“以賽促教”在信息化教學中的實踐思考

花奇芹，徐玲，翟娟

揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225000

0 引言

節能減排、持續發展、綠色制造、建設生態文明，這既是對十九大精神的踐行，也是我們所有人必須承擔的社會責任。全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽以“節能減排、綠色能源”為主題，是由教育部門和眾多高校協作舉辦的一項競賽。重在鍛煉學生的動手能力、思維能力、人際交往能力、團結協作精神和提高學生的綜合素質，同時促進環境工程、能源動力、機械工程等相關專業的建設。

創新在國家發展、民族進步中扮演著重要的角色。在經濟發展起來后，智能化產品發展崛起并受到廣泛應用。其中，智能化家居在人們的生活起居中起到至關重要的作用，它利用先進的計算機技術、自動化系統等給人們提供節能、舒適、環保、便利的居住環境。本文根據揚州大學廣陵學院的創新型人才培養目標、結合節能減排大賽、以智能油煙機為例，培養大學生的奮進意識和創新能力，從而更好地實現自我發掘和完善，為學生們的終身教育奠定堅實的基礎。

1 選題的背景及意義

20世紀70年代末，我國的科技信息研究人員在外學習，在了解國外的許多信息后就有了在國內開發油煙機的想法。但是因為各方面條件都不滿足，中國并沒有公司去開發油煙機。1987年7月是我國油煙機發展的轉折點，桅燈制造廠將我國臺灣地區生產的油煙機進行拆解重組，中國大陸地區的第一臺油煙機至此產生，此后油煙機在國內迅猛發展。

國外研究專家研究發現：一種被叫做苯并芘的致癌物質存在于廚房油煙里，這種致癌物質會讓體細胞染色體變異進而引發局部組織癌變。國際品牌的抽油煙機包括意大利的白朗、艾麗卡、華倫帝、家寶、法貝、帝斯、阿里斯頓等，但是并不暢銷。然而國內暢銷品牌的設計是借鑒MODULO蒙特羅系列和阿里斯頓XH90抽油煙機的技術。雙渦輪、適宜的電機功率、無集和小集煙倉、大部分的層致密網板相互累加是歐式油煙機重視的部分。中式抽油煙機的優點是抽排煙效果很好，缺點是油煙分離不易，也會對周圍環境產生污染。歐式抽油煙機優點是噪聲低、可分離油煙、又節能環保，缺點是抽油煙效果較為遜色。因為技術方面不滿足市場要求，所以大部分形型較薄的抽油煙機已經不適用于市場，占領市場很久的是深抽型，因此歐式抽油煙機的發展空間相對較大。然而歐式和中式油煙機相比，因為產品門檻不夠高，所以沒有特別的技術含量。

油煙中含有有毒物質，比如說其中會含有一定的丙烯醛成分，它會刺激呼吸道黏膜，誘發鼻炎或角膜炎癥；還有一些致癌物質，比如說苯并芘會大大增加患肺癌和胃癌的可能性，導致人體臟器功能下降。油煙是由固液氣三種形態共同構成的，因此分離法是油煙凈化技術的常用方法，包含濕式、機械式、復合式和靜電式凈化法等方法。濕式凈化法主要包括水簾和無泵清洗的方法；機械式凈化法即采用慣性碰撞進行油煙凈化，當油煙氣通過設備的格柵和濾網時，大顆粒會被阻隔下來；靜電式凈化法采用高壓靜電吸附除塵的工作原理。現在市場上比較先進的油煙凈化方法是等離子凈化油煙。它采用脈沖高壓高頻等離子體電源和齒板放電裝置，讓其產生高強度、高濃度、高電能的活性自由基，在極短的時間內，對有害的其他分子進行氧化還原反應，打開有機氣體分子間的分子鍵，讓有害物質分解，將油煙機產生的大部分污染物降解成水、二氧化碳等其他易處理的物質，還會產生許多的負離子起到清新空氣的作用。

現在用于居民廚房[1]的抽油煙機工作原理是通過葉輪的轉動，轉動過程中產生慣性分離的同時產生氣力輸送，再經過過濾系統進行對油煙的凈化處理。但是抽油煙機也有隱藏的危害，如果排油煙系統長期不清洗可能會有火災隱患，油煙機的排油煙罩漏油滴在爐頭上很容易引起火災，風機葉輪、機壁機底積油太多則會影響風機正常運轉，負荷過重時會引起油煙機發熱，進而導致電線短路造成火災。而且抽風機葉輪由上百片葉槽組成，若積油太多堵塞葉槽，會降低油煙機的抽風效果、油污黏住電機轉軸，加大了摩擦力，電機負荷也會增大。由于葉輪、煙道上的油黏性增加，使得排氣不通，增加了油煙在廚房空間中的擴散。油煙若滴到皮膚上，會加速皮膚老化、黑色素增多等一系列問題，并且很大程度會加大患癌風險。

綜上所述，為了在廚房烹飪時的安全與健康問題能夠有所保障，就必須得把做飯時產生的油煙排出并進行凈化，這樣才能創造出一個干凈衛生的環境，對中國的可持續發展也起到了推動作用。再者，中國人口基數龐大，做飯時產生的油煙就更多了，所以，廚房抽油煙機凈化油煙的意義重大。使用抽油煙機是可以改變廚房環境空氣的有效手段，因為將烹飪過程中產生的有害氣體吸走了，從而減少了油煙對人體造成的傷害。

基于單片機[2]的家用智能油煙系統設計不僅實現了抽油煙，還實現了智能化抽油煙，并且對電機的轉速進行了跟蹤控制，從而最大程度降低能耗，以達到節能的目的。此外還配備了火災聲光報警的功能，當煙霧濃度或溫度過高時，油煙機會發出警報，達到安全預警的效果。

2 實施過程

2.1 引導學生提出思路，進行整體方案的設計

關于怎么引導，我認為需要讓同學們掌握設計構思的基本思路，讓學生明白，設計構思到底需要想什么，意為想要實現哪些功能，把大體框架構思出來，其次怎么想，意為從細節著手，大框架下的小模塊具體通過哪些東西來實現。

基于這方面的思考，同學們建議可以讓該系統主要分為檢測和控制部分，煙霧檢測[3-6]電路模塊、溫度檢測電路模塊三個部分為檢測部分，該系統的控制部分主要包括按鍵電路模塊、單片機IAP15F2K61S2、蜂鳴器聲音報警電路模塊、LCD顯示電路模塊構成，如圖1所示。

圖1 基于AT89S51微處理器的系統原理圖

單片機通過對檢測信號的采集，對于污染大且溫度較高的油煙使用熱敏性傳感器來檢測，對于危險系數大且溫度低的燃氣將使用氣敏性傳感器來檢測。當廚房里的有害氣體或者油煙達到傳感器可檢測到的值時，傳感器會將采集到的信號送入單片機，單片機經分析后會使控制電機啟動的電路和聲音報警電路同時啟動，有害氣體會被抽油煙機馬上抽走，從而確保廚房的環境安全。該設計設置有定時的功能，可以設置抽油煙機的工作時間長度，從而實現智能抽油煙的功能。

在機械部分，芯片采用宏晶科技有限公司出品的IAP15F2K61S2芯片作為核心的微型控制器，它具有清晰度、安全系數高、抗性高、功耗低等優點。此外選用DS18B20為數字傳感器，采集到的信息從單線接口輸入DS18B20或者從DS18B20輸出，因此從控制核心AT89S52單片機到溫度傳感器DS18B20僅僅只需要用一條線進行連接。由于讀寫控制段、可進行溫度轉換的電源數據線是自己提供的，所以也不需要額外的電源。

此外，我們還應用了MQ-2煙霧傳感器，它具有靈敏度高、壽命長的優點。煙霧傳感器的電阻值會隨著氣體的種類和濃度變化而發生變化，煙霧的濃度越大，導電率就會越大，輸出電阻阻值就越低，輸出的模擬信號就越大。檢測裝置主要是通過對產生油煙的壓力進行檢測判斷，達到風機工作的額定值時，風機便會開始工作，進而完成凈化。

2.2 培養學生創新思路，進行創新性研究

在指導過程中培養同學們的創新意識也很重要，創新不是空中樓閣，所有的創新都是基于一定的理論和技術支撐的，因此，在構思后，我們搜索了大量的文獻資料，我們發現在科學技術不斷發展的今天，人們對家居生活需要也逐漸增加，所以大家也越來越關注食物的安全和健康問題。人們對油煙機性能[7]的要求也不斷加強。目前的家電市場上有許多可以手動調節換擋位的抽油煙機[8]，這些油煙機可以將在廚房烹飪時產生的致癌氣體和油煙氣體抽走，具有高速擋位、低速擋位和燈光照明的功能。但還是會產生一些不好的影響，例如在使用過程中，油煙機會產生許多不必要的能源浪費且無法預防火災的發生，而這一問題就是新型油煙機所要解決的。所以，本設計要在傳統抽油煙機的功能基礎上，增加跟蹤煙霧濃度調節風扇轉速和火災聲光報警等功能。主要通過煙霧傳感器來及時檢測油煙機產生煙霧的濃度，通過ADC0832數模轉換器進行數據處理傳送給單片機，再與設定的閾值進行數據對比后進行處理，再利用脈寬調制，通過調節占空比來調節脈沖寬度，進而實現不同的電壓輸出，對電機轉速進行調節控制，進而可最大程度使得能耗降低，這樣就可以滿足節能環保的目的。此外還配備了火災聲光報警的功能，當煙霧濃度或溫度過高的時候，油煙機自動地發出報警，達到安全預警的效果。為了滿足使用者的需求，還配有風扇定時運行的功能。

全國許多城市都已普及家用電器，但是有很大一部分家電在節能方面還有待改進，因此該設備的市場應用前景是很可觀的。

2.3 鼓勵學生動手實踐，進行難題解決

團隊成員通過分工合作進行實踐。油煙凈化系統由四個部分組成：風量調節閥和風機、油煙凈化裝置、油煙檢測裝置、油煙收集裝置和發生器。油煙控制裝置可以通過從檢測系統和凈化系統中獲得信號，然后進行控制和操作風量調節閥和風機。我們根據系統所需要的采樣點來設置參考標準，由于凈化油煙是油煙凈化系統的主要目的，所以油煙凈化設備是油煙凈化系統最重要的部分。

我們發現當前的油煙凈化設備只是可以減少油煙中的致癌物質，離完全凈化油煙還相差甚遠。雖然當前的油煙凈化設備在工作后對環境造成的污染較小，可是目前由于技術不過關，所以需要對油煙凈化技術進行研究與改進，在探索改進過程中達到油煙的完全凈化是至關重要的。

因此，為了可以凈化油煙，減少廚房油煙對空氣產生的污染，與同學們商量后我們打算通過控制風機來調節油煙的排出流量。如圖2所示是油煙凈化系統的原理圖，我們根據原理圖進行實踐。

圖2 油煙凈化系統的原理圖

2.4 分析最終實踐結果

本系統使用C語言高級語言進行編程，AutoCAD繪圖軟件進行相關圖的平面繪制和proteus進行仿真實驗，主要的程序一共包含五個方面，通完電的系統先開始初始化，在完成溫度和氣體濃度的采集后再對溫度和氣體濃度進行處理[9]、處理完后開始數據顯示、最后實施鍵盤處理功能。濃度測試段主要通過傳感器來進行檢測，溫度和氣體濃度數據的采集任務是溫度和氣體濃度采集部分主要完成的；溫度和氣體濃度的處理部分主要是把我們收集到的濃度和溫度數據樣本與此次設計設定的上限溫度和上限氣體濃度值進行比較，比較處理完后再看看是不是超過了設定上限值，如果超過上限那么蜂鳴器就會發出聲音報警；數據顯示部分的作用顧名思義是實現溫度數據的顯示，顯示部分分為有固定顯示和根據設計要求所設置的一到四個溫度參考點的輪流循環顯示；鍵盤處理部分可用于用戶對系統參數設置的實現，將這兩個部分結合起來，就可以將人與系統間建立聯系，從而提高人們對信息系統的應用水平。

系統主控機的設計包括油煙和煤氣濃度檢測程序、油煙溫度檢測程序、中斷鍵盤掃描程序、蜂鳴器中斷報警[10-11]服務程序和LED顯示程序，選擇設備號的同時發送命令，處理并顯示采集到的數據是其重點任務。當運行狀態的標志位是低電平時，系統是否工作會由開關控制；當運行狀態的標志位是高電平時，系統檢測則會自動運行。

首先，我們先對單片機系統進行初始化設置，然后發現開機界面顯示了出來。當運行狀態的標志位為高電平時，系統開始運行；當P3.0引腳等于0時，電機就會開始工作，在工作過程中，如果將工作時間設置成120秒，那么程序就會結束并且返回到初始狀態。當運行狀態的標志位為低電平時，油煙工作系統就會受到開關的控制，是開/關S1控制的。例如，當開關S1被按下，此時電機就處于啟動狀態，進而開始工作。與我們設想的結果一樣，實踐成功。

3 進行師生交流，總結經驗分享成果

在實踐完成后再與同學們分享心得，例如對煙壓力的檢測通常是通過壓力傳感器[12]來實現的，壓力傳感器可以將感知到的壓力信號轉化為電信號，可是電信號是很微弱的，那么我們要怎么消除這個難題呢？大學生在《模擬電子技術》中學過放大電路，將所學的理論知識和實踐中的困難聯系起來，就可以接入一個放大電路，再轉化成模擬電壓輸出，并且同時將信號傳導到電氣控制裝置。從這次實踐中我們學到，當我們遇到挫折時，要從多個方面去思考問題，把問題看得全面、周全了，再靜下心來開拓我們思維的維度，看看是否能從其他方面著手，思維不要受到限制，再去解決問題。

通過此次項目的研究，大家互相交流合作。同學們了解到想要設計一個完整的項目首先需要構思一個大體的內容框架，這樣就有了目標，以便有針對性地完成各個部分的詳細計劃。在進行實踐的過程中，更重要的是耐心和細心，遇到挫折也不要萎靡，要善于利用所學的知識去克服它，最后圓滿完成實踐。

4 結語

擁有自我創新的意識和能力是人綜合能力的外在表現，高度整合的知識、不斷求索的決心和個性化的思想是其基礎。在參加節能減排競賽的過程中，教師通過指導學生完成智能油煙系統，增強了同學們的節能減排意識，同時開發了同學們的創新意識和實踐能力。

在知識經濟時代，知識的增速在加快，知識的淘汰周期在不斷縮短，知識的轉換速度在飆升。在這種情況下，對所學習的知識進行選取、歸并、轉化和應用是非常重要的。因此，如何引導學生利用已有的知識創造新的果實是教師們不斷追尋的目標。