关于《智能仪器设计》课堂及实践教学探讨

时间:2017-06-05 论文范文 我要投稿


  论文摘要:《智能仪器设计》是一门融合多项新技术、对实践性要求高的课程,在对《智能仪器设计》课程和实践教学改革中,在课程教学内容组织上,以应用需求组织教学内容,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,以提高学生的创造能力、动手能力和实践技能,取得了良好的教学效果。

  论文关键词:智能仪器;教学实践;教学改革
  
  《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。

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