樊振方，吳素勇，汪之國，譚中奇

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 湖南 長沙　410073)

現(xiàn)代化技術(shù)手段在實驗課中的應(yīng)用

樊振方，吳素勇，汪之國，譚中奇

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 湖南 長沙410073)

摘 要：以《高等光電技術(shù)實驗》教學(xué)的切身經(jīng)歷為基礎(chǔ)，論述了現(xiàn)代化的技術(shù)手段在實驗課中的應(yīng)用?，F(xiàn)代化技術(shù)手段在實驗過程、實驗數(shù)據(jù)處理過程的應(yīng)用，能夠提高實驗效率，提高實驗數(shù)據(jù)處理的精度，鍛煉學(xué)生的工程實踐能力。實驗室的現(xiàn)代化改造是推進(jìn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：高等光電技術(shù)實驗；現(xiàn)代化技術(shù)手段;教學(xué)改革

科學(xué)精神、創(chuàng)新思維和實驗技能是院校人才培養(yǎng)，特別是工科類研究生培養(yǎng)的三大重要內(nèi)容。而實驗課程是提高實驗技能、培養(yǎng)動手能力的重要手段[1]。實驗課程作為聯(lián)系理論與實踐的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的重要途徑和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[2]。通過實驗課，可以將課堂上比較抽象的理論知識具體化、實物化，進(jìn)而加深學(xué)生的知識烙印。對于理工科學(xué)生而言，實驗課是必不可缺少的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)。實驗課開設(shè)成功與否是一個專業(yè)學(xué)科教學(xué)水平的重要體現(xiàn)[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代化的電子技術(shù)和信息技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的方方面面。然而在一些實驗課仍然停留在用實驗記錄紙描點來記錄分析數(shù)據(jù)、用眼睛直接觀察來數(shù)條紋等比較落后的階段。一些新的技術(shù)手段，例如圖像處理技術(shù)、集成電路技術(shù)及自動化技術(shù)等可以完全可以應(yīng)用在實驗課程中，這樣可以有效提高實驗效率，增強(qiáng)開設(shè)實驗課的成效，保持課程內(nèi)容與時俱進(jìn)。

我國現(xiàn)行高等教育在人才培養(yǎng)模式方面已凸顯出與社會發(fā)展不相適應(yīng)，這就要求我國高等教育要以學(xué)生個性、社會發(fā)展需要為目標(biāo)，不斷塑造大學(xué)精神，提高學(xué)校辦學(xué)特色,為社會培養(yǎng)出多方面的專業(yè)復(fù)合型現(xiàn)代人才[3]。大力推進(jìn)教學(xué)改革是保持高校教育與時俱進(jìn)及培養(yǎng)符合時代要求人才的必然要求。教學(xué)改革往往關(guān)注于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程等方面[4]，而教學(xué)手段的改革也是教學(xué)改革的重要方面，這一點往往容易被忽視。如何在保留經(jīng)典實驗精髓的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實驗設(shè)備、實驗手段及實驗過程的現(xiàn)代化改造，以使學(xué)生更好地觀察到隱藏在實驗背后的物理本質(zhì)是教學(xué)改革的必然要求。

1教學(xué)體會

下面以幾個實驗教學(xué)案例為例，說明現(xiàn)代化技術(shù)手段應(yīng)用于實驗課教學(xué)中取得的良好成效。

在機(jī)抖激光陀螺的輸出信號處理試驗中，需要鑒別陀螺輸出信號的方向并對輸出脈沖數(shù)進(jìn)行可逆計數(shù)，同時還要對輸出的信號進(jìn)行數(shù)字濾波以濾除抖動成分得到真實角速度輸入。如果采用分離的門電路來實現(xiàn)，其工作量是可想而知的。因此本實驗采用了NI的可編程板卡PCI-7855R，該板卡板載FPGA擁有大量的可編程數(shù)字資源，可以實現(xiàn)鑒向計數(shù)、采樣和數(shù)字濾波。學(xué)生直接通過LABVIEW圖形化的編程語言對FPGA進(jìn)行編程，克服了必須有硬件描述語言基礎(chǔ)才能對FPGA進(jìn)行編程的問題。板卡直接插在PCI插槽上，這樣可以將數(shù)據(jù)通過PCI總線無縫傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行處理和顯示，省去了中間數(shù)據(jù)傳送的環(huán)節(jié)，而且數(shù)據(jù)吞吐量，學(xué)生可以直接觀察到有抖動調(diào)制的原始信號波形，還可以采用不同的數(shù)字濾波器直觀的看到數(shù)字濾波前后信號及其頻譜的變化規(guī)律。通過該實驗學(xué)生在掌握激光陀螺輸出信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，還學(xué)習(xí)了可編程邏輯器件的使用和濾波器的相關(guān)知識，工程實踐能力得到了鍛煉了。

在激光陀螺的比例因子實驗中，以往通過轉(zhuǎn)盤來手動調(diào)整并記錄記錄陀螺轉(zhuǎn)過的角度，這樣引入的誤差比較大，誤差大概在0.1deg的量級，激光陀螺本身的精度被掩蓋在測試誤差中無法體現(xiàn)。改造后采用高精度的轉(zhuǎn)臺代替轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)比例因子的測量，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動過程通過編程來精確控制，定位精度可達(dá)0.001deg，這樣就能減少實驗過程中的人為誤差因素，從而可以凸顯激光陀螺的高精度特性。

在激光面型干涉儀試驗中，以往通過眼睛直接觀察條紋的變化，邊觀察邊調(diào)節(jié)，時間久了，容易出現(xiàn)視覺疲勞。通過對實驗設(shè)備進(jìn)行改造后，采用高分辨的CCD采集圖像，并將圖像通過計算機(jī)渲染放大呈現(xiàn)在屏幕上。這樣一方面可以解放人的眼睛，保護(hù)實驗者的視力，增強(qiáng)視覺效果；另外一方面條紋間距和條紋數(shù)量都可以采用圖形處理技術(shù)得到，可以實現(xiàn)條紋與面型的精確測量。還可以根據(jù)二維的條紋圖形采用OpenGL編程等方法描繪出被測物的三維面型，通過對比條紋和三維圖像，可以強(qiáng)化學(xué)生對實驗物理本質(zhì)的理解。進(jìn)一步可以采用步進(jìn)電機(jī)來調(diào)節(jié)被測物的上下和左右方位，實現(xiàn)測量的完全自動化。

除了對于實驗過程的改革之外，在實驗報告的提交及數(shù)據(jù)處理等方面同樣做了改進(jìn)。不再要求學(xué)生提供紙質(zhì)的實驗報告，而是給他們充分的自由，讓他們通過不同方式來展示實驗的過程與收獲，可以以圖表及圖文結(jié)合的方式，也可以采用動畫、音頻和視頻等形式。實驗過程中拍攝的圖片和視頻都可以做為實驗報告的內(nèi)容。在數(shù)據(jù)處理方面，不再要求學(xué)生采用坐標(biāo)紙來描點，而是給予他們極大的靈活性，可以采用MATLAB等數(shù)學(xué)工程軟件對記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。相比于原來單純提交紙質(zhì)的實驗報告，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性。

2現(xiàn)代化技術(shù)手段應(yīng)用于實驗課的效果

通過筆者的切身教學(xué)體會，將現(xiàn)代化的技術(shù)手段應(yīng)用于實驗課之后，至少會帶來以下的好處:

2.1提高實驗效率

在實驗課程的實施過程中，往往實驗系統(tǒng)的搭建往往占用了大部分的時間，而對于實驗現(xiàn)象的觀察只留有少部分時間。采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段可以明顯提高實驗的效率，可以減小實驗系統(tǒng)的搭建難度，從而將重心轉(zhuǎn)移到實驗所體現(xiàn)的物理本質(zhì)上，提高效率的同時，增強(qiáng)了實驗效果。在激光陀螺的讀出信號處理實驗中采用集成化的FPGA板卡進(jìn)行教學(xué)很好地體現(xiàn)了這一點。

2.2提升學(xué)習(xí)興趣

成功的教育應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生主動獲取知識，激發(fā)學(xué)習(xí)動力[5]。如果在實驗過程中，仍然采用老舊的設(shè)備和數(shù)據(jù)觀測處理手段，就不能保證課程的與時俱進(jìn)，學(xué)生做實驗時也會覺得索然無味。在實驗中增加現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的大量元素，采用現(xiàn)代化的實驗設(shè)備和實驗技術(shù)手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和動手能力。在提高學(xué)習(xí)興趣的同時，也強(qiáng)化了課程開展的教學(xué)效果，實驗中的一些錯誤可以得到及時的自我糾正。采用多種形式而不是采用紙質(zhì)的實驗報告更加符合新時代學(xué)生發(fā)散思維的特性，在實驗報告中學(xué)生還能夠?qū)⒆约簩嶒灥母倪M(jìn)想法和學(xué)習(xí)體會與老師進(jìn)行交流，可以很好的提高學(xué)生的主觀能動性。

2.3提高實驗精準(zhǔn)度

實驗誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差[6]，誤差在實驗中是不可避免的，但是通過更加先進(jìn)的技術(shù)途徑可以大大減少各種誤差。以往的實驗往往靠眼睛觀察來記錄數(shù)據(jù)，然而人眼的觀測誤差是很大的，在有些情況下甚至?xí)霈F(xiàn)錯覺。同時以往的儀器設(shè)備自動化程度比較低，單純靠手工調(diào)諧，很難達(dá)到理想的精度?，F(xiàn)代化技術(shù)手段的引入可以實現(xiàn)實驗儀器的高精度控制，同時可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的高精度處理。例如上述在測量激光陀螺比例因子試驗中，通過高精度轉(zhuǎn)臺的引入，突出了激光陀螺精度高的特點；在激光面型干涉儀試驗中，用計算機(jī)來處理CCD采集到的圖像計算條紋的變化，相比原來用眼睛數(shù)條紋的方法，精度上有了較大的提升。

3對實驗室建設(shè)的要求

現(xiàn)代化技術(shù)手段應(yīng)用于實驗課程能夠達(dá)到良好的教學(xué)效果，而要實現(xiàn)這一點需要從實驗室的建設(shè)層面著手。作為高校教師應(yīng)該大力推進(jìn)教學(xué)改革，積極思考如何在實驗課的教學(xué)目標(biāo)不變的前提下，大膽改進(jìn)實驗手段和教學(xué)方法，而不是每年都機(jī)械重復(fù)同樣的教學(xué)內(nèi)容。但實際上，教師學(xué)歷高但缺乏工程背景和實踐經(jīng)驗是我國高等工程教育的一大問題， 因此提高教師隊伍的工程實踐能力是高等工程教育改革的一項重要內(nèi)容[7]。實驗設(shè)備的現(xiàn)代化改造可以通過兩個途徑來實現(xiàn)：(1)自研，這樣方法適用于試驗中某些具體細(xì)節(jié)的改進(jìn)，可以由任課老師或者由老師帶著參與創(chuàng)新實踐活動的學(xué)生來完成；(2)實驗設(shè)備引進(jìn)，高校應(yīng)在實驗室建設(shè)和維護(hù)上給與充分的支持，在經(jīng)費充裕的前提下，可以采購更加自動化、智能化的實驗儀器設(shè)備。實驗室的現(xiàn)代化改造雖然增加了實驗室建設(shè)與維護(hù)成本，但卻提高了實驗課效率、調(diào)動了學(xué)生積極性，與帶來的好處與優(yōu)點相比，這些投入都是值得的。

4結(jié)論

實踐性是工程教育的基本特征[8-9]。實驗課程是高校教育中培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。在保留實驗精髓的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，對于實驗設(shè)備、實驗過程和數(shù)據(jù)處理等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行不斷的改革創(chuàng)新是保證實驗課與時俱進(jìn)的必然要求。高校應(yīng)在實驗課開設(shè)理念、實驗室建設(shè)、課程內(nèi)容設(shè)計以及教學(xué)組織方式等方面保持不斷創(chuàng)新，才能保證培養(yǎng)出的學(xué)生能夠適應(yīng)時代的要求。

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Application of Modern Technique in Experimental Course

FAN Zhen-fang，WU Su-yong，WANG Zhi-guo，TAN Zhong-qi

(National University of Defense Technology，Hunan Changsha 410073)

Abstract：Based on the teaching experience of “Higher Optoelectronics technology experiment”,the application of modern technique in experimental course is discussed.Application of modern technique used in the procedure of experiment and data processing can improve the teaching efficiency,enhance the accuracy of experiment,and then the engineering ability of student is excised.Laboratory modernization is an important aspect of promoting education reform.

Key words：higher optoelectronic technology experiment；modern technique；education reform

收稿日期：2015-09-22

文章編號：1007-2934(2016)02-0132-03

中圖分類號：G 642.423

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.035