吳彥文，常志強(qiáng)

(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430079)

0 引 言

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不但能培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)的能力，而且能強(qiáng)化和提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。因此，構(gòu)建一種能夠幫助大學(xué)生提高動(dòng)手能力和增強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)的模塊化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有極其重要的意義［1-10］。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

本綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，它分為多個(gè)模塊:控制單元、電源單元、機(jī)械實(shí)驗(yàn)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)輸入單元、信號(hào)輸出單元(聲、光)、信號(hào)處理單元、存儲(chǔ)單元、通信單元等，原理圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

其中，單片機(jī)芯片選用ATMEL 公司的AT89C51;存儲(chǔ)單元選用韓國三星公司的32M 容量的NAND Flash 芯片K9F5608，功放芯片選用TDA2822;信號(hào)輸出單元中，音頻芯片選用CS4330，LCD 液晶屏選用JHD162DC 的字符型液晶模塊;信號(hào)輸入單元中，功能鍵的設(shè)計(jì)利用了AT89C51 的鍵盤中斷輸入引腳KIN0～KIN3，外接4 個(gè)輕觸鍵;電源部分采用的是可充電的蓄電池組。機(jī)械單元，采用鋁板制成的4 輪直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車。此外，USB 的設(shè)計(jì)則利用了AT89C51 自帶的USB 控制接口，外接一個(gè)USB Device 插口供用戶使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)簡介

為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)體系，分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)［11-12］。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)多針對(duì)一門課程或一個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)的，組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)則是需要學(xué)生結(jié)合多門課的知識(shí)來完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)學(xué)生的不同課程和不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)老師可為學(xué)生提供不同的指導(dǎo)，這樣可以效地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

(1)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。主要是一些簡單的實(shí)驗(yàn)，用來完成實(shí)驗(yàn)入門。首先，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)來認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)中所使用元器件，熟悉其名稱、內(nèi)部構(gòu)造、基本原理及其主要用途。其次，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)操作來掌握元器件的辨別，初步了解實(shí)驗(yàn)用電子儀器和軟件的使用方法，并掌握基本的實(shí)驗(yàn)技巧，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)流程。

(2)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的單一模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)。除了能使實(shí)驗(yàn)者對(duì)已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行深化理解，增加其對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，還可以使學(xué)生熟悉常用電子儀器的使用方法，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)常見電子電路的基本測量技巧，以及觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等基本方法，提高基本實(shí)驗(yàn)技巧，為組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

(3)組合性實(shí)驗(yàn)。是將基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中已應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，組合成一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這部分實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰徒M合創(chuàng)新能力為主，開拓學(xué)生思路，提高學(xué)生分析和組合電路的能力。

(4)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。主要是老師指導(dǎo)，學(xué)生獨(dú)立或組隊(duì)完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)課題的形式進(jìn)行的。其實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要有課題選擇、資料收集、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)完成及寫作文檔。進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，提高科研素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維方法，強(qiáng)化其創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)研究能力。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在硬件設(shè)計(jì)上的特點(diǎn):

(1)模塊化設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以模塊化設(shè)計(jì)為特色，使用者可根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)需求選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)K，設(shè)計(jì)和組裝實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

硬件模塊的老化會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)精度變差，操作失誤能造成實(shí)驗(yàn)電路的不可逆轉(zhuǎn)的損壞，這些都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)K不能繼續(xù)使用。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的模塊化設(shè)計(jì)的原則能很好地解決這些問題。此外，實(shí)驗(yàn)者還可以按自己的需要，設(shè)計(jì)出一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)?zāi)K來替換實(shí)驗(yàn)板上的對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)人員有更大的靈活性。

(2)綜合性強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配有一套系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)體系，它包括了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。本平臺(tái)既可以輔助學(xué)校已有的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。也可自成體系，方便老師根據(jù)學(xué)生的不同階段提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這給老師和學(xué)生帶來很大便利［13］。

(3)創(chuàng)新性。與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配套的實(shí)驗(yàn)體系配有多項(xiàng)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，易于培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)、無線智能電子搶答器、智能語音機(jī)器人、智能小車的設(shè)計(jì)等。通過完成本系統(tǒng)提供的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)生能更系統(tǒng)地培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置/實(shí)驗(yàn)設(shè)置舉例

該實(shí)驗(yàn)體系成階梯式展開，依次為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。如圖2 所示，本節(jié)通過一組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例來闡述該實(shí)驗(yàn)體系的思想。

圖2 實(shí)驗(yàn)體系框圖

2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

以“語音機(jī)器人音頻放大電路的測試”為例:首先學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，了解本實(shí)驗(yàn)的目的和功能，理解音頻放大電路的理論知識(shí)［14］。其次，指導(dǎo)老師播放“語音機(jī)器人音頻放大電路的測試”電教視頻教程，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程和電子示波器、電流源等電子儀器的使用方法。最后，學(xué)生通過查看并分析音頻放大電路，熟悉三極管、電阻、電容等電子元器件在音頻放大電路中的作用［15］。此類的實(shí)驗(yàn)還有直流電機(jī)/步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，LED 燈的測試，音頻放大電路的測試，單片機(jī)的I/O 口測試等。

2.2 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

例如，通過對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)者完成對(duì)數(shù)字集成電路“LCD 顯示模塊”的電路進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)選用芯片JHD162DC，通過設(shè)置相應(yīng)端口的電壓，可以對(duì)顯示模塊進(jìn)行簡單測試。管腳2、15 連接+5V 電源電壓，管腳1、3、16 連接地，通過對(duì)相應(yīng)的管腳置入高低電平，使芯片進(jìn)行簡單工作，此類的實(shí)驗(yàn)還有“智能車的行進(jìn)測試”、“語音模塊的測試”［16］。

2.3 組合性實(shí)驗(yàn)

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)一些實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行了簡單的應(yīng)用?，F(xiàn)在，將根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求來對(duì)這些實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)并完成一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)者已完成“LCD 顯示模塊接口電路的測試”、“單片機(jī)的I/O測試”等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)后，可以將上述實(shí)驗(yàn)組合為一個(gè)組合型實(shí)驗(yàn)，來實(shí)現(xiàn)“基于單片機(jī)的LCD 模塊的顯示”。此類項(xiàng)目還有“語音文件的播放控制”、“溫度傳感器的測溫及其LCD 顯示”、“直流電機(jī)的單片機(jī)控制”等。

2.4 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

在組合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入一些功能模塊，繼續(xù)完善這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如，“語音型智能機(jī)器人”的制作，如加入智能車、音頻DAC 及功放電路的設(shè)計(jì)、溫度傳感器單元、時(shí)鐘單元等，增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)要求，①機(jī)器人在不同的地點(diǎn)進(jìn)行測溫，然后語音播報(bào);②在①的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)間顯示、鬧鐘定時(shí)等功能;③在②的基礎(chǔ)上，要求播放音樂文件及在LCD 上顯示播放的語音文件名;④在①的基礎(chǔ)上，要求設(shè)定一個(gè)適宜的溫度值區(qū)間，如果環(huán)境溫度值不在這個(gè)區(qū)間，在整點(diǎn)時(shí)用語音提醒。

3 結(jié) 語

本研究以調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣、增加學(xué)生的實(shí)踐積極性為目的，設(shè)計(jì)了模塊化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)合后可形成一套創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)體系，該實(shí)驗(yàn)體系分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)莒柟虒W(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)則能增加學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)歷，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生還可根據(jù)自已的知識(shí)積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，來選擇適合自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)過本專業(yè)部分本科生的試用，實(shí)踐表明，本實(shí)驗(yàn)體系對(duì)本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到顯著的效果。

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