基于科技創(chuàng)新平臺提高大學生的創(chuàng)新能力

毛愛華+黃宣銘+李國峰+趙存虎

摘要：創(chuàng)新能力是民族進步的靈魂、經濟發(fā)展的原動力。大學生科技制作是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的一種有效途徑[1]。通過液晶數顯炒鍋的構思、制作方案的設計、制作材料的遴選、作品安裝調試等關鍵步驟，可以激發(fā)大學生的創(chuàng)新潛能，可有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

關鍵詞：物理實驗；創(chuàng)新能力；科技制作；數顯炒鍋

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）12-0104-02

21世紀世界的競爭，主要是人才和科技的競爭。我國要實現(xiàn)民族復興的偉大目標，就必須培養(yǎng)出越來越多的高科技創(chuàng)新人才[2]。高等院校是培養(yǎng)未來所需人才的基地，為進一步營造校園科技創(chuàng)新氛圍，鼓勵支持學生開展課外科技創(chuàng)新活動，提升學生科學研究能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

一、制作液晶數顯炒鍋的思路

大學物理實驗是工科大學生必修的一門重要基礎實驗課程，其中開設有：液晶的電光效應研究、溫度傳感器的溫度特性測量，溫差電偶的定標和測溫三個實驗項目，引導學生將這三個實驗項目結合到一起，將所學到的知識運用到發(fā)明創(chuàng)新中，制作一件科技作品——液晶數顯炒鍋。制作目標：不同的食材、不同的烹制方式所需要的溫度是不一樣的。生活中常用的識別油溫高低的方法是通過油表面生產的油煙多少以及用手感覺熱量來判斷的，這只能粗略估計油溫度，是不準確的。新型的數顯炒鍋可用溫度傳感器測量溫度，溫差電偶產生的熱動勢驅動液晶屏實現(xiàn)時時顯示油溫的功能。

二、制作數顯炒鍋的知識準備

制作數顯炒鍋要用到的關鍵電子器件：溫度傳感器、溫差電偶以及液晶屏，必須了解這三種器件的工作原理及特性參數，并思考如何將這三個器件有效地組裝在一起制作液晶數顯炒鍋，此過程是培養(yǎng)學生的自學能力、創(chuàng)新思維的過程。

1.學習溫度傳感器的相關知識。閱讀大學物理實驗教材、網上查閱文獻、了解傳感器的原理、不同種類、使用范圍等，結合炒鍋的溫度特點，將NTC1K、PN結、PT100三種溫度傳感器作為備選材料，其中PT100溫度傳感器的測溫范圍在-200℃—650℃，具有線性好、耐高溫、響應快、準確度高的特點[3]，被作為重點測試材料；在各種溫度傳感器篩選過程中培養(yǎng)學生自學能力及獨立思考問題的能力。

2.學習液晶材料的相關知識。了解液晶材料的分子結構、物理特性及電光效應原理、液晶板面構成、顯示圖像原理、像素的概念、液晶屏閾值電壓值、不同液晶材料的應用等等，通過網絡自主學習，能夠鞏固書本知識、擴大知識面，做好自制前的準備工作。

3.學習熱電偶的相關知識。查閱熱電偶的相關知識：熱電偶的基本原理是兩種不同成分的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。再通過測量儀表就可以輕松地獲得熱電動勢的值。需要了解熱電偶的種類、測溫范圍等知識，篩選適合制作數顯炒鍋的溫差熱電偶。

三、引導學生自行設計液晶數顯炒鍋的制作方案

1.溫度傳感器的選材。在引導學生自行設計液晶炒鍋的制作方案的過程中，恰當地提出問題可以激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)新欲望，例如：（1）炒鍋的使用溫度范圍？家庭烹飪時油溫是20℃—240℃左右，炒菜時溫度假如超過240℃，不僅會破壞大部分養(yǎng)分，并且還會產生許多對人體有害的物質，制作炒鍋應考慮到有的燃燒溫度可以達到600℃，應采用較為寬泛的溫度范圍：20℃—600℃。（2）PT100鉑溫度傳感器、NTC1K溫度傳感器、PN結溫度傳感器哪種傳感器更加適合呢？實驗測試作出三種溫度傳感器的溫度與阻值的對應關系曲線。通過實驗數據外延，分析比對得知：NTC1K溫度傳感器、PN結溫度傳感器測溫范圍都達不到600℃，被淘汰；選擇PT100溫度傳感器比較適合，因為鉑電阻的測溫范圍在-220℃—650℃（特點：準確度高，測量范圍大），PT100價格低廉，符合節(jié)約成本的要求。

2.溫差電偶的選材。學生要對不同的熱電偶進行測試，測定溫差與熱電動勢的關系，才能選出最佳制作材料：（1）銅-康銅作為溫差電偶：實驗測得熱動計算可知溫差為400℃時△U=17.9mv，ΔT=-200℃—300℃范圍內，在廉價金屬熱電偶中，它的準確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200℃—350℃，雖然靈敏度比較高，價格便宜，但炒鍋爆炒時食油燃燒溫度可達到600℃，銅-康銅熱電偶達不到要求，引導學生尋找高溫熱電偶。（2）鉑銠10-鉑熱電偶：可以測0℃—1600℃范圍內的流體、蒸汽和氣體介質以及固體表面等溫度。微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；但由于銠是從粗鉑中分離出的新元素，比較昂貴，制作成本高，選擇材料要經濟實用，排除鉑銠10-鉑熱電偶。（3）鎳鉻—康銅熱電偶：也是一種廉價金屬熱電偶，該熱電偶的使用溫度為-200℃—900℃。其最大特點是在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高，宜制成熱電堆，可精確測量微小的溫度變化；溫差與熱電勢的參考數據ΔT=100℃時，△U=9.5mv；ΔT=200℃時，△U=16.4mv，ΔT=300℃時；△U=25.0mv；其還具有穩(wěn)定性好、抗氧化性能優(yōu)于銅-康銅、價格便宜等特點，是適合我們制作炒鍋用的材料。

3.測定液晶材料的特性。學生測定TN型（或STN型）液晶光閥特性，實驗得知：液晶閾值電壓在0.9—1.0v左右，只有熱電偶提供超過這么大的動力，液晶分子才具有光電效應，即炒鍋可以顯示溫度值的最低電壓值；一般情況下1.5v可以驅動數顯電路的運行，從這一點上，也可以看出液晶屏是很節(jié)能的。為了達到液晶所需的驅動電壓，學生必須設計熱電偶的聯(lián)接方式、計算串聯(lián)所需的溫差電偶數量。我們選擇：外觀尺寸為1.5英寸、四段碼、工作溫度在0℃—600℃、正顯TN液晶屏。

四、數顯炒鍋組裝成型

數顯炒鍋鍋底為雙層復合型鍋底，內部設置有鎳鉻-康銅溫差電偶測溫裝置，將鎳鉻-銅鉻熱電偶做成細絲狀（學生需事先計算出所需熱電偶的數量），設置方式為：將熱電偶以放射狀均勻埋置于鍋底，熱電偶的熱端均焊接在一起，置于復合鍋底的中心；另一端置于鍋沿的圓周上；熱電偶均以串聯(lián)方式聯(lián)接，可以起到熱電勢相加的效果，提供驅動液晶屏電路工作1.5V伏特電壓；鍋底同時設有PT100溫度傳感器用于測量鍋底溫度；鍋的端柄設置有1.5英寸的四段碼正顯TN液晶屏，普通TTL接口，精度達到0.1℃，準確顯示溫度值；鍋的端柄還裝有數據采集器，將溫度的變化轉變成電流的變化；炒鍋的端柄內部裝有液晶屏的顯示電路及傳導線；端柄與不銹鋼鍋體間裝有隔熱層。數顯炒鍋的研制過程中有許多關鍵點和難點：學生需要思考新型的炒鍋如何實現(xiàn)時時顯示油溫？數顯炒鍋具有哪些功能？計算所需熱電偶的根數，連接的電路圖，畫出結構示意圖；組裝調試過程中會遇到各種各樣的問題，解決制作中出現(xiàn)的問題，可以激發(fā)學生的求知欲，不斷地學習新知識；發(fā)揮學生的聰明才智，改進完善設計，找到解決問題的最佳方案，達到最佳效果。組裝的最終效果為：在鍋底安裝溫差電偶傳感器及溫度傳感器，在鍋把手柄上安裝液晶顯示屏電路。溫差電偶產生的電信號轉變成溫度值，顯示在裝有液晶屏鍋的手柄上；火力不同，鍋溫不同，電信號不同，液晶屏可以時時顯示溫度值，一目了然。特點：在不用電的情況下，實現(xiàn)烹制食物過程中對溫度顯示的要求，炒鍋可在燃氣灶、煤氣灶上使用，安全可靠。

五、結束語

組織學生參與科技創(chuàng)新題目的設計與制作，培養(yǎng)了大學生靈活運用所學知識，具有發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，調動了其他同學參與科技創(chuàng)新活動的積極性與主動性，收到了良好的效果。

參考文獻：

[1]李仁芮，馮法軍，等.通過科技制作培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力[J].承德石油高等專科學校學報，2013，15（6）：78-80.

[2]夏越新.高校學生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思考[J].決策·探索，2003，（5）：55-56.

[3]成正維，牛原.大學物理實驗[M].北京：北京交通大學出版社，2010.