《智能儀器設計》課堂及實踐教學探討

摘要：《智能儀器設計》是一門融合多項新技術、對實踐性要求高的課程，在對《智能儀器設計》課程和實踐教學改革中，在課程教學內容組織上，以應用需求組織教學內容，更多地強調儀器智能化方面的知識，及由此涉及到的儀器新觀念、新器件、新技術的應用。在教學方法上，以貫穿整個教學過程的設計型、綜合型大作業為主線，提高學生綜合運用所學知識的能力，并對考核方式進行了改革和實踐。在課程設計環節，以基于單片機的智能儀器設計題目為主，同時增加虛擬儀器設計方面的題目，以提高學生的創造能力、動手能力和實踐技能，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：智能儀器；教學實踐；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）01-0093-03

《智能儀器設計》是為測控技術與儀器專業本科生開設的一門專業必修課，主要講授智能儀器的開發、設計方面的專業知識，是儀器儀表應用、開發、生產單位及科研院所技術人員必備的專業知識。使學生了解、掌握智能儀表設計的原理和方法，培養學生理論聯系實際、獨立分析解決實際問題的能力。該課程是一門融合多項新技術且對實踐性要求很高的核心課程。教學內容分為課堂教學、課內實驗及課程設計三部分。課堂教學與實踐環節緊密結合，并與之前進行的微機原理、單片機與嵌入式系統等教學內容相互銜接，對該課程教學內容進行深化、延伸、補充，使學生加深對所學理論知識的理解，達到對教學內容的熟練掌握。通過本課程的學習和實踐，可有效地提高學生的動手能力，培養學生分析問題、解決問題的能力。學生從課堂教學中學到的設計方法可以在實踐環節中加以檢驗和提高。從理論教學、設計題目任務的分析、方案設計、硬件設計及實現、編程環境的掌握、軟件設計直到調試運行，形成一個重實踐類課程教學體系。通過該課程的教學和實踐，既提高了學生的創新意識，又為畢業設計奠定了堅實的基礎。為不斷提高課程的教學質量，我們在教學研究與實踐中，不斷總結經驗，在課堂教學、實驗、課程設計及成績考核等具體環節中采取了一些有效措施，取得了較好的效果。

一、課堂教學內容體系及教學方法改革

課堂教學內容與先修課程微機原理、單片機與嵌入式系統相銜接，主要講授：數據采集技術、模擬量與控制信號輸出技術、人機接口技術、通信接口技術、數字濾波方法、誤差校正和量程自動切換等數據處理算法、智能儀器的軟件結構及程序設計方法、儀器自檢與抗干擾技術及其他常用的提高儀器儀表可靠性的硬軟件設計方法等。

1.以應用為主線結合大作業組織教學內容。教學過程中，為強調儀器儀表的整體概念，以大作業形式給出若干儀表設計的實際案例，結合課堂教學的不同階段，分模塊設計完成。大作業包括：自動供水系統設計、多路溫度采集系統設計、電參數測量儀表設計等。以電參數綜合測量儀為例，首先明確測量儀的功能和技術指標，由此得到測量儀的整體構成框圖，設計則結合授課章節分階段完成，電參數綜合測量儀可分為：信號調理部分、多路A/D采樣、人機接口、通信接口、數字濾波、標度變換與數據計算處理、量程自動切換、抗干擾技術等。每個模塊均有多種設計方案或算法可供選擇，教學中對學生完成的幾種典型方案或算法進行分析，比較其優缺點及設計方案的合理性，使學生能從工程化的角度理解和掌握課堂講授的理論和設計方法。這樣，既可使學生掌握每個環節的設計方法，也使其了解一個實際工程化的儀器儀表功能要求的多樣性和實現的復雜性。

2.強化儀器儀表智能化及相關新技術的教學內容。課堂教學中，除介紹智能儀器可以自動選擇量程、自動存儲測量結果、顯示/打印、自校準、自診斷等初級智能外，加強了具有更高層次智能水平儀器方面的知識，如：分析、判斷、推理、學習等在智能儀器中的實現。同時，將模糊數學、神經網絡、專家系統等方面的知識引入到智能儀器設計。結合火電廠的一些控制設備，介紹智能控制方面知識的應用，如：模糊控制、專家控制、自適應控制等。智能儀器的發展與現代科學技術密切相關，因此教學中也應關注與儀器儀表有關的新理論和新技術及其發展動向。包括現代傳感技術、新型元器件及智能芯片、可編程器件、網絡及通信技術等。如通信部分，除介紹常規的RS232/422/485、GP-IB通信接口外，還介紹USB通用串行總線、以太網接口技術、現場總線（CAN、HART、Profi_bus等）、藍牙接口技術等內容，利用Internet、GSM/GPRS等公共網絡實現儀器儀表數據的遠程傳輸方法。微處理器芯片部分除介紹單片機外，也講解DSP、ARM、SoC等作為嵌入式CPU用于智能儀器的設計方法。另外，結合火電廠熱工參數的測量，介紹軟測量技術等新的測量方法及其應用。

3.課內設計型、綜合型實驗教學內容。課內實驗設置要注意兩個方面的問題，一是學時少，二是要避免實驗內容與先修課程重復。因此我們將課內實驗與大作業相結合，如要求設計一個配用熱電偶的溫度測量智能儀表，對毫伏級電壓信號進行定時采集，設計信號調理、多通道采集、人機接口等硬件電路，并綜合運用數字濾波、非線性特性線性化、零點及量程自動校正、標度變換等技術，實時計算顯示出溫度測量值。將其中更有助于智能儀器概念理解部分中的硬、軟件由學生設計實現方案，自主選擇芯片，用Protel畫出硬件部分原理圖，軟件部分用Visio畫出程序流程圖。將設計方案與智能儀器實驗箱及實訓模塊所采用的方案相比較，分析自己設計方案存在的問題及優缺點，并進行改進。最后用匯編或C51編寫程序，并利用實驗學時在實驗裝置上進行調試。實驗報告內容包括設計方案說明、硬件原理圖、軟件流程圖及主要程序清單。

二、課程設計實踐教學內容組織及改革

1.課程設計內容。本課程設計學生要利用單片機開發系統、實訓擴展模塊及所需的芯片和元器件完成一項設計任務，也可以利用虛擬儀器實驗平臺設計開發智能儀器或結合大學生科技創新項目、參加教師科研工作選擇設計題目。為提高學生的學習興趣，充分調動學生學習的主動性，并考慮到學生個體之間的差異，總結多年實踐教學中的經驗，我們在以下幾個方面對設計內容進行了改革：設計題目的形式：《智能儀器設計》課程設計所涉及的內容包括測控技術與儀器專業主要的專業課和專業基礎課，如：智能儀器設計、單片機與嵌入式系統、微機原理、測量儀表、數字信號處理、電路、電子技術基礎等。為了提高學生的綜合素質，培養學生運用所學知識分析問題和解決問題的能力，在題目形式的選擇上，我們重點突出了設計內容的綜合性、完成設計任務時方法的靈活性和創造性。給出的設計題目大部分包括：信號調理電路的設計、輸入/輸出通道的設計和軟件設計，并且要在實驗裝置的基礎上由學生自己動手實現信號調理電路，完成硬、軟件功能的調試。鑒于虛擬儀器技術的發展，并相應開設了選修課，設計題目中增加了利用虛擬儀器實驗平臺設計開發智能儀器的內容，學生可以利用LabVIEW軟件及相應信號調理、數據采集模塊來完成，如：環境參數檢測、振動信號分析、無損檢測、距離與位移檢測、環形輸送線檢測與控制、電參數綜合檢測及質量分析等設計任務。設計題目的難易程度：為了使不同的學生均得到一次完整的鍛煉機會，在題目的難易程度的選擇上，我們將題目分成了難、中、易三類。難題是指涉及內容多、綜合性強的設計題目，如：設計中包括信號調理電路的設計、A/D通道設計、數字濾波、非線性特性線性化、標度變換、人機接口設計等。設計題目中多數是中等難度的題，如在上述內容中去掉數字濾波或非線性特性線性化等要求。設計題目中也有少量較容易做的題，這類題在內容上只是完成了智能儀表的某一部分功能，如：鍵盤/顯示設計、時鐘設計、數字I/O等。這樣，學習成績較落后的同學可以做相對容易、功能固定的設計題目，而成績較好且動手能力強的同學可以做難度高、功能靈活且具有創造性的題目，盡可能發揮每個學生的主動性，使各種學生都能得到最大的鍛煉，達到最好的教學效果。設計完成的最終結果：課程設計不僅要求學生按照選定的題目完成設計任務，而且要包括對開發系統、實驗系統及編程語言的掌握。設計方案既要考慮功能的實現、實現方法、結構的優化、選用元器件的合理性、運行結果的正確性，也要考慮測量的準確度、可靠性、可移植性及參數調整的方便程度。如：題目中需要設計電流/電壓轉換電路，設計方案有直接采用標準電阻、采用運算放大器的簡單電路及考慮調零調量程的實用電路等。設計方案直接反映了學生對所學知識的綜合應用能力。最終完成的課程設計報告應包括總體方案、軟硬件功能分配、硬件原理圖、軟件流程圖、調試結果結論，并附程序源代碼。報告的書寫可以培養學生的表達和論述能力，為以后的工作和學習打下一定的基礎。

2.輔導方式。指導教師給出若干設計題目后，由學生自主選擇，受實驗設備數量的限制，一般需2名同學共用一套設備。指導教師在布置設計任務時，主要介紹應完成的功能和要求，而實現方法可以有多種，由學生自己選擇。對學生的指導也以提示性為主，鼓勵學生自己查閱有關資料，結合已學知識分析給定的設計任務，并最終完成課程設計。仍以前面提到的電流/電壓轉換電路為例，一部分同學開始想到的是電子技術基礎中學過的簡單的放大電路，沒有與測量儀表或智能儀表中學過的知識結合，針對這種情況，指導教師提示同學測量電路應具有調零及調量程的功能來引導同學查閱資料設計出合適的電路。

三、考核方法改革

作為一門測控技術與儀器專業必修課，采用傳統的閉卷考試方法對學生進行考核存在一定的弊端，不適應于發展快、綜合性應用性強的儀器儀表學科。為此，我們進行了一些有益的探索。首先，結合大作業突出對學生靈活運用所學知識、分析解決實際問題能力的考核，再進行結課開卷考試，二者結合評定課程成績。答辯是為了檢查學生是否完成了設計任務，以及對有關知識的掌握情況。答辯是結合設計過程中遇到的主要問題進行思考，首先由學生針對設計任務介紹自己的設計思路、遇到的問題及最終解決問題的方法，然后教師針對設計中的錯誤和不足等進行提問。課程設計的成績采用四級評分（優秀、良好、及格和不及格）。成績的評定主要考慮學生在設計過程中的獨立工作能力、設計題目的難易程度、完成的質量、答辯情況、報告的書寫及平時表現等幾個方面，特別要注意學生獨立進行工程技術工作的能力、動手能力和創新精神，使其能真正反映學生的真實水平。

通過對《智能儀器設計》課堂教學及實踐教學的研究和探討，確立了以應用需求組織教學內容的方案，更多地強調儀器智能化方面的知識及由此涉及到的儀器新觀念、新器件、新技術的應用。在教學方法上，以貫穿整個教學過程的設計型、綜合型大作業為主線，提高學生綜合運用所學知識的能力，并對考核方式進行了改革和實踐。在課程設計環節，以基于單片機的智能儀器設計題目為主，同時增加虛擬儀器設計方面的題目，增強學生的學習和設計興趣，提高了學生動手實踐的主動性，更客觀地評價了學生自身的能力。為培養學生獨立分析問題、解決問題的能力，提高創新能力等方面起到了很好的作用。

參考文獻：

[1]王祁.智能儀器設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]史健芳，等.智能儀器[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]付華，郭虹，等.智能儀器設計[M].北京：國防工業出版社，2007.

[4]唐鴻儒，黃亞忠，等.“智能儀表設計基礎”課程教學實踐[J].電氣電子教學學報，2009，6（3）：27-28.

基金項目：華北電力大學教學改革項目

作者簡介：楊耀權（1962-），男，河北保定人，華北電力大學自動化系，教授，主要研究方向為儀表智能化技術、數字圖像處理等。