綜合性實驗教學改革探索

陳世海 王軍 代偉 呂剛

摘 要：實驗教學對高等工程教育人才培養具有至關重要的作用，實驗內容的安排與設計應從應用的角度出發，盡量結合工程實際。然而現有實驗往往從屬于理論課教學，實驗內容多是針對某些理論知識而設計。針對這一問題，將“實驗室安全監測系統設計”實際工程項目引入電子信息專業綜合性實驗，強化對于學生工程實踐能力的培養。

關鍵詞：綜合實驗；教學改革；工程項目

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）19-0150-03

Abstract： Experiment teaching is very important for personnel training in higher engineering education. The experiment content should be set from the aspect of practical application and should have some relation with engineering practice. But most experiments available are set for theory teaching， and their contents are only for some theory knowledge. Aiming at these issues， a practical project， the design of laboratory safety monitoring system， is reformed for the comprehensive experiment of electronic information students to enforce their ability of real engineering practice.

Keywords： comprehensive experiment； reaching reform； engineering project

實驗教學是高等工程教育的重要組成部分，也是影響工程人才培養質量的關鍵環節。受專業課教學體制和教學計劃安排等因素影響，多數實驗教學依從于具體的理論課教學，其教學目標通常也是為了鞏固理論課的教學成果；盡管這些實驗在提高學生理論聯系實踐、儀器操作、動手實踐以及創新等能力上起到了積極有效的作用，然而在學生畢業后從事的實際工作中，其所要解決的工程問題，往往不是一門專業課知識就能涵蓋和解決的，而是需要綜合多門專業知識甚至需要多學科知識；如果在人才培養過程中，不能給學生提供解決實際工程問題的切身經驗和體會，很可能導致其在將來工作時感覺束手無策[1，2]。因此，在實驗教學改革中，應該多從專業上的工程實踐出發，以實踐工程項目需求為導向，適當實時增加綜合性實驗。

開設綜合性實驗的目的在于培養學生工程實踐能力，最直接的辦法就是將實際工程項目引入到實驗教學中，這也是最為有效的辦法。針對電子信息專業的人才培養要求，將“實驗室安全監測系統設計”引入實驗教學，探索綜合性實驗改革。

一、項目需求

隨著高等工程教育教學內容的拓展以及招生人數的增加，高校實驗室規模穩步增長，同時，為了提高實驗室的利用效率，部分實驗室實行了面向不同學生開放的制度，鼓勵本科生在課外時間走進實驗從事相關專業實踐活動。無疑，實驗規模的增長以及實驗室開放制度，都為本科生提供了更多、更便利的實踐條件，但與此同時，也為實驗室安全帶來了巨大的管理壓力和安全壓力。一方面需要不斷加強制度建設和學生管理，從制度上、從學生的主觀上保障實驗室安全，但這是一個長期的過程，是一個正在逐步完善的過程；所以，另一方面還要加強實驗室的安全監測。前者防患于未然，后者是亡羊補牢，盡量降低損失。然而，目前實驗室的監測多以視頻監控為主，并不具備實時報警功能。為此，針對電類專業實驗的特點，研發一套具有實時報警功能的實驗室安全監測系統具有重要的現實意義。系統設計需要考慮以下三個方面的內容。

（一）及時發現隱患

火災是電學實驗室最常見的安全事故，因此，實驗室安全監測系統要充分考慮到對實驗室火災的監測和預警，盡量降低實驗室損失。

（二）實時報警

如果能夠在災害發生階段或者災害初期能夠及時處理，通常可以極大地降低甚至避免產生損失。所以，在監測到災害發生時，系統應能夠立即發出報警信息，使相關人員能夠及時獲取災害信息，以利迅速采取有效措施控制災害。

（三）可擴招性

不同實驗室可能具有不同的安全隱患，所以實驗室安全監測系統應能夠適應不同實驗室的監測需求，可以對不同信息，如有毒有害氣體泄漏等進行監測。

二、系統架構

系統主要由微處理器、傳感模塊、通信模塊、人機接口以及電源模塊等5部分組成，系統整體架構如圖1所示。其中傳感模塊用于采集實驗室安全監測數據，如溫度、煙霧、有毒有害氣體等，不同實驗室可以配置不同類型的傳感器；微處理器是整個系統的控制核心，能夠根據傳感模塊采集的具體數據判斷實驗室的安全或災害狀況，同時能夠實時的將實驗室安全/災害信息傳遞給管理人員或者聯動消防機構；通信模塊負責監控信息的傳輸，要具有良好的適應性和穩定性；人機接口用于對系統進行現場操作和配置，要簡單易用；電源模塊為系統各部分提供電力支撐，要滿足功率及穩定性要求。

（一）微處理器

微處理器是系統的控制中樞，由于系統運算量不大，所以微處理器的選擇面較廣，在實驗過程中，可以根據所學微機原理的教學內容進行選擇，若MCS-51系列處理器，也可以根據學生的興趣愛好進行選擇，如果ARM系列。ARM處理器做主控單元，這類芯片存儲空間大、片內有可擦寫的寄存單元、能夠快速的響應外部的各種數字信號、片內具有以太網控制器，但是在數據的處理方面過于冗雜而且芯片價格較貴，在實驗室安全監測系統設計中芯片的很多功能也用不到，所以在實際監測系統設計中其性價比較低，但對于綜合性實驗，選擇這類芯片有助于學生拓展知識面，為后續工作打下基礎。采用所學的MCS-51系列微處理器，如STC89C52微處理器作為控制核心，其電路設計簡單、存儲空間夠用、數據處理能力強。在系統整體和各個模塊的程序相互調用方面，處理速度快、性能穩定。STC89C52微處理器最小系統電路如圖2所示。對系統設計而言，其最突出的優勢是性價比高，對學生而言，其最突出的優勢是資料豐富、上手容易。這兩種方案各有優勢，實驗中同學可以根據自己的情況合理選擇。

實驗中需要確保STC89C52微處理器復位電路正常工作。其復位電路是在RESET引腳（第9腳）上連接一個10μF電容到電源正極VCC端，再連接一個10kΩ的電阻到電源負極GND端，這樣設計一個RC工作電路保證STC89C52微處理器在上電之后RESET腳上有足夠時間高電平。這個電阻和電容是根據硬件設計手冊選擇的。電路設計原理就是在復位引腳的電容上并聯一個開關，當開關閉合時電容放電RESET引腳信號被拉到高電平，由于是電容充滿電的狀態會保持一段時間高電平來使STC89C52微處理器復位。

（二）無線通信模塊

常用的無線通信方式有WIFI、藍牙、Zigbee和公用移動通信等。WIFI傳輸速率高、聯網方便，在短距離高速數據網絡通信中應用非常廣泛，但其通信距離一般不超過100m，即使是超級WIFI，其通信距離也只是達到公里級而已，如果采用這種通信方式，或者要求實驗室管理人員或者消防機構在監控系統的通信范圍內，或者要求管理/消防人員實時處于網絡在線狀態，但這兩個條件通常難以滿足。至于藍牙和Zigbee通常只適用于近距離無線通信，在此不予考慮。采用公共移動通信，其通信距離廣、穩定性高，而且通信終端（手機）使用方便，所以系統的無線通信采用公共移動通信方式。實驗中選用了基于2.5G技術的GPRS模塊，雖然現在移動通信網絡已經發展到了4G標準，但是實驗室安全監測系統中不需要傳輸大流量數據，只需要發送語音數據消息就可以，并且此種網絡是按照流量計費的方式所以沒有必要選擇4G這種價格高，使用效果和GPRS模塊是相當的。常見的GPRS模塊有TC35i和SIM900a都能滿足實驗要求，而且資料豐富、使用方便。

SIM900A模塊具有獨立的5V電源接口，有USB-TTL和RS232數據傳輸口所以此模塊和電腦及單片機的聯機有兩種方式并且各有自己的特點，串口線連接數據傳輸速率較慢而TTL-USB連接是現在選的更多的一種方式帶有標準串口接口可方便用PC控制或者調試。所有可用的SIM900A引腳都外接出來，方便開發各種SIM900A的應用模塊和單片機采用RS232串口通信的方式，模塊具有靜電保護措施，防止在卡槽插卡的過程中靜電經典干擾，含有復位接口按下復位鍵模塊返回到初始化狀態。

SIM900A需要5V/2A的電源供電才能正常工作，并且電路設計中有靜電保護措施防止芯片被靜電擊穿。在系統整體調試之前首先要對SIM900A模塊進行參數設置、硬件調試等一列操作，才能達到我們需要的功能要求，后面內容對于模塊的調試、通信服務器的建立進行敘述。在對模塊調試之前首先要保證接線正確。此模塊有兩種接線方式一種是RS232串口的方式通信一種是使用USB-TTL接口線連接，串口接線交換TXD-RXD、RXD-TXD這樣串口鏈路正常建立。模塊實物如圖3所示。

SIM900A通信模塊是內置TCP/IP 通信協議引腳ring指示燈用來顯示模塊的聯網結果。通過觀察指示燈的亮和滅判斷模塊的聯網狀態如表1所示。

（三）傳感模塊

在電類實驗室，針對于火災問題，可以選擇溫濕度傳感器判斷火災狀態，如使用DHT11作為集成的數字復合式溫濕度檢測模塊，能夠同時檢測濕度和溫度并且誤差小于0.1，且電路設計簡單、程序設計方便，DHT11電路如圖4所示。為提高監測效果或者擴展監測內容，可選用氣體/煙霧傳感器，如MQ-2系列傳感器對特殊氣體例如甲烷、一氧化碳等都有檢測功能，并且還能監測是否有煙霧，靈敏度很高。MQ-2電路如圖5所示。

此模塊是具有4個引腳其中一個引腳空接。DHT11引腳DQ和處理器的數據口連接采用單總線的數據格式進行通信，通信時間為4ms左右，處理器發送開始信號之后，DHT11進行一次信號采集處理。當數據口收到處理器發的高電平時就會輸出采集的數據，在系統程序設計時對模塊的監測時間進行設置、模塊初始化后面內容會介紹到。

三、軟件設計

系統軟件設計采用的是模塊化的方式，首先寫出系統程序的整體設計流程，如圖6所示。根據流程圖再寫出程序，主函數體通過調用其他函數實現系統的整體功能。在系統執行程序之前首先要進行初始化程序，給各模塊上電。溫濕度傳感器先檢測數據然后傳到微處理器，微處理器通過引腳把數據發送到LCD屏顯示。此時MQ-2氣體傳感器上電等待狀態若測到的數據超過額定值時蜂鳴器會發出報警信息，在同時通信 SIM900A模塊發送短信給管理員手機，傳輸相應數據到電腦服務器。

四、結束語

在實驗教學改革中，結合專業教學及學生畢業要求，將實際工程項目應用于專業綜合性實驗，不僅能夠提高學生動手實踐能力，而且能夠給學生提供綜合運用所學知識的實踐機會，使其能夠獲得參與工程實踐的切身體驗，為其畢業后參與具體工程項目打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]殷代印，曹廣勝.基于現代工程教育體系的實踐教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2013，30（10）：11-14.

[2]李培根，許曉東，陳國松.我國本科工程教育實踐教學問題與原因探析[J].高等工程教育研究，2012（03）：1-6.