《智能仪器设计》课堂及实践教学探讨

《智能仪器设计》课堂及实践教学探讨 《智能仪器设计》是为测控技术与仪器专业本科生开设的一门专业必修课，主要讲授智能仪器的开发、设计方面的专业知识，是仪器仪表应用、开发、生产单位及科研院所技术人员必备的专业知识。使学生了解、掌握智能仪表设计的原理和方法，培养学生理论联系实际、独立分析解决实际问题的能力。该课程是一门融合多项新技术且对实践性要求很高的核心课程。教学内容分为课堂教学、课内实验及课程设计三部分。课堂教学与实践环节紧密结合，并与之前进行的微机原理、单片机与嵌入式系统等教学内容相互衔接，对该课程教学内容进行深化、延伸、补充，使学生加深对所学理论知识的理解，达到对教学内容的熟练掌握。通过本课程的学习和实践，可有效地提高学生的动手能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。学生从课堂教学中学到的设计方法可以在实践环节中加以检验和提高。从理论教学、设计题目任务的分析、方案设计、硬件设计及实现、编程环境的掌握、软件设计直到调试运行，形成一个重实践类课程教学体系。通过该课程的教学和实践，既提高了学生的创新意识，又为毕业设计奠定了坚实的基础。为不断提高课程的教学质量，我们在教学研究与实践中，不断总结经验，在课堂教学、实验、课程设计及成绩考核等具体环节中采取了一些有效措施，取得了较好的效果。 一、课堂教学内容体系及教学方法改革 课堂教学内容与先修课程微机原理、单片机与嵌入式系统相衔接，主要讲授：数据采集技术、模拟量与控制信号输出技术、人机接口技术、通信接口技术、数字滤波方法、误差校正和量程自动切换等数据处理算法、智能仪器的软件结构及程序设计方法、仪器自检与抗干扰技术及其他常用的提高仪器仪表可靠性的硬软件设计方法等。 1.以应用为主线结合大作业组织教学内容。教学过程中，为强调仪器仪表的整体概念，以大作业形式给出若干仪表设计的实际案例，结合课堂教学的不同阶段，分模块设计完成。大作业包括：自动供水系统设计、多路温度采集系统设计、电参数测量仪表设计等。以电参数综合测量仪为例，首先明确测量仪的功能和技术指标，由此得到测量仪的整体构成框图，设计则结合授课章节分阶段完成，电参数综合测量仪可分为：信号调理部分、多路A/D采样、人机接口、通信接口、数字滤波、标度变换与数据计算处理、量程自动切换、抗干扰技术等。每个模块均有多种设计方案或算法可供选择，教学中对学生完成的几种典型方案或算法进行分析，比较其优缺点及设计方案的合理性，使学生能从工程化的角度理解和掌握课堂讲授的理论和设计方法。这样，既可使学生掌握每个环节的设计方法，也使其了解一个实际工程化的仪器仪表功能要求的多样性和实现的复杂性。 2.强化仪器仪表智能化及相关新技术的教学内容。课堂教学中，除介绍智能仪器可以自动选择量程、自动存储测量结果、显示/打印、自校准、自诊断等初级智能外，加强了具有更高层次智能水平仪器方面的知识，如：分析、判断、推理、学习等在智能仪器中的实现。同时，将模糊数学、神经网络、专家系统等方面的知识引入到智能仪器设计。结合火电厂的一些控制设备，介绍智能控制方面知识的应用，如：模糊控制、专家控制、自适应控制等。智能仪器的发展与现代科学技术密切相关，因此教学中也应关注与仪器仪表有关的新理论和新技术及其发展动向。包括现代传感技术、新型元器件及智能芯片、可编程器件、网络及通信技术等。如通信部分，除介绍常规的RS232/422/485、GP-IB通信接口外，还介绍USB通用串行总线、以太网接口技术、现场总线（CAN、HART、Profi_bus等）、蓝牙接口技术等内容，利用Internet、GSM/GPRS等公共网络实现仪器仪表数据的远程传输方法。微处理器芯片部分除介绍单片机外，也讲解DSP、ARM、SoC等作为嵌入式CPU用于智能仪器的设计方法。另外，结合火电厂热工参数的测量，介绍软测量技术等新的测量方法及其应用。 3.课内设计型、综合型实验教学内容。课内实验设置要注意两个方面的问题，一是学时少，二是要避免实验内容与先修课程重复。因此我们将课内实验与大作业相结合，如要求设计一个配用热电偶的温度测量智能仪表，对毫伏级电压信号进行定时采集，设计信号调理、多通道采集、人机接口等硬件电路，并综合运用数字滤波、非线性特性线性化、零点及量程自动校正、标度变换等技术，实时计算显示出温度测量值。将其中更有助于智能仪器概念理解部分中的硬、软件由学生设计实现方案，自主选择芯片，用Protel画出硬件部分原理图，软件部分用Visio画出程序流程图。将设计方案与智能仪器实验箱及实训模块所采用的方案相比较，分析自己设计方案存在的问题及优缺点，并进行改进。最后用汇编或C51编写程序，并利用实验学时在实验装置上进行调试。实验报告内容包括设计方案说明、硬件原理图、软件流程图及主要程序清单。 二、课程设计实践教学内容组织及改革 1.课程设计内容。本课程设计学生要利用单片机开发系统、实训扩展模块及所需的芯片和元器件完成一项设计任务，也可以利用虚拟仪器实验平台设计开发智能仪器或结合大学生科技创新项目、参加教师科研工作选择设计题目。为提高学生的学习兴趣，充分调动学生学习的主动性，并考虑到学生个体之间的差异，总结多年实践教学中的经验，我们在以下几个方面对设计内容进行了改革：设计题目的形式：《智能仪器设计》课程设计所涉及的内容包括测控技术与仪器专业主要的专业课和专业基础课，如：智能仪器设计、单片机与嵌入式系统、微机原理、测量仪表、数字信号处理、电路、电子技术基础等。为了提高学生的综合素质，培养学生运用所学知识分析问题和解决问题的能力，在题目形式的选择上，我们重点突出了设计内容的综合性、完成设计任务时方法的灵活性和创造性。给出的设计题目大部分包括：信号调理电路的设计、输入/输出通道的设计和软件设计，并且要在实验装置的基础上由学生自己动手实现信号调理电路，完成硬、软件功能的调试。鉴于虚拟仪器技术的发展，并相应开设了选修课，设计题目中增加了利用虚拟仪器实验平台设计开发智能仪器的内容，学生可以利用LabVIEW软件及相应信号调理、数据采集模块来完成，如：环境参数检测、振动信号分析、无损检测、距离与位移检测、环形输送线检测与控制、电参数综合检测及质量分析等设计任务。设计题目的难易程度：为了使不同的学生均得到一次完整的锻炼机会，在题目的难易程度的选择上，我们将题目分成了难、中、易三类。难题是指涉及内容多、综合性强的设计题目，如：设计中包括信号调理电路的设计、A/D通道设计、数字滤波、非线性特性线性化、标度变换、人机接口设计等。设计题目中多数是中等难度的题，如在上述内容中去掉数字滤波或非线性特性线性化等要求。设计题目中也有少量较容易做的题，这类题在内容上只是完成了智能仪表的某一部分功能，如：键盘/显示设计、时钟设计、数字I/O等。这样，学习成绩较落后的同学可以做相对容易、功能固定的设计题目，而成绩较好且动手能力强的同学可以做难度高、功能灵活且具有创造性的题目，尽可能发挥每个学生的主动性，使各种学生都能得到最大的锻炼，达到最好的教学效果。设计完成的最终结果：课程设计不仅要求学生按照选定的题目完成设计任务，而且要包括对开发系统、实验系统及编程语言的掌握。设计方案既要考虑功能的实现、实现方法、结构的优化、选用元器件的合理性、运行结果的正确性，也要考虑测量的准确度、可靠性、可移植性及参数调整的方便程度。如：题目中需要设计电流/电压转换电路，设计方案有直接采用标准电阻、采用运算放大器的简单电路及考虑调零调量程的实用电路等。设计方案直接反映了学生对所学知识的综合应用能力。最终完成的课程设计报告应包括总体方案、软硬件功能分配、硬件原理图、软件流程图、调试结果结论，并附程序源代码。报告的书写可以培养学生的表达和论述能力，为以后的工作和学习打下一定的基础。 2.辅导方式。指导教师给出若干设计题目后，由学生自主选择，受实验设备数量的限制，一般需2名同学共用一套设备。指导教师在布置设计任务时，主要介绍应完成的功能和要求，而实现方法可以有多种，由学生自己选择。对学生的指导也以提示性为主，鼓励学生自己查阅有关资料，结合已学知识分析给定的设计任务，并最终完成课程设计。仍以前面提到的电流/电压转换电路为例，一部分同学开始想到的是电子技术基础中学过的简单的放大电路，没有与测量仪表或智能仪表中学过的知识结合，针对这种情况，指导教师提示同学测量电路应具有调零及调量程的功能来引导同学查阅资料设计出合适的电路。 三、考核方法改革 作为一门测控技术与仪器专业必修课，采用传统的闭卷考试方法对学生进行考核存在一定的弊端，不适应于发展快、综合性应用性强的仪器仪表学科。为此，我们进行了一些有益的探索。首先，结合大作业突出对学生灵活运用所学知识、分析解决实际问题能力的考核，再进行结课开卷考试，二者结合评定课程成绩。答辩是为了检查学生是否完成了设计任务，以及对有关知识的掌握情况。答辩是结合设计过程中遇到的主要问题进行思考，首先由学生针对设计任务介绍自己的设计思路、遇到的问题及最终解决问题的方法，然后教师针对设计中的错误和不足等进行提问。课程设计的成绩采用四级评分（优秀、良好、及格和不及格）。成绩的评定主要考虑学生在设计过程中的独立工作能力、设计题目的难易程度、完成的质量、答辩情况、报告的书写及平时表现等几个方面，特别要注意学生独立进行工程技术工作的能力、动手能力和创新精神，使其能真正反映学生的真实水平。 通过对《智能仪器设计》课堂教学及实践教学的研究和探讨，确立了以应用需求组织教学内容的方案，更多地强调仪器智能化方面的知识及由此涉及到的仪器新观念、新器件、新技术的应用。在教学方法上，以贯穿整个教学过程的设计型、综合型大作业为主线，提高学生综合运用所学知识的能力，并对考核方式进行了改革和实践。在课程设计环节，以基于单片机的智能仪器设计题目为主，同时增加虚拟仪器设计方面的题目，增强学生的学习和设计兴趣，提高了学生动手实践的主动性，更客观地评价了学生自身的能力。为培养学生独立分析问题、解决问题的能力，提高创新能力等方面起到了很好的作用。