi)容會(huì)介紹到。

三、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化的方式，首先寫出系統(tǒng)程序的整體設(shè)計(jì)流程，如圖6所示。根據(jù)流程圖再寫出程序，主函數(shù)體通過調(diào)用其他函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。在系統(tǒng)執(zhí)行程序之前首先要進(jìn)行初始化程序，給各模塊上電。溫濕度傳感器先檢測(cè)數(shù)據(jù)然后傳到微處理器，微處理器通過引腳把數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD屏顯示。此時(shí)MQ-2氣體傳感器上電等待狀態(tài)若測(cè)到的數(shù)據(jù)超過額定值時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，在同時(shí)通信 SIM900A模塊發(fā)送短信給管理員手機(jī)，傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)到電腦服務(wù)器。

四、結(jié)束語

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，結(jié)合專業(yè)教學(xué)及學(xué)生畢業(yè)要求，將實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用于專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)，不僅能夠提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，而且能夠給學(xué)生提供綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的實(shí)踐機(jī)會(huì)，使其能夠獲得參與工程實(shí)踐的切身體驗(yàn)，為其畢業(yè)后參與具體工程項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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