智能儀器檢測技術發展研究

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編者按：本論文主要從實驗教學的現狀；增加學科領域新型、高端實驗項目；增加設計性,綜合性的實驗內容；充分利用網絡資源和多媒體技術,改進教學方法等進行講述，包括了智能儀器主要包括將被測非電量轉換成與之相對應的電信號的傳感器部分、大量應用新技術和新的物理效應的傳感器得到了廣泛的應用等，具體資料請見：

【摘要】本文分析了本科生智能儀器與檢測技術實驗教學的現狀,結合中國石油大學(華東)的實際情況,對實驗室硬件條件,實驗內容,教學方法等提出改革方案,以增強學生的工程實踐意識,培養學生應用系統設計的能力,提實驗教學的質量。

【關鍵詞】智能儀器與檢測技術;實驗教學;多媒體

1引言

智能儀器與檢測技術是高校自動化及相關專業的一門重要課程,它集技術性、工程性和實踐性于一體,是一門涉及傳感技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信號分析與處理技術、數據通信技術、模式識別技術、可靠性技術、抗干擾技術和人工智能等多門學科的現代綜合技術[1]。該課程知識面廣,綜合性強,學習難度較大,因此其實驗教學環節顯得尤為重要。通過實驗教學促進學生對以傳感器為核心的檢測技術,對以單片機為核心的智能儀器技術的理解,增強學生的工程實踐意識,培養學生應用系統設計的能力。本文從課程教學的需要和培養具有設計能力的人才的觀點出發,對實驗教學改革措施進行探討。

2實驗教學的現狀

智能儀器主要包括將被測非電量轉換成與之相對應的電信號的傳感器部分,對傳感器的信號進行進一步的濾波,放大等的信號調理電路,以及以單片機為核心對信號進行處理,

因此,在中國石油大學(華東)的智能儀器與檢測技術實驗室中,相應的實驗內容也由傳感器,轉換電路以及單片機這三部分組成。傳感器及轉換電路實驗主要使用CSY-968傳感器實驗儀,進行電阻式,電容式,電感式等多種常用傳感器的靜態和動態特性實驗,以及移相器,相敏檢波等轉換電路實驗,單片機實驗則使用XYZ-22型綜合實驗儀,進行LED顯示,A/D轉換等多個以8051為核心的單片機基礎實驗,實驗室目前共開設實驗項目二十一個,能夠比較全面地培養學生的動手能力,完成《智能儀器與檢測技術》課程的基本教學要求。目前實驗室存在的問題主要有:實驗項目比較基礎;實驗內容多為驗證性的;教學手段比較傳統。針對以上問題,提出了下面的教學改革方案,以改善實驗室的教學條件,增強實驗教學效果。

3增加學科領域新型、高端實驗項目

近年來,隨著半導體,計算機技術的飛速發展,智能儀器與檢測技術出現了如下趨勢:微型化;多功能化;人工智能化;網絡化等[3]。這些發展變化的技術背景就是硬件及軟件的不斷發展及創新。而實驗室目前只能進行學科基礎性的實驗,非常不利于學生了解學科發展的情況,掌握工程實踐所需要的高級技能,從而限制了學生水平的提高。為此,有必要增加學科領域新型、高端的實驗項目。

從檢測技術方面,大量應用新技術和新的物理效應的傳感器得到了廣泛的應用,如光纖,超聲,紅外,光電等,應適當引進相應的實驗儀器和項目,引導學生了解和掌握這些新型的檢測技術。從單片機方面,MCS-51系列8位單片機由于使用時間長,性能價格比高等特點,在國內仍然有比較廣泛的應用,但是,單片機發展速度極快,大約每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番[4],大量其他系列的單片機不斷投入市場,以其多功能、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能等優勢在設計中占有越來越重要的地位,因此需要增加AVR,DSP,ARM等系列單片機的相關實驗。這不僅可以滿足學生拓展知識面的要求,而且可以為學生的電子設計競賽和畢業設計等活動提供強大的物質支持。

4增加設計性,綜合性的實驗內容

智能儀器與檢測技術是一門與工程實踐結合得比較緊密的課程。而實驗室目前開設的實驗項目多為驗證性的。驗證性的實驗有利于鞏固學生所學的傳感器和單片機的相關理論知識,有利于提高學生的基本實驗技能,但是卻很難培養學生的工程綜合與應用能力,理論與實際相結合的能力和創新研究能力。因此,必須在保留經典的驗證性實驗項目的基礎上,增加設計性,綜合性的實驗內容。

設計性,綜合性實驗主要是講義上給出實驗目的或題目,要求學生據此查閱大量相關的資料或文獻,了解實驗原理,選擇實驗儀器,列寫實驗步驟,最終完成實驗并撰寫實驗報告。例如:智能溫度控制實驗,要求學生使用8051單片機設計一個控制電熱杯加熱水溫度的應用系統,這個實驗綜合了傳感器熱電阻Pt100及其轉換電路,8051單片機的軟件與硬件設計等多方面的知識,實質上就是一個完整的智能儀器的設計過程,學生必須綜合運用所學的知識,才可能獨立完成實驗。這樣的實驗有趣味,有難度,可以拓寬學生的知識面,激發學生的實驗興趣,增強學生的實驗技能,提高其知識綜合運用的能力,培養學生的創新意識和創造能力,從而提高學生的就業競爭力。

5充分利用網絡資源和多媒體技術,改進教學方法

實驗室目前采取的教學方法比較傳統,概括地講就是實驗前統一講授,實驗中個別輔導。由于實驗前需講解多個實驗,所以每個實驗不可能面面俱到,只能點出實驗要點和注意事項,實驗中,由于實驗項目和學生眾多而時間有限,因此個別輔導的面也不廣。這樣學生的預習工作對教學效果影響很大。要改變這種現狀,必須充分利用網絡資源和多媒體技術,改進教學方法。

多媒體輔助教學是一種以多媒體計算機系統為主要教學媒體的新型教學模式[5]。它可以實現課堂教學的全員性、大容量、多信息、多趣味和高效率,能幫助教師更好地完成教學功能。為此提出兩點教學改革的方案,一是制作大量優質的CAI多媒體實驗教學課件,在師生面對面的教學中產生圖、文、聲、像并茂的效果,刺激學生的科學靈感,強化知識的印象,加大知識信息傳播的力度和深度,以彌補傳統實驗教學的不足,提高實驗教學的效果。二是充分利用網絡資源,積極開發網上智能儀器與檢測技術虛擬實驗室,使學生在上課之前可以進行模擬實驗,從而提高預習深度,最終改善教學效果。

6結束語

綜上所述,由于本科生智能儀器與檢測技術實驗教學存在著實驗項目比較基礎;實驗內容多為驗證性的;教學手段比較傳統等方面的問題,本文提出對實驗室硬件條件,實驗內容,教學方法等方面進行改革,其中部分方案已經實施,并明顯地提高了教學效果,但實驗教學改革的某些具體環節仍需我們不斷的進行探索和研究。