關(guān)于高等教育理論課堂教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)與應用

隨著(zhù)我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，教學(xué)形式有所發(fā)展，教學(xué)條件有所改善，多媒體教學(xué)在大學(xué)理論課講授過(guò)程中占有很大的比例，部分取代了純板書(shū)式的傳統教授形式。但是，無(wú)論是哪種形式的教學(xué)，實(shí)物展示在學(xué)習過(guò)程中能夠讓學(xué)生們對所學(xué)的概念、原理及應用有著(zhù)極為深刻的印象。為此，課堂教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)與應用顯得尤為重要。例如，安全檢測技術(shù)課程主要介紹安全檢測系統的構成，各類(lèi)傳感器的原理、性能及使用。這些方面的學(xué)習，教師借助多媒體展示原理圖和實(shí)物圖均很難使學(xué)生形成翔實(shí)而立體的教學(xué)效果。為此，本文基于對安全檢測技術(shù)的理論教學(xué)過(guò)程中，開(kāi)展相關(guān)理論課題教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)與應用研究。
一、課題教學(xué)設備開(kāi)發(fā)的意義
以安全檢測中溫度檢測為例，這一章節主要介紹工業(yè)中常使用的溫度傳感器及其相應的測量原理。通過(guò)對溫度檢測系統組件教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)，首先，可以讓學(xué)生們認識到溫度檢測系統是哪幾部分組成，并可現場(chǎng)對此系統拆解，分別講解每一部分的形態(tài)及功能；其次，通過(guò)該設備可以實(shí)現教學(xué)現場(chǎng)的溫度采集；再次，通過(guò)設備的時(shí)間條件控制實(shí)現不同的采集頻率；后，將現場(chǎng)采集到的數據進(jìn)行現場(chǎng)編輯和處理，終實(shí)現基于課堂現場(chǎng)的溫度檢測與分析。此設備可涉及安全檢測技術(shù)的傳感器基本構成、工作原理、溫度檢測原理、數據采集與處理等諸多重要知識點(diǎn)。為此，課堂教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)可使教學(xué)環(huán)節更加豐富有趣，彌補傳統教學(xué)中的一些從理論到應用的課堂轉化，為理論教學(xué)過(guò)程增加更多可操作環(huán)節，使學(xué)生們在課堂上能夠更好地學(xué)以致用。
二、溫度檢測教學(xué)設備的設計
溫度傳感器在醫療、農業(yè)、工業(yè)、生活等領(lǐng)域有著(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。作為教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)，溫度傳感器還不是很多，由于傳統工業(yè)使用的溫度傳感器價(jià)格較高、體積較大、不便于攜帶、需要提供電源、需要配合專(zhuān)業(yè)的數據采集系統等特點(diǎn)，此類(lèi)傳感器大多停留在大學(xué)的實(shí)驗室內，而無(wú)法走到理論教學(xué)現場(chǎng)。隨著(zhù)微電子技術(shù)的高速發(fā)展，設計人員可將各種數字電路芯片、微處理器芯片、存儲器電路芯片等集成為數字溫度傳感器，使其性?xún)r(jià)比大幅提升。集成化兼智能化的傳感系統的關(guān)鍵技術(shù)有兩個(gè)方面：一個(gè)是集成電路規?；夹g(shù)，一個(gè)是微機加工技術(shù)。在此系統中的敏感元件是以硅為基本材料制作的，同樣用于信號調理的電路部分和微處理部分也是基于這種材料，后利用微機加工技術(shù)把系統的各個(gè)部分集成在一塊微小的芯片上，這就構成了人們常說(shuō)的集成智能傳感器（IntegratedSmartSensor）本設計采用的是ADT7410是一款13位集成式數字溫度傳感器芯片，其外圍電路采用PCB（PrintcircuitBoard）進(jìn)行設計，基于此設計進(jìn)行印刷電路板的制作、使用C++語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)溫度檢測教學(xué)設備的用戶(hù)界面程序，實(shí)現對教學(xué)現場(chǎng)采集的溫度數據的保存和輸出。
三、溫度檢測教學(xué)設備結構與組成
溫度檢測教學(xué)設備由硬件模塊和軟件模塊兩部分構成。硬件模塊主要由ADT7410數字溫度傳感芯片、USB轉IIC接口，數據傳輸總線(xiàn)、外圍電路構成（如圖1所示）。其中外圍電路由三種器件分別由電阻、電容和排針構成（如圖2所示），其中4.7k的電阻有4個(gè)，0.1μF的電容1個(gè)，四線(xiàn)排針1個(gè)。軟件模塊是由初始化模塊、傳感器連接檢測模塊、溫度顯示模塊構成。

 

圖1　安全檢測教學(xué)設備Ⅰ—溫度檢測儀

注：① ADT7410 數字溫度傳感芯片；② USB 轉IIC 接口；③數據傳輸總線(xiàn)；④外圍電路

圖2　溫度檢測儀電路板

注：① 4.7k 電阻；②四線(xiàn)排針；③芯片；④ 0.1μF 電容

1.硬件模塊功能介紹
數字溫度傳感芯片（ADT7410）功能介紹。ADT7410是一款13位數字溫度傳感器，額定工作溫度范圍為-55℃～+150℃，*可以滿(mǎn)足室內溫度數據采集的需求。ADT7410芯片內部總共擁有14個(gè)具有不同參數的8位寬寄存器，用于存放測量的溫度值由溫度值高和低有效字節、THIGH設定點(diǎn)的高和低有效字節、TLOW設定點(diǎn)高和低有效字節、TCRIT設定點(diǎn)高和低有效字節、THYSTS設定點(diǎn)組成的9個(gè)寄存器，狀態(tài)值存儲在1個(gè)8位寬的寄存器；配置值存儲在1個(gè)8位寬寄存器；地址指針存儲在1個(gè)8位寬寄存器；軟件復位值存儲在1個(gè)8位寬寄存器。
這個(gè)芯片總共使用了8個(gè)引腳，分別是1個(gè)IIC串行時(shí)鐘輸入引腳，1個(gè)IIC串行數據輸入和輸出功能引腳，2個(gè)IIC串行總線(xiàn)地址選擇功能引腳，1個(gè)過(guò)溫功能或欠溫功能指示器引腳，1個(gè)臨界過(guò)溫指示器邏輯輸出引腳，1個(gè)模擬接地或數字接地功能引腳，1個(gè)2.7V-5.5V的電源電壓功能引腳。
2.USB轉IIC接口功能介紹
IIC總線(xiàn)是PHILIPS公司推出的一款的串行總線(xiàn)，具備多主機系統所具有的總線(xiàn)裁決功能，同時(shí)還具備高低速器件的同步功能。這種總線(xiàn)標準在微電子技術(shù)領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)監測監控及通訊控制諸多領(lǐng)域已經(jīng)都具有非常廣泛的應用。
IIC總線(xiàn)僅有1根雙向制的數據信號線(xiàn)和1根雙向時(shí)鐘信號線(xiàn)。此總線(xiàn)技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先簡(jiǎn)化了很多日常的工作系統中關(guān)于硬件設計部分的工作，其次使工作系統的外觀(guān)體積大大減小，還對系統整體的可靠性有了很大的提高。
USB轉IIC接口是一個(gè)的接口型芯片，主要實(shí)現USB總線(xiàn)與IIC總線(xiàn)轉換的功能。產(chǎn)品用戶(hù)可以通過(guò)此芯片實(shí)現PC機和IIC接口溫度傳感器之間的數據傳輸通信。此芯片可以使用VB語(yǔ)言、VC語(yǔ)言、Delphi語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和調用。芯片使用全速USBV2.0設備接口，芯片的外圍電路的基本器件只包含1個(gè)12M晶體和2個(gè)貼片電容，可實(shí)現20KHZ、100KHz、400KHz、750KHz四種不同速度的時(shí)鐘傳播。
3.數據傳輸線(xiàn)的功能介紹（杜邦線(xiàn)）
本設計采用的數據傳輸線(xiàn)又稱(chēng)杜邦線(xiàn)，是由杜邦公司生產(chǎn)的一種專(zhuān)業(yè)數據傳輸線(xiàn)。這種線(xiàn)所使用的外表面包裹材料以PET為主，也有部分使用其他緣性材料，其內包線(xiàn)采用的是表面經(jīng)過(guò)鍍錫處理的扁平銅線(xiàn)。此線(xiàn)纜質(zhì)地具有柔性特點(diǎn)，可對其進(jìn)行任意彎曲、體積小，可屏蔽電磁波干擾等優(yōu)點(diǎn)。它被廣泛應用于工業(yè)中的器件與主板之間的連接、電路板與電路板之間的連接及系統器件之間的連接方面。此類(lèi)傳輸線(xiàn)非常廣泛地應用于單片機、組件、電器及通信設備中。
四、用戶(hù)界面程序的設計
本文采用的是C++程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的溫度檢測用戶(hù)界面程序，主要實(shí)現溫度的數據采集、記錄和顯示功能，其工作界面如圖3所示。

圖3　溫度檢測程序用戶(hù)界面
1.初始化模塊的設計：主要功能為連接器件的初始化、工作參數的初始化和保存文件的初始化；
2.傳感器連接檢測模塊設計：主要功能是檢測傳感器硬件連接是否成功，此處通過(guò)藍色指示燈進(jìn)行提示，程序模塊上會(huì )顯示“設備連接正常”。
3.溫度顯示模塊設計：包括器件參數的圖示功，器件參數的計算功能，期間參數的保存功能，器件系數的顯示功能。
五、溫度檢測模型在理論教學(xué)中的應用
理論教學(xué)的應用對象為安全檢測技術(shù)課程的理論教學(xué)地點(diǎn)，為某多媒體教室，教室內由將桌、暖氣、多媒體工作臺、學(xué)生課桌、投影儀等組成。在教室內共選擇６個(gè)測點(diǎn)，1號測點(diǎn)位于投影儀工作臺，其余5個(gè)測點(diǎn)分別均勻分布在教室各個(gè)課桌上。此測試方案主要用于測量教室整體平均溫度和不同測點(diǎn)的溫度差。
通過(guò)對此多媒體教室在某天的三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行的溫度檢測，其具體數據如下表所示，各個(gè)測定的溫度變化趨勢如圖4所示。

多媒體教室5 測點(diǎn)不同時(shí)間的溫度檢測數據

圖4　多媒體教室5 個(gè)測點(diǎn)不同時(shí)間的溫度趨勢
六、結束語(yǔ)
本研究通過(guò)對安全檢測技術(shù)理論課堂教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)與應用，豐富這門(mén)課程的理論教學(xué)內容，以此教師在教學(xué)課堂上很好地實(shí)現對理論的應用轉化，課堂教學(xué)氛圍更加充滿(mǎn)趣味性，提高學(xué)生對理論學(xué)習部分的理解能力。隨著(zhù)學(xué)校后續對課堂教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)，能使其在教學(xué)過(guò)程中更加系統化，從而為高等教育理論課堂教學(xué)增添新的活力和趣味，更好地培養大學(xué)生的創(chuàng )新能力。