基于开放实验室的大学生科研训练项目实例

蒲贤洁, 欧增福, 韩 忠, 何光宏

(重庆大学 物理学院, 重庆 401331)

基于开放实验室的大学生科研训练项目实例

蒲贤洁, 欧增福, 韩 忠, 何光宏

(重庆大学 物理学院, 重庆 401331)

大学生科研训练计划与开放实验室是实现研究型学习的一种重要途径和有效形式。二者有机结合相辅相成,可以为学生自主化、研究型学习构建新的平台。以一项大学生科研训练项目的实施情况及成果为例,展现学生在开放实验室中完成科研训练计划所获得的专业素养和研学能力,为探索创新人才培养模式提供一定的参考。

科研训练项目； 开放实验室； 研究性学习； 专业素养

“开放实验室”与“大学生科研训练计划”(student research training program,SRTP)是近年来高等学校在探索“研究性学习”教学改革中的2个主要形式。SRTP是由1969年美国麻省理工学院倡导的“本科研究机会计划”(undergraduate research opportunities program,UROP)变革而来,自20世纪90年代起在中国部分大学开展,并获得较好成效[1]。相比于传统课堂教学提供的丰富理论知识,SRTP以科研为载体,拓展和整合课内外实践环节,使学生尽早进入本专业研究领域,通过科研训练实践,提供给学生掌握系统科研方法和构建正确科研态度的机会, 重在推动学生在研究中学,在做中学,在问题、同伴和教师引导下自主学习并成长为创新人才[1-2]。

开放实验室是一种新的实验室管理模式[3],对实验室在时间、空间、仪器设备及操作指导等方面实施开放,体现了以学生为中心、有效整合教育教学资源的教育理念,弥补了传统课堂教学的不足,利于发展探究式实验教学[4],为学生开展科研训练实践活动提供自主研学、自主发展、自主创新、自主探索的良好实践环境和仪器设备保障。

本文以重庆大学物理学院的一项SRTP项目为例,论述了基于开放实验室的大学生科研训练计划项目的实施情况及成果,旨在说明通过SRTP和开放实验室的有机结合,可以给学生提供充分的科研训练实践机会,有利于培养学生的专业素养和自主学习能力。

1 重庆大学大学生科研训练计划

重庆大学大学生科研训练计划是学校于2009年将原有重庆大学大学生创新基金和重点实验室开放基金整合后重新提出的,面向全校本科生开展的一项创新教育计划,其目的在于培养大学生严谨的科学态度、创新意识和团队合作精神,提高大学生的科研创新能力和综合实践能力。该计划资助对象为学习成绩优良、学有余力的在校本科学生。学生以项目组的形式向学院申报,项目组人数最多不超过3人。每个学生只能同时申报和参加一个项目。学校对参与项目的学生发放证书,参与项目并按时结题的项目组成员每人可获得1～2个奖励学分,同时在推荐免试攻读研究生时可根据项目成绩分等级享受加分。良好的激励机制促进了学生主动参与科研活动的积极性。该计划开展之初,第一届“重庆大学大学生科研训练计划”共立项376项,参与学生1 073人；完成情况:同意结题353项,项目延期5项,项目终止18项。至本文所列举项目已是第六届“重庆大学大学生科研训练计划”,共立项508项,参与学生1 462人；完成情况:同意结题456项,项目延期17项,项目终止28项,升级到国家级大学生创新训练项目7项。对于项目的顺利结题或者升级,一方面在于参与学生和指导教师的主观能动性,另一方面离不开学校和学院各类实验室的支持。

2 重庆大学物理实验中心开放实验室

目前国内高校实验室开放内容大体可分为2类,即课程实验和创新实验。我校大学物理实验国家级实验教学示范中心引进科大奥锐公司开发的开放式实验室管理系统,分别建立了以课程实验为主的专业实验室和以课外训练为主的创新实验室,全面覆盖了开放实验教学模式的3个层次。基础层:培养基本实践能力,加深、巩固专业理论知识；综合设计层:提高实践能力,使实验具有启发性、趣味性和适用性；开发研究应用层:对开发研究性实验的尝试,培养研究创新能力[5]。其中专业实验室主要承担物理学院学生的专业实验教学和部分综合设计实验；创新实验室主要为全国大学生物理学术竞赛、全国大学生物理实验竞赛、重庆市市级竞赛、重庆大学校级大学生科研训练计划以及部分本科学生毕业设计提供场地和仪器设备[6]。实验室的开放,一方面是实验室仪器设备和实验项目的开放；另一方面也是实验室时间和空间的开放。通过预约拟进入实验室的学生或教师在获得门禁授权后,即可以自行安排时间进到实验室开展教学或科研活动。这不仅充分发挥了实验室的资源优势,同时也为大学生科研训练计划等各级创新活动提供了保障。

3 SRTP项目实例

项目题为“心电信号前置放大器设计”,参与的3名学生分别来自物理学院的3个专业:应用物理专业三年级、物理学专业三年级、电子信息专业二年级。不同专业、不同年级之间的交流,非常有利于在项目开展的进程中从不同的角度看问题,最终使学生和指导教师都获得新的认识。对于心电图(electrocardiogram,ECG),学生由于参加过临床诊断因此并不陌生,但是可能从未想过心电信号是如何采集记录的。因此,项目组的学生从了解心电信号出发,查阅了大量关于心电信号产生的物理机制及采集方式的文献,并定期在开放实验室进行讲解、讨论、汇总,使大家获得统一的对心电信号特征及采集方式的正确认识,并逐步明确项目目标:设计制作一个结构简单、性能良好的前置放大器,满足心电采集的要求,为开发一个完整的便携动态心电图仪完成前期任务。

3.1 系统总体设计

前置放大器是心电图设备的核心部分。项目组成员通过查阅生物医学电子学相关资料了解到:心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号,是由复杂生命体发出的不稳定的自然信号,非常容易被空间中的各种干扰淹没,这些干扰大多以共模形式存在[7]。因此,研制具有高共模抑制比的前置放大器能最大限度地把各种干扰与目标信号分离开来。项目方案定为:基于传统的生理信号放大器框架,采用放大器AD620芯片,设计制作一个具有高共模抑制比的心电信号前置放大器。

系统原理框架如图1所示。放大器接收来自传感器的微弱信号,经滤波、放大之后,转换为可供后级A/D电路采样处理的信号。虚线框中的内容是项目的重点研究内容。输入级放大器由AD620芯片、反馈浮置跟踪电路组成,不仅具有较高的共模抑制比,而且由于引入了反馈,进一步提高了信噪比；高通滤波器主要用于滤除直流信号以及基线低频干扰；低通滤波器可以滤除不需要的高频信号；陷波器用于进一步滤除50 Hz工频干扰；最后经后继放大器将信号放大到适当的幅度,保证了高增益。

图1 系统原理框架图

为保证各模块有效工作,项目组成员学习了Multisim仿真软件。首先在仿真这一层面确定各模块电路正确可靠,再购买所需元器件,利用开放实验室的电烙铁、信号发生器、示波器等常用设备,在实验板上逐步进行分模块的焊接调试和系统连通调试,经过多次修改调整,最终确定各单元电路的形式和参数。

3.2 输入级放大器

输入级放大是对心电信号的第一级放大,考虑到电极极化电压的存在,信号接入输入级之前必然夹杂了一定的直流信号。为了避免将这些直流信号过分放大导致后面的模块出现饱和失真的可能性,输入级放大器的增益不应过大,设计为增益G=7。而后继模块增益设置为140,保证总增益在1 000左右。根据心电信号的具体特征,前置放大器需要具有很高的共模抑制比,应采用差动输入的方式接入信号。通过查阅芯片资料[8],了解到AD620放大器内部电路是由双端输入单端输出的差动放大电路组成的,本身具有高共模抑制比(100dB),因此可基于这款放大器设计出具有较高共模抑制比的输入级放大器。

在输入级放大器的反馈端与信号源地端建立共模负反馈,构建反馈浮置跟踪电路,可进一步抑制干扰、提高信噪比[8]。输入级放大器的原理如图2所示。

图2 输入级放大器原理图

增益计算如下

通过控制RG的阻值即可调节增益,如图中所示RG=8.25 kΩ,则G=7。

3.3 高、低通滤波器

结合模拟电路知识,采用无限增益多路反馈二阶高通、低通有源滤波电路实现滤波环节[9]。将高通滤波器的截止频率设置为0.05 Hz,低通滤波器的截止频率设置为100 Hz,保证通频带为0.05～100 Hz。通过查询芯片资料,采用可用于设计精密滤波器的OP07型低噪声高精度运算放大器实现高、低通滤波。电路原理见图3。

图3 高、低通滤波器图

通频带上下限的计算公式为

满足设计要求。

3.4 50Hz陷波器

为滤除工频干扰,借鉴模拟电路课本[10]中的RC有源双T网络实现50Hz陷波(见图4)。

图4 50Hz双T陷波器图

中心频率为

采用精密可变电阻实现50 Hz精准陷波,陷波深度由Multisim软件仿真得出,为23 dB,经过实验板调试,满足设计要求。

3.5 后继放大器

后继放大器由一个同相比例运算放大电路[10]组成,电路原理图如图5所示。

增益的计算公式为

通过调节精密可变电阻的阻值,可确保G=140,从而整个放大器的增益在1 000 dB左右。

图5 后继放大器图

3.6 电源设计

整个前置放大器需要稳压直流电源供电,并且电源的质量对整个电路影响较大。为此,项目组中一位学生专门负责稳压电源的设计。设计如图6所示,从电网接入的交流电被10∶1的变压器降压后,经桥式整流二极管、LM7812CT/LM7912CT三端稳压集成电路块,最后稳定为直流正/负12 V输出。

图6 正/负12伏直流稳压电源设计图

3.7 印制电路板

印制电路板(printed circuit board,PCB)设计制作的好坏关系到产品能否成功。项目组成员认真学习Altium Designer电路设计软件,根据PCB设计规范仔细调整设计图,联系正规厂家打印。然后购买合格元器件焊接PCB。最后制作的心电信号前置放大器PCB如图7所示。

3.8 性能测试

利用开放实验室中的信号源、示波器等仪器,对各项指标进行性能测试(见表1)。

表1 性能测试

3.9 ECG采集实验

在完成系统设计、仿真、制作和性能测试后,分别采集了2例正常受试者的I导联和II导联心电信号。实验时,在示波器上即观察到具有典型心电信号特征的波形,但波形成分比较复杂,含有较多干扰。利用示波器将ECG信号存储下来,并将存储数据拷贝到计算机上,利用Matlab软件进行功率谱分析,发现ECG信号中仍夹杂了较多的50 Hz信号。故设计一个50 Hz数字陷波器对50 Hz信号进行滤除。原始信号与滤波后的信号见图8。从滤波后的波形可以观察到ECG典型特征的P波、QRS波群、T波以及U波[10]。

图7 心电信号前置放大器PCB图

4 结语

本文所列举SRTP项目基于一款用于生物电信号采集的放大器AD620芯片设计制作了一个具有高共模抑制比的心电信号前置放大器。经过性能测试,该放大器满足心电采集要求,并通过正常受试者心电信号采集实验,获得了具有人体心电信号典型特征的波形。

图8 原始心电信号与Matlab滤波后的心电信号图

该项目完全由学生利用课余时间在开放实验室自主完成。通过项目的训练,学生从中实践了从问题出发、查找文献、分析问题、处理问题、最终解决问题的过程；同时学会了Multisim、Altium Designer、Matlab等工具软件，掌握了示波器、万用表、信号发生器、稳压电源等仪器的深入使用，尝试了芯片、电阻、电容等元器件的选购，锻炼了系统电路设计的本领和数据处理分析的能力，从而获得了完整的模拟电路设计制作技能,并培养了理工科学生的专业态度和处理多学科问题的能力,为今后的学习、科研、工作奠定了坚实的基础。综上所述,对于培养学生而言,开展SRTP的目的并不是期望他们创造出多少原创性成果,而在于给学生提供充分的训练机会,扩大学生的受益面和参与程度，这才是我们最应关注的问题,将SRTP与开放实验室结合无疑是一条有效途径[11]。

项目结题时恰逢重庆市教委举办第二届大学生物理创新竞赛,由于满足参赛要求,故鼓励学生参加此次比赛,最终进入决赛并取得了制作组奖励。此外,该SRTP项目的成果,也延续到了下一届SRTP项目中,目前已有新一组学生正在开放实验室开展后续的A/D转换、采用单片机控制信号采集存储,选取液晶屏进行实时显示等工作,使之最终构成一个完整的便携动态心电图仪,完成2届SRTP的共同心愿。

References)

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[11] 刘兴华,王方艳. 以创新人才培养为核心的实验室开放模式探索[J]. 实验技术与管理,2016, 33(1):9-12.

Example of student research training program based on open laboratory

Pu Xianjie, Ou Zengfu, Han Zhong, He Guanghong

(College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331, China)

The student research training program and open laboratory are the important way and the effective form to achieve the research-oriented learning. Through the organic combination and complement of each other, a new platform is established for the autonomous and research-oriented learning. Taking the implementation and achievement of a student research training program in our university as an example, it shows the professional qualities, and research and learning abilities that the students have acquired through completing the research training program in the open laboratory, which can provide certain reference for the exploration on the training mode of innovative talents.

research training program; open laboratory; research-oriented learning; professional quality

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.061

2016-09-18

重庆大学教改项目(1201033)；重庆大学教改项目(2014Y30)；重庆大学大学生科研训练计划项目(CQU-SRTP-2014482)

蒲贤洁(1986—)，女，四川泸州，硕士，工程师，主要从事大学物理实验教学.

E-mail：xjpu@cqu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)3-0237-05