模塊化綜合實驗平臺設計與研究

吳彥文，常志強

(華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430079)

0 引 言

創新性實驗設計不但能培養學生綜合運用理論知識的能力，而且能強化和提升學生的創新意識。因此，構建一種能夠幫助大學生提高動手能力和增強其創新意識的模塊化綜合實驗平臺具有極其重要的意義［1-10］。

1 實驗平臺概述

1.1 實驗平臺結構

本綜合實驗平臺采用模塊化設計，它分為多個模塊:控制單元、電源單元、機械實驗單元、電機驅動單元、信號輸入單元、信號輸出單元(聲、光)、信號處理單元、存儲單元、通信單元等，原理圖如圖1 所示。

圖1 實驗平臺原理圖

其中，單片機芯片選用ATMEL 公司的AT89C51;存儲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;信號輸入單元中，功能鍵的設計利用了AT89C51 的鍵盤中斷輸入引腳KIN0～KIN3，外接4 個輕觸鍵;電源部分采用的是可充電的蓄電池組。機械單元，采用鋁板制成的4 輪直流電機驅動小車。此外，USB 的設計則利用了AT89C51 自帶的USB 控制接口，外接一個USB Device 插口供用戶使用。

1.2 實驗體系設計簡介

為了提高學生的動手能力和創新能力，本實驗平臺設計了一套實驗體系，分為驗證性實驗、基礎性實驗、組合性實驗和創新性設計［11-12］。驗證性實驗和基礎性實驗多針對一門課程或一個功能模塊設計的，組合性實驗和創新性設計則是需要學生結合多門課的知識來完成一個實驗項目。根據學生的不同課程和不同學習階段的學習內容，實驗輔導老師可為學生提供不同的指導，這樣可以效地提高學生的動手能力和培養創新意識。

(1)驗證性實驗。主要是一些簡單的實驗，用來完成實驗入門。首先，學生通過實驗預習來認識實驗中所使用元器件，熟悉其名稱、內部構造、基本原理及其主要用途。其次，學生可以通過實驗操作來掌握元器件的辨別，初步了解實驗用電子儀器和軟件的使用方法，并掌握基本的實驗技巧，認識實驗流程。

(2)基礎性實驗。主要是針對實驗平臺的單一模塊進行實驗設計和課程設計。除了能使實驗者對已學的知識進行深化理解，增加其對課程學習的興趣，還可以使學生熟悉常用電子儀器的使用方法，重點培養學生對常見電子電路的基本測量技巧，以及觀察和分析實驗現象和實驗結果等基本方法，提高基本實驗技巧，為組合性實驗和創新性設計打下基礎。

(3)組合性實驗。是將基礎性實驗中已應用的實驗模塊，組合成一個新的實驗項目。這部分實驗以培養學生的基本實驗能力和組合創新能力為主，開拓學生思路，提高學生分析和組合電路的能力。

(4)創新性設計。主要是老師指導，學生獨立或組隊完成一個實驗課題的形式進行的。其實驗環節主要有課題選擇、資料收集、實驗設計、實驗完成及寫作文檔。進行創新實驗的設計，提高科研素養。實驗目標是為了培養學生的科學研究思維方法，強化其創新意識和科學研究能力。

1.3 實驗平臺特點

本實驗平臺在硬件設計上的特點:

(1)模塊化設計。本實驗平臺以模塊化設計為特色，使用者可根據自己的實驗需求選擇實驗模塊，設計和組裝實驗，以達到更好的實驗效果。

硬件模塊的老化會導致實驗精度變差，操作失誤能造成實驗電路的不可逆轉的損壞，這些都會導致實驗模塊不能繼續使用。本實驗平臺使用的模塊化設計的原則能很好地解決這些問題。此外，實驗者還可以按自己的需要，設計出一個新的實驗模塊來替換實驗板上的對應模塊進行實驗，讓實驗人員有更大的靈活性。

(2)綜合性強。本實驗平臺配有一套系統的實驗體系，它包括了驗證性實驗、基礎性實驗、組合性實驗和創新性設計。本平臺既可以輔助學校已有的實驗室系統，協同培養學生的創新能力。也可自成體系，方便老師根據學生的不同階段提供實驗指導和實驗設計，這給老師和學生帶來很大便利［13］。

(3)創新性。與實驗平臺配套的實驗體系配有多項創新性實驗設計，易于培養動手能力和創新意識。創新性實驗設計有基于單片機的超聲波測距系統、無線智能電子搶答器、智能語音機器人、智能小車的設計等。通過完成本系統提供的創新性實驗設計，學生能更系統地培養自己的創新能力。

2 實驗設置/實驗設置舉例

該實驗體系成階梯式展開，依次為驗證性實驗、基礎性實驗、組合性實驗和創新性設計。如圖2 所示，本節通過一組實驗設計為例來闡述該實驗體系的思想。

圖2 實驗體系框圖

2.1 驗證性實驗

以“語音機器人音頻放大電路的測試”為例:首先學生進行課前預習，了解本實驗的目的和功能，理解音頻放大電路的理論知識［14］。其次，指導老師播放“語音機器人音頻放大電路的測試”電教視頻教程，讓學生了解實驗過程和電子示波器、電流源等電子儀器的使用方法。最后，學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］。此類的實驗還有直流電機/步進電機的正轉、反轉，LED 燈的測試，音頻放大電路的測試，單片機的I/O 口測試等。

2.2 基礎性實驗

例如，通過對數字電子技術的學習，實驗者完成對數字集成電路“LCD 顯示模塊”的電路進行測試，實驗選用芯片JHD162DC，通過設置相應端口的電壓，可以對顯示模塊進行簡單測試。管腳2、15 連接+5V 電源電壓，管腳1、3、16 連接地，通過對相應的管腳置入高低電平，使芯片進行簡單工作，此類的實驗還有“智能車的行進測試”、“語音模塊的測試”［16］。

2.3 組合性實驗

在基礎實驗中，我們對一些實驗單元進行了簡單的應用。現在，將根據實驗需求來對這些實驗單元進行組合，設計并完成一個復雜的實驗項目。實驗者已完成“LCD 顯示模塊接口電路的測試”、“單片機的I/O測試”等基礎實驗后，可以將上述實驗組合為一個組合型實驗，來實現“基于單片機的LCD 模塊的顯示”。此類項目還有“語音文件的播放控制”、“溫度傳感器的測溫及其LCD 顯示”、“直流電機的單片機控制”等。

2.4 創新性設計

在組合性實驗的基礎上加入一些功能模塊，繼續完善這個實驗項目。例如，“語音型智能機器人”的制作，如加入智能車、音頻DAC 及功放電路的設計、溫度傳感器單元、時鐘單元等，增加實驗的復雜度。實驗要求，①機器人在不同的地點進行測溫，然后語音播報;②在①的基礎上，實現顯示時間顯示、鬧鐘定時等功能;③在②的基礎上，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的基礎上，要求設定一個適宜的溫度值區間，如果環境溫度值不在這個區間，在整點時用語音提醒。

3 結 語

本研究以調動學生的興趣、增加學生的實踐積極性為目的，設計了模塊化綜合實驗平臺。該平臺與學生實驗結合后可形成一套創新性實驗體系，該實驗體系分為驗證性實驗、基礎性實驗、組合性實驗和創新性設計。驗證性實驗和基礎性實驗能鞏固學生的基礎知識，組合性實驗和創新性設計則能增加學生的實踐經歷，提高學生的創新能力。學生還可根據自已的知識積累和實踐經驗，來選擇適合自己的實驗項目。本實驗平臺已經過本專業部分本科生的試用，實踐表明，本實驗體系對本科生創新能力的培養起到顯著的效果。

［1］ 秦剛年，謝華麗，譚 峰，等.構建適應創新型人才培養的實驗教學體系［J］.實驗室研究與探索，2012，31(1):101-104.

［2］ 王吉岱，李維贊，孫愛琴，等.教育機器人的研制與發展綜述［J］.現代制造技術與裝備，2007(2):10-12.

［3］ 朱金秀，范新南，朱昌平，等.電氣信息類人才培養實踐創新能力培養體系［J］.實驗室研究與探索，2011，30(10):129-131.

［4］ 吳 潔，何 花，周 波，等.淺談教育機器人［J］.中國教育技術裝備，2006，30(7):14-17.

［5］ 劉曉華，劉宏升，王 正，等.精英人才培養模式下教學實驗中心的建設與發展［J］.實驗室研究探索，2011，30(10):99-102.

［6］ 梁 偉.地方高校電子類專業實踐教學體系的探索［J］. 實驗技術與管理，2010，27(12):16-18.

［7］ 高建新.技術基礎課實踐教學模式改革研究與實踐［J］. 實驗技術與管理，2011，28(7):233-235.

［8］ 肖海榮，周鳳余，宋洪軍，等.一種教學機器人控制系統的設計與制作［J］.機電一體化，2006(5):40-42.

［9］ 謝艷招，趙 林，蔡聰育，等.建設教學科研兩用型實驗室［J］.實驗室研究與探索，2012，31(2):175-177.

［10］ 高建新.技術基礎課實踐教學模式改革研究與實踐［J］. 實驗技術與管理，2011，28(7):233-235.

［11］ 楊曉燕，錢偉興，陳 寧.培養創新性人才的實驗教學體系與模式研究［J］.實驗室研究與探索，2009，28(11):156-158.

［12］ 劉海順，殷春浩，韓 奎，等.開設創新性物理實驗，培養學生創新能力［J］.實驗室研究與探索，2004，23(12):8-9.

［13］ 李 文，謝 蕓，彭陽紅，等. 電子信息類專業實驗教學“二三四”模式的探索與實踐［J］. 中國科教創新導刊，2008(17):97-99.

［14］ 李全利，仲偉峰，徐 軍.單片機原理及應用［M］. 北京:清華大學出版社，2007:77-80.

［15］ 黃 明.TDA2822M 在數字電路中的應用(上)［J］. 電子制作，2001(9):15-16.

［16］ 薛曉玲，劉志群，賈俊榮.單片機接口模塊應用于開發實例詳解［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010:77-80.