關于高等教育理論課堂教學設備的開發與應用

隨著我國高等教育事業的發展，教學形式有所發展，教學條件有所改善，多媒體教學在大學理論課講授過程中占有很大的比例，部分取代了純板書式的傳統教授形式。但是，無論是哪種形式的教學，實物展示在學習過程中能夠讓學生們對所學的概念、原理及應用有著極為深刻的印象。為此，課堂教學設備的開發與應用顯得尤為重要。例如，安全檢測技術課程主要介紹安全檢測系統的構成，各類傳感器的原理、性能及使用。這些方面的學習，教師借助多媒體展示原理圖和實物圖均很難使學生形成翔實而立體的教學效果。為此，本文基于對安全檢測技術的理論教學過程中，開展相關理論課題教學設備的開發與應用研究。
一、課題教學設備開發的意義
以安全檢測中溫度檢測為例，這一章節主要介紹工業中常使用的溫度傳感器及其相應的測量原理。通過對溫度檢測系統組件教學設備的開發，首先，可以讓學生們認識到溫度檢測系統是哪幾部分組成，并可現場對此系統拆解，分別講解每一部分的形態及功能；其次，通過該設備可以實現教學現場的溫度采集；再次，通過設備的時間條件控制實現不同的采集頻率；后，將現場采集到的數據進行現場編輯和處理，終實現基于課堂現場的溫度檢測與分析。此設備可涉及安全檢測技術的傳感器基本構成、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。為此，課堂教學設備的開發可使教學環節更加豐富有趣，彌補傳統教學中的一些從理論到應用的課堂轉化，為理論教學過程增加更多可操作環節，使學生們在課堂上能夠更好地學以致用。
二、溫度檢測教學設備的設計
溫度傳感器在醫療、農業、工業、生活等領域有著越來越廣泛的應用。作為教學設備的開發，溫度傳感器還不是很多，由于傳統工業使用的溫度傳感器價格較高、體積較大、不便于攜帶、需要提供電源、需要配合專業的數據采集系統等特點，此類傳感器大多停留在大學的實驗室內，而無法走到理論教學現場。隨著微電子技術的高速發展，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，使其性價比大幅提升。集成化兼智能化的傳感系統的關鍵技術有兩個方面：一個是集成電路規?；夹g，一個是微機加工技術。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把系統的各個部分集成在一塊微小的芯片上，這就構成了人們常說的集成智能傳感器（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）進行設計，基于此設計進行印刷電路板的制作、使用C++語言程序開發溫度檢測教學設備的用戶界面程序，實現對教學現場采集的溫度數據的保存和輸出。
三、溫度檢測教學設備結構與組成
溫度檢測教學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、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，0.1μF的電容1個，四線排針1個。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；④外圍電路

圖2　溫度檢測儀電路板

注：① 4.7k 電阻；②四線排針；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℃，*可以滿足室內溫度數據采集的需求。ADT7410芯片內部總共擁有14個具有不同參數的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設定點的高和低有效字節、TLOW設定點高和低有效字節、TCRIT設定點高和低有效字節、THYSTS設定點組成的9個寄存器，狀態值存儲在1個8位寬的寄存器；配置值存儲在1個8位寬寄存器；地址指針存儲在1個8位寬寄存器；軟件復位值存儲在1個8位寬寄存器。
這個芯片總共使用了8個引腳，分別是1個IIC串行時鐘輸入引腳，1個IIC串行數據輸入和輸出功能引腳，2個IIC串行總線地址選擇功能引腳，1個過溫功能或欠溫功能指示器引腳，1個臨界過溫指示器邏輯輸出引腳，1個模擬接地或數字接地功能引腳，1個2.7V-5.5V的電源電壓功能引腳。
2.USB轉IIC接口功能介紹
IIC總線是PHILIPS公司推出的一款的串行總線，具備多主機系統所具有的總線裁決功能，同時還具備高低速器件的同步功能。這種總線標準在微電子技術領域、工業生產監測監控及通訊控制諸多領域已經都具有非常廣泛的應用。
IIC總線僅有1根雙向制的數據信號線和1根雙向時鐘信號線。此總線技術具有很多優點，首先簡化了很多日常的工作系統中關于硬件設計部分的工作，其次使工作系統的外觀體積大大減小，還對系統整體的可靠性有了很大的提高。
USB轉IIC接口是一個的接口型芯片，主要實現USB總線與IIC總線轉換的功能。產品用戶可以通過此芯片實現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語言、VC語言、Delphi語言開發和調用。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12M晶體和2個貼片電容，可實現20KHZ、100KHz、400KHz、750KHz四種不同速度的時鐘傳播。
3.數據傳輸線的功能介紹（杜邦線）
本設計采用的數據傳輸線又稱杜邦線，是由杜邦公司生產的一種專業數據傳輸線。這種線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，其內包線采用的是表面經過鍍錫處理的扁平銅線。此線纜質地具有柔性特點，可對其進行任意彎曲、體積小，可屏蔽電磁波干擾等優點。它被廣泛應用于工業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。此類傳輸線非常廣泛地應用于單片機、組件、電器及通信設備中。
四、用戶界面程序的設計
本文采用的是C++程序語言開發的溫度檢測用戶界面程序，主要實現溫度的數據采集、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，此處通過藍色指示燈進行提示，程序模塊上會顯示“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中的應用
理論教學的應用對象為安全檢測技術課程的理論教學地點，為某多媒體教室，教室內由將桌、暖氣、多媒體工作臺、學生課桌、投影儀等組成。在教室內共選擇６個測點，1號測點位于投影儀工作臺，其余5個測點分別均勻分布在教室各個課桌上。此測試方案主要用于測量教室整體平均溫度和不同測點的溫度差。
通過對此多媒體教室在某天的三個時間段進行的溫度檢測，其具體數據如下表所示，各個測定的溫度變化趨勢如圖4所示。

多媒體教室5 測點不同時間的溫度檢測數據

圖4　多媒體教室5 個測點不同時間的溫度趨勢
六、結束語
本研究通過對安全檢測技術理論課堂教學設備的開發與應用，豐富這門課程的理論教學內容，以此教師在教學課堂上很好地實現對理論的應用轉化，課堂教學氛圍更加充滿趣味性，提高學生對理論學習部分的理解能力。隨著學校后續對課堂教學設備的開發，能使其在教學過程中更加系統化，從而為高等教育理論課堂教學增添新的活力和趣味，更好地培養大學生的創新能力。