综合性实验教学改革探索

陈世海 王军 代伟 吕刚

摘 要：实验教学对高等工程教育人才培养具有至关重要的作用，实验内容的安排与设计应从应用的角度出发，尽量结合工程实际。然而现有实验往往从属于理论课教学，实验内容多是针对某些理论知识而设计。针对这一问题，将“实验室安全监测系统设计”实际工程项目引入电子信息专业综合性实验，强化对于学生工程实践能力的培养。

关键词：综合实验；教学改革；工程项目

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）19-0150-03

Abstract： Experiment teaching is very important for personnel training in higher engineering education. The experiment content should be set from the aspect of practical application and should have some relation with engineering practice. But most experiments available are set for theory teaching， and their contents are only for some theory knowledge. Aiming at these issues， a practical project， the design of laboratory safety monitoring system， is reformed for the comprehensive experiment of electronic information students to enforce their ability of real engineering practice.

Keywords： comprehensive experiment； reaching reform； engineering project

实验教学是高等工程教育的重要组成部分，也是影响工程人才培养质量的关键环节。受专业课教学体制和教学计划安排等因素影响，多数实验教学依从于具体的理论课教学，其教学目标通常也是为了巩固理论课的教学成果；尽管这些实验在提高学生理论联系实践、仪器操作、动手实践以及创新等能力上起到了积极有效的作用，然而在学生毕业后从事的实际工作中，其所要解决的工程问题，往往不是一门专业课知识就能涵盖和解决的，而是需要综合多门专业知识甚至需要多学科知识；如果在人才培养过程中，不能给学生提供解决实际工程问题的切身经验和体会，很可能导致其在将来工作时感觉束手无策[1，2]。因此，在实验教学改革中，应该多从专业上的工程实践出发，以实践工程项目需求为导向，适当实时增加综合性实验。

开设综合性实验的目的在于培养学生工程实践能力，最直接的办法就是将实际工程项目引入到实验教学中，这也是最为有效的办法。针对电子信息专业的人才培养要求，将“实验室安全监测系统设计”引入实验教学，探索综合性实验改革。

一、项目需求

随着高等工程教育教学内容的拓展以及招生人数的增加，高校实验室规模稳步增长，同时，为了提高实验室的利用效率，部分实验室实行了面向不同学生开放的制度，鼓励本科生在课外时间走进实验从事相关专业实践活动。无疑，实验规模的增长以及实验室开放制度，都为本科生提供了更多、更便利的实践条件，但与此同时，也为实验室安全带来了巨大的管理压力和安全压力。一方面需要不断加强制度建设和学生管理，从制度上、从学生的主观上保障实验室安全，但这是一个长期的过程，是一个正在逐步完善的过程；所以，另一方面还要加强实验室的安全监测。前者防患于未然，后者是亡羊补牢，尽量降低损失。然而，目前实验室的监测多以视频监控为主，并不具备实时报警功能。为此，针对电类专业实验的特点，研发一套具有实时报警功能的实验室安全监测系统具有重要的现实意义。系统设计需要考虑以下三个方面的内容。

（一）及时发现隐患

火灾是电学实验室最常見的安全事故，因此，实验室安全监测系统要充分考虑到对实验室火灾的监测和预警，尽量降低实验室损失。

（二）实时报警

如果能够在灾害发生阶段或者灾害初期能够及时处理，通常可以极大地降低甚至避免产生损失。所以，在监测到灾害发生时，系统应能够立即发出报警信息，使相关人员能够及时获取灾害信息，以利迅速采取有效措施控制灾害。

（三）可扩招性

不同实验室可能具有不同的安全隐患，所以实验室安全监测系统应能够适应不同实验室的监测需求，可以对不同信息，如有毒有害气体泄漏等进行监测。

二、系统架构

系统主要由微处理器、传感模块、通信模块、人机接口以及电源模块等5部分组成，系统整体架构如图1所示。其中传感模块用于采集实验室安全监测数据，如温度、烟雾、有毒有害气体等，不同实验室可以配置不同类型的传感器；微处理器是整个系统的控制核心，能够根据传感模块采集的具体数据判断实验室的安全或灾害状况，同时能够实时的将实验室安全/灾害信息传递给管理人员或者联动消防机构；通信模块负责监控信息的传输，要具有良好的适应性和稳定性；人机接口用于对系统进行现场操作和配置，要简单易用；电源模块为系统各部分提供电力支撑，要满足功率及稳定性要求。

（一）微处理器

微处理器是系统的控制中枢，由于系统运算量不大，所以微处理器的选择面较广，在实验过程中，可以根据所学微机原理的教学内容进行选择，若MCS-51系列处理器，也可以根据学生的兴趣爱好进行选择，如果ARM系列。ARM处理器做主控单元，这类芯片存储空间大、片内有可擦写的寄存单元、能够快速的响应外部的各种数字信号、片内具有以太网控制器，但是在数据的处理方面过于冗杂而且芯片价格较贵，在实验室安全监测系统设计中芯片的很多功能也用不到，所以在实际监测系统设计中其性价比较低，但对于综合性实验，选择这类芯片有助于学生拓展知识面，为后续工作打下基础。采用所学的MCS-51系列微处理器，如STC89C52微处理器作为控制核心，其电路设计简单、存储空间够用、数据处理能力强。在系统整体和各个模块的程序相互调用方面，处理速度快、性能稳定。STC89C52微处理器最小系统电路如图2所示。对系统设计而言，其最突出的优势是性价比高，对学生而言，其最突出的优势是资料丰富、上手容易。这两种方案各有优势，实验中同学可以根据自己的情况合理选择。

实验中需要确保STC89C52微处理器复位电路正常工作。其复位电路是在RESET引脚（第9脚）上连接一个10μF电容到电源正极VCC端，再连接一个10kΩ的电阻到电源负极GND端，这样设计一个RC工作电路保证STC89C52微处理器在上电之后RESET脚上有足够时间高电平。这个电阻和电容是根据硬件设计手册选择的。电路设计原理就是在复位引脚的电容上并联一个开关，当开关闭合时电容放电RESET引脚信号被拉到高电平，由于是电容充满电的状态会保持一段时间高电平来使STC89C52微处理器复位。

（二）无线通信模块

常用的无线通信方式有WIFI、蓝牙、Zigbee和公用移动通信等。WIFI传输速率高、联网方便，在短距离高速数据网络通信中应用非常广泛，但其通信距离一般不超过100m，即使是超级WIFI，其通信距离也只是达到公里级而已，如果采用这种通信方式，或者要求实验室管理人员或者消防机构在监控系统的通信范围内，或者要求管理/消防人员实时处于网络在线状态，但这两个条件通常难以满足。至于蓝牙和Zigbee通常只适用于近距离无线通信，在此不予考虑。采用公共移动通信，其通信距离广、稳定性高，而且通信终端（手机）使用方便，所以系统的无线通信采用公共移动通信方式。实验中选用了基于2.5G技术的GPRS模块，虽然现在移动通信网络已经发展到了4G标准，但是实验室安全监测系统中不需要传输大流量数据，只需要发送语音数据消息就可以，并且此种网络是按照流量计费的方式所以没有必要选择4G这种价格高，使用效果和GPRS模块是相当的。常见的GPRS模块有TC35i和SIM900a都能满足实验要求，而且资料丰富、使用方便。

SIM900A模块具有独立的5V电源接口，有USB-TTL和RS232数据传输口所以此模块和电脑及单片机的联机有两种方式并且各有自己的特点，串口线连接数据传输速率较慢而TTL-USB连接是现在选的更多的一种方式带有标准串口接口可方便用PC控制或者调试。所有可用的SIM900A引脚都外接出来，方便开发各种SIM900A的应用模块和单片机采用RS232串口通信的方式，模块具有静电保护措施，防止在卡槽插卡的过程中静电经典干扰，含有复位接口按下复位键模块返回到初始化状态。

SIM900A需要5V/2A的电源供电才能正常工作，并且电路设计中有静电保护措施防止芯片被静电击穿。在系统整体调试之前首先要對SIM900A模块进行参数设置、硬件调试等一列操作，才能达到我们需要的功能要求，后面内容对于模块的调试、通信服务器的建立进行叙述。在对模块调试之前首先要保证接线正确。此模块有两种接线方式一种是RS232串口的方式通信一种是使用USB-TTL接口线连接，串口接线交换TXD-RXD、RXD-TXD这样串口链路正常建立。模块实物如图3所示。

SIM900A通信模块是内置TCP/IP 通信协议引脚ring指示灯用来显示模块的联网结果。通过观察指示灯的亮和灭判断模块的联网状态如表1所示。

（三）传感模块

在电类实验室，针对于火灾问题，可以选择温湿度传感器判断火灾状态，如使用DHT11作为集成的数字复合式温湿度检测模块，能够同时检测湿度和温度并且误差小于0.1，且电路设计简单、程序设计方便，DHT11电路如图4所示。为提高监测效果或者扩展监测内容，可选用气体/烟雾传感器，如MQ-2系列传感器对特殊气体例如甲烷、一氧化碳等都有检测功能，并且还能监测是否有烟雾，灵敏度很高。MQ-2电路如图5所示。

此模块是具有4个引脚其中一个引脚空接。DHT11引脚DQ和处理器的数据口连接采用单总线的数据格式进行通信，通信时间为4ms左右，处理器发送开始信号之后，DHT11进行一次信号采集处理。当数据口收到处理器发的高电平时就会输出采集的数据，在系统程序设计时对模块的监测时间进行设置、模块初始化后面内容会介绍到。

三、软件设计

系统软件设计采用的是模块化的方式，首先写出系统程序的整体设计流程，如图6所示。根据流程图再写出程序，主函数体通过调用其他函数实现系统的整体功能。在系统执行程序之前首先要进行初始化程序，给各模块上电。温湿度传感器先检测数据然后传到微处理器，微处理器通过引脚把数据发送到LCD屏显示。此时MQ-2气体传感器上电等待状态若测到的数据超过额定值时蜂鸣器会发出报警信息，在同时通信 SIM900A模块发送短信给管理员手机，传输相应数据到电脑服务器。

四、结束语

在实验教学改革中，结合专业教学及学生毕业要求，将实际工程项目应用于专业综合性实验，不仅能够提高学生动手实践能力，而且能够给学生提供综合运用所学知识的实践机会，使其能够获得参与工程实践的切身体验，为其毕业后参与具体工程项目打下坚实的基础。

参考文献：

[1]殷代印，曹广胜.基于现代工程教育体系的实践教学改革与实践[J].实验技术与管理，2013，30（10）：11-14.

[2]李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012（03）：1-6.