研究型物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)踐

尹亮 邵曉紅 郎海濤 祁欣 侯志靈

[摘 要] 基于北京化工大學(xué)“物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心”對(duì)學(xué)生物理知識(shí)結(jié)構(gòu)、基本素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，將科研成果轉(zhuǎn)化為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，開(kāi)展生活飲用水濁度檢測(cè)儀、ZigBee物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)采集控制儀的研發(fā)，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)課程的改革創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用性研究和科技開(kāi)發(fā)的工程基礎(chǔ)能力。

[關(guān)鍵詞] 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新能力培養(yǎng);濁度儀;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)采集儀

[基金項(xiàng)目] 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助“基于農(nóng)田土壤檢測(cè)機(jī)器人、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)科學(xué)普及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)”（JD1919）

[通訊作者] 尹 亮（1982—），男，北京人，博士，講師，研究方向?yàn)閮x器儀表研發(fā)。

[中圖分類號(hào)] G642.423? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）35-0372-02? ? [收稿日期] 2019-10-15

一、引言

“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程是高等學(xué)校理工科大學(xué)生的一門重要的必修基礎(chǔ)課程，是理工科學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后較早接觸的實(shí)踐課程，是學(xué)生接受系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端，也是學(xué)生今后從事各項(xiàng)科學(xué)研究和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。該課程對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)的形成起著至關(guān)重要的作用，對(duì)于培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家需求的高科技創(chuàng)新型人才具有重要意義。北京化工大學(xué)“物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心”成立于2000年12月，是學(xué)校首批八個(gè)校級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心之一。2004年10月北京化工大學(xué)國(guó)家工科物理教學(xué)基地順利通過(guò)評(píng)審，正式成為國(guó)家九個(gè)工科基礎(chǔ)課程物理教學(xué)基地之一。2006年10月北京化工大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心成為北京市高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。2010年北京化工大學(xué)大學(xué)物理課群教學(xué)團(tuán)隊(duì)被評(píng)為“北京市優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)”。這些都為物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了新的生機(jī)，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、寬廣的平臺(tái)，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了廣闊的發(fā)展空間。

從面向21世紀(jì)對(duì)創(chuàng)新型人才的物理知識(shí)結(jié)構(gòu)、基本素質(zhì)和創(chuàng)新能力的要求出發(fā)，針對(duì)不同的人才培養(yǎng)要求，課程構(gòu)建起一個(gè)以能力培養(yǎng)為核心，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，以必修實(shí)驗(yàn)課為基點(diǎn)，以公共選修課全方位延伸，按照實(shí)驗(yàn)的難易程度和對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)目標(biāo)的要求，把大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課分成從基礎(chǔ)到前沿，從接受知識(shí)到培養(yǎng)綜合能力，逐級(jí)提高的三級(jí)物理實(shí)驗(yàn)課程體系，形成了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)（研究）性實(shí)驗(yàn)以及體現(xiàn)物理學(xué)在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)層次。在教學(xué)思想上注意從“知識(shí)傳授型”轉(zhuǎn)向“能力培養(yǎng)型”，在教學(xué)過(guò)程中既注意加強(qiáng)學(xué)生基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)訓(xùn)練，也注意引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索性和研究性學(xué)習(xí);在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇和設(shè)置上，既注重物理思想和物理方法的典型性，又注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、測(cè)試手段的先進(jìn)化，重視科研與教學(xué)互動(dòng)，把科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，積極開(kāi)發(fā)開(kāi)設(shè)物理思想鮮明、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近現(xiàn)代生活、實(shí)驗(yàn)手段比較先進(jìn)、能夠反映現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步的綜合性的實(shí)驗(yàn)。

二、解決的問(wèn)題

北京化工大學(xué)是一所具有化工類行業(yè)性特色的大學(xué)，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，如何開(kāi)發(fā)與化工類學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將物理實(shí)驗(yàn)與化工類實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，利用物理基礎(chǔ)知識(shí)解決化工類學(xué)習(xí)科研中的實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生學(xué)科交叉、綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)既有物理理論知識(shí)又有化工研究開(kāi)發(fā)和工程能力的人才。

利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行組網(wǎng)，開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)儀器物聯(lián)網(wǎng)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器之間相互獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)，開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)儀器物聯(lián)網(wǎng)，將各相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，初步實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器自控制，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)向數(shù)字化，智能化發(fā)展。

通過(guò)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和鍛煉，學(xué)生較好的掌握了物理實(shí)驗(yàn)觀察能力、動(dòng)手能力和分析能力，在此基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的數(shù)字化信號(hào)采集、分析和處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理量的智能化測(cè)量，可將相關(guān)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸出到excel或Matlab等軟件中處理，同時(shí)可直觀繪制物理量間的相互關(guān)系，使學(xué)生掌握現(xiàn)代化測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)素質(zhì)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，同時(shí)也能提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。

三、研究?jī)?nèi)容

（一）生活飲用水濁度檢測(cè)儀。

采用透射光補(bǔ)償法研究濁度檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)光系統(tǒng)、散射光接收系統(tǒng)、透射光接收系統(tǒng)、電流轉(zhuǎn)電壓以及信號(hào)放大系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)、CPU處理系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)，數(shù)字通信接口系統(tǒng)以及蓄電池供電電源系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)采用在低濁度時(shí)測(cè)量散射光，高濁度時(shí)通過(guò)量程切換，測(cè)量散射—透射光之比進(jìn)行濁度測(cè)量，有效避免高濁度時(shí)采用散射光測(cè)量偏差大的問(wèn)題，同時(shí)消除了元件老化、光源變化對(duì)濁度測(cè)量的影響。該系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量濁度與溫度之間的關(guān)系，通過(guò)設(shè)置溫度補(bǔ)償功能得到準(zhǔn)確的濁度測(cè)量值。系統(tǒng)采用蓄電池供電，可以攜帶到待測(cè)水源，當(dāng)場(chǎng)檢測(cè)，當(dāng)場(chǎng)得出水質(zhì)濁度數(shù)據(jù)，可以用于生活用水、河流、湖泊水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

（二）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

協(xié)調(diào)器是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的核心，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)運(yùn)行的設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PANID）建立網(wǎng)絡(luò)，對(duì)加入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和訪問(wèn)，對(duì)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)。在同一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只允許一個(gè)協(xié)調(diào)器工作。采用ZigBee路由節(jié)點(diǎn)提供路由信息，采用ZigBee終端節(jié)點(diǎn)完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的終端任務(wù)。由Zigbee協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，Zigbee協(xié)調(diào)器在允許的通道內(nèi)搜索其它的Zigbee協(xié)調(diào)器，基于每個(gè)允許通道中所檢測(cè)到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號(hào)，選擇唯一的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)。一旦建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，Zigbee路由器與終端設(shè)備就可以加入到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)形成后，可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN ID沖突的現(xiàn)象，協(xié)調(diào)器通過(guò)初始化PAN ID程序，改變一個(gè)協(xié)調(diào)器的PAN ID與信道，同時(shí)修改相應(yīng)的子設(shè)備解決沖突。

（三）智能數(shù)據(jù)采集控制儀。

硬件結(jié)構(gòu)及功能研究：智能數(shù)據(jù)采集控制儀硬件功能包括兩通道-5—+5V電壓量采集;10倍，100倍，1000倍小信號(hào)放大;1路開(kāi)關(guān)控制;1路輸入接通指示;5V，1800mA直流電源。界面及接口研究：智能數(shù)據(jù)采集控制儀使用C語(yǔ)言編程生成界面。數(shù)據(jù)采集控制儀可直接與LabView軟件連接，無(wú)需驅(qū)動(dòng)，結(jié)合LabView軟件，可以設(shè)計(jì)很多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可直接用于科學(xué)研究的數(shù)據(jù)采集。軟件程序研究：實(shí)現(xiàn)x-y函數(shù)關(guān)系記錄，做出相應(yīng)記錄曲線;多通道分離顯示，同時(shí)采集兩通道輸入信號(hào)，以兩窗口顯示，適合多個(gè)獨(dú)立信號(hào)同時(shí)測(cè)量;多通道復(fù)合顯示，同時(shí)采集兩通道輸入信號(hào)，以一個(gè)窗口顯示，適合多個(gè)信號(hào)測(cè)量比較;Output控制，通過(guò)控制繼電器開(kāi)合完成OutPut口接通、斷開(kāi)功能;Input指示，顯示采集儀Input端口接通、斷開(kāi)的狀態(tài);數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將采集數(shù)據(jù)以Excel文檔或文本文檔格式保存。

四、特色與創(chuàng)新

突出行業(yè)性大學(xué)特色，將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與材料、化工、生物等專業(yè)背景有機(jī)融合，研究開(kāi)發(fā)了特色鮮明的大化工類教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，促進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和實(shí)用性。

構(gòu)建了以物理方法研究解決化學(xué)工程問(wèn)題的教學(xué)范例，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)綜合檢測(cè)的數(shù)字化測(cè)量。

科研與教學(xué)相結(jié)合，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)課程的改革創(chuàng)新，將科研成果轉(zhuǎn)化為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，將學(xué)科前沿及工程應(yīng)用實(shí)例引入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用性研究和科技開(kāi)發(fā)的工程基礎(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)了科研內(nèi)容進(jìn)課堂，科研方法進(jìn)課堂，科研思維進(jìn)課堂。培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用性研究和科技開(kāi)發(fā)的工程基礎(chǔ)能力。

參考文獻(xiàn)

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