《智能儀器》課程教學(xué)模式的探索研究

洪樹亮，程麗娟，潘江如

（新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023）

0 引言

智能儀器是測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生必修的專業(yè)課，是全國高等學(xué)校儀器儀表類專業(yè)開設(shè)的主干課之一。隨著微型計(jì)算機(jī)及微電子技術(shù)在測試領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，儀器儀表在測量原理、準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、多種功能及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，逐步形成了完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器——智能儀器。在信息技術(shù)的高速發(fā)展和人工智能應(yīng)用的推動下，智能儀器必將有更大的進(jìn)展。因此，學(xué)習(xí)智能儀器的工作原理、掌握新技術(shù)和設(shè)計(jì)方法無疑是十分重要的[1]。

1 智能儀器教學(xué)現(xiàn)狀

（1）采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，缺少實(shí)踐能力的培養(yǎng)，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生并沒有真正掌握電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，只是對電子產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)概念有所了解，學(xué)生的潛力沒有得到充分的開發(fā)，學(xué)生能力培養(yǎng)的目的沒有達(dá)到，造成了教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的浪費(fèi)。（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用傳統(tǒng)的MCS-51單片機(jī)，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)的功能集成越來越豐富，而MCS-51單片機(jī)進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要大量的外圍電路，硬件電路設(shè)計(jì)缺乏集成度，從而造成智能儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，影響了智能儀器系統(tǒng)運(yùn)行的精度[2]。（3）課堂+實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式無法進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究，另外實(shí)驗(yàn)課時(shí)的有限，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是簡單的將單片機(jī)的引腳進(jìn)行連接，無法進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練。

2 智能儀器課程教學(xué)改革

針對智能儀器課程實(shí)踐性強(qiáng)、采用微處理器老舊的特點(diǎn)，有必要進(jìn)行智能儀器課程教學(xué)改革，具體如下：

（1）微處理器采用STC15W4K32S4單片機(jī)，是STC宏晶公司最新推出的一款單時(shí)鐘（1T）的新一代單片機(jī)，具有高速、高可靠性、寬電壓、低功耗特點(diǎn)，具有超強(qiáng)抗干擾能力，相比傳統(tǒng)的MCS-51單片機(jī)，內(nèi)部集成的資源更加豐富，實(shí)用性和性價(jià)比更高。

（2）結(jié)合Proteus8.9硬件仿真平臺，Proteus硬件仿真平臺在8.9版本上集成了STC15W4K32S4單片機(jī)模塊，極大的方便了基于STC15W4K32S4單片機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教學(xué)和科研工作。本文以實(shí)際案例為主線，利用Proteus8.9和Keil完成電子產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)的硬件開發(fā)和軟件開發(fā)工作，降低教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量。將Proteus仿真軟件引入到智能儀器課程教學(xué)當(dāng)中，使教學(xué)與仿真技術(shù)相結(jié)合，學(xué)生通過自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路圖，很直觀的將電路圖和仿真運(yùn)行畫面展現(xiàn)在學(xué)生面前，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)智能儀器課程的興趣，提高了學(xué)生對系統(tǒng)原理的理解，同時(shí)提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和教師教學(xué)的效果[3]。

（3）采用項(xiàng)目式教學(xué)，將課程從傳統(tǒng)的講授型教學(xué)模式為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的應(yīng)用型教學(xué)模式為主，把學(xué)生傳統(tǒng)的被動學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動學(xué)習(xí)。堅(jiān)持在“學(xué)”中“做”，在“做”中“學(xué)”，將極大的提升對單片機(jī)、智能儀器課程的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的成就感與自豪感。

（4）注重過程性考核，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。傳統(tǒng)教學(xué)模式考核方式主要采用期末考試的方式，對于智能儀器課程來說，期末考試只能考查學(xué)生基本概念和基本理論知識，無法做到對學(xué)生智能儀器產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力的考核。加強(qiáng)學(xué)生過程性考核的同時(shí)對教師的教學(xué)能力有了新的更高的要求，教師要了解智能儀器最新的學(xué)科前沿，本身要具備很強(qiáng)的動手能力，對智能儀器包含的所有項(xiàng)目能獨(dú)立完成，這樣才能解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程當(dāng)中遇到的各種問題。每個案例有其對應(yīng)的評分細(xì)則，真正的做到對學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的考核，不斷完善學(xué)生的評價(jià)考核機(jī)制，注重學(xué)生應(yīng)用型能力的培養(yǎng)、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自信心[4]。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

以項(xiàng)目任務(wù)為主線，將項(xiàng)目分解為若干知識點(diǎn)，設(shè)置評分細(xì)則，學(xué)生完成項(xiàng)目，教師進(jìn)行項(xiàng)目過程性考核，形成過程性考核依據(jù)，作為學(xué)生最終成績的一部分，本文以智能數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)為例來介紹項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)思路，具體如下[5]：

3.1 項(xiàng)目任務(wù)書下達(dá)

教師通過學(xué)習(xí)通平臺下發(fā)項(xiàng)目任務(wù)以及項(xiàng)目相關(guān)的基礎(chǔ)知識，比如用STC15W4K32S4單片機(jī)設(shè)計(jì)一個數(shù)字電壓表，測量范圍0～999V，測量精度10mV，顯示精度0.01V。學(xué)生領(lǐng)取到任務(wù)之后進(jìn)行資料的查閱，這樣可以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和學(xué)習(xí)的主動性。

3.2 任務(wù)分析

教師利用學(xué)習(xí)通平臺問卷調(diào)查的形式了解學(xué)生對相關(guān)基礎(chǔ)知識的掌握的情況，比如智能數(shù)字電壓表的結(jié)構(gòu)、功能以及基本原理。教師重點(diǎn)講解智能數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)流程，主要包括設(shè)計(jì)方案的選擇、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)調(diào)試。

（1）設(shè)計(jì)方案。分辨率的選擇：根據(jù)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)要求，把測量范圍0～999V劃分為四檔，即5V、50V、500V、1000V。使用基準(zhǔn)源5V的A/D轉(zhuǎn)換器采樣測量輸入電壓。因?yàn)榫葹?0mV，基本測量范圍是0～5V，則輸入A/D轉(zhuǎn)換器的最大測量值為5V，理論計(jì)算5V/10mV，故至少需要選用分辨率有500個量化等級的A/D轉(zhuǎn)換器，即至少選用分辨率為9位A/D進(jìn)行采樣測量。STC15W4K32S4單片機(jī)內(nèi)部含有包含有10位A/D轉(zhuǎn)換器，能夠滿足此測量要求。

（2）硬件電路設(shè)計(jì)。采用STC15W4K32S4單片機(jī)作為智能數(shù)字電壓表的控制器，LCD1602作為智能數(shù)字電壓表的顯示部件，SW切換開關(guān)選擇量程，原理圖如圖1所示。

圖1 智能數(shù)字電壓表原理圖

（3）軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要完成A/D采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等功能，利用Keil進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)如圖2所示，數(shù)據(jù)處理算法主要解決標(biāo)度變換的問題，利用標(biāo)度變換表達(dá)式：

圖2 智能儀器軟件設(shè)計(jì)

因此，只要采樣到數(shù)字量B，利用上面的公示，就能運(yùn)算處理得出當(dāng)前的被測電壓。

（4）數(shù)據(jù)處理。智能儀器具有傳統(tǒng)儀器不具備的數(shù)據(jù)處理功能，對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到智能儀器的最佳值，極大地減輕了人工測量和計(jì)算的工作，提高了工作效率。

智能儀器測量的誤差處理，無論什么測量，都會有誤差的產(chǎn)生，對于智能儀器來說，最大的優(yōu)勢就是利用自身微處理器的數(shù)據(jù)處理功能減小測量誤差，提高系統(tǒng)的測量精度。

數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)主要進(jìn)行隨機(jī)誤差處理和粗大誤差處理，當(dāng)干擾信號疊加到待測量信號上后，使得檢測值偏離真實(shí)值，導(dǎo)致同一信號多次測量的額結(jié)果互不相同，這時(shí)產(chǎn)生的測量誤差稱為“隨機(jī)誤差”。常用隨機(jī)誤差處理的辦法是采集多次多次測量結(jié)果求平均值，即：

（5）可靠性設(shè)計(jì)。理論上智能儀器可以正常運(yùn)行，但在實(shí)際中，受到外界各種干擾因素，智能儀器的硬件系統(tǒng)有可能會出現(xiàn)故障或性能出現(xiàn)變化，這些情況的存在使得系統(tǒng)運(yùn)行不可靠。

智能數(shù)字電壓表自身帶微處理器，主要采用數(shù)字濾波算法，消除外界的隨機(jī)干擾。所謂的數(shù)字濾波算法就是指從原始數(shù)據(jù)中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，常用的數(shù)字濾波算法有程序判斷濾波、中指濾波、算術(shù)平均濾波、去極致平均濾波、移動平均濾波、加權(quán)平均濾波、低通濾波。每種數(shù)字濾波算法所具有的特點(diǎn)和使用場合不同。智能數(shù)字電壓表可以采用中值濾波、算術(shù)平均濾波、去極致平均濾波以及加權(quán)平均濾波進(jìn)行隨機(jī)干擾的消除[6]。

3.3 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施主要訓(xùn)練學(xué)生動手能力，學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，能做到真正的將知識消化吸收，學(xué)生利用Proteus8.9和Keil軟件進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，教師對學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的問題進(jìn)行答疑。

（1）硬件設(shè)計(jì)。學(xué)生利用Proteus8.9進(jìn)行智能儀器硬件電路的設(shè)計(jì)，Proteus8.9硬件仿真平臺雖不是實(shí)物設(shè)計(jì)，但相比較實(shí)驗(yàn)室設(shè)備只是單純的進(jìn)行引腳連線，學(xué)生利用Proteus8.9硬件仿真平臺能更好的掌握和理解硬件電路的設(shè)計(jì)，從而節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，真正的提高了實(shí)驗(yàn)效果。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是智能儀器關(guān)鍵任務(wù)之一，針對微處理器外圍電路的設(shè)計(jì)，主要考核學(xué)生對前期學(xué)過的電路理論、模擬電子技術(shù)以及數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)知識的考核，其中涉及到系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，為智能儀器產(chǎn)品設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)[7]。

（2）軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)之前，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已確定，并完成了硬件電路的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)是智能儀器另一重要組成部分，軟件設(shè)計(jì)就是將各個功能模塊合理地組織到主程序和各個中斷子程序中去。因所有的軟件設(shè)計(jì)模塊都在一定程度上與硬件電路有關(guān)，對應(yīng)不同的硬件系統(tǒng)采用的軟件設(shè)計(jì)方法不同。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是完成系統(tǒng)所有預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能，功能模塊主要完成A/D采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等功能。因此軟件一般包括自檢模塊、初始化模塊、A/D采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸出顯示模塊。軟件設(shè)計(jì)的大概的層次結(jié)構(gòu)包括：主程序、中斷程序、A/D采樣程序、顯示程序。

3.4 項(xiàng)目考核

為了真正體現(xiàn)以學(xué)生為主體，以學(xué)生的學(xué)來評價(jià)教師的教，根據(jù)項(xiàng)目式教學(xué)的特點(diǎn)，加強(qiáng)過程性考核，提升學(xué)生知識的應(yīng)用型能力，進(jìn)一步完善考核評價(jià)體系，克服傳統(tǒng)考核方式的弊端，充分發(fā)揮過程性考核的優(yōu)勢，考核評分細(xì)則如表1所示。

表1 考核評定標(biāo)準(zhǔn)表

3.5 項(xiàng)目評價(jià)

教師對學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)行過程性考核完成之后，對學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施的過程進(jìn)行總結(jié)性評價(jià)，將學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程當(dāng)中出現(xiàn)的共性的問題進(jìn)行分析和解答，以及對學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施的情況進(jìn)行點(diǎn)評。

4 結(jié)論

智能儀器課程具有很強(qiáng)實(shí)踐性的特點(diǎn)，采用項(xiàng)目式教學(xué)提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和學(xué)習(xí)熱情,尤其要建立與理論教學(xué)相對應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過項(xiàng)目任務(wù)分析、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)文檔的編寫，真正意義上掌握了智能儀器和課程所涵蓋的內(nèi)容和智能儀器儀表產(chǎn)品開發(fā)的流程。在實(shí)踐中開發(fā)學(xué)生的潛力,取得了很好的教學(xué)效果。