針對光電專業新生開設的門禁系統綜合實驗課程的設計

何艷艷，王 英，周 海

（華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074）

門禁系統，又稱為出入管理控制系統，是建筑系統的重要組成部分[1]。隨著科學技術的不斷發展，現在的門禁系統早已超越了單純的門道及鑰匙的作用，已經發展成為一套完整的出入管理系統，在工作環境安全、人事考勤等行政管理工作中發揮著重要的作用[2]。門禁系統已是解決重要部門出入口、實現安全防范管理的有效措施[3-4]，適用于各種機要部門，如銀行、軍械庫、機要室等，也普遍用于辦公間、賓館、停車場、機房、智能化小區、工廠等。作為新型現代化安全管理系統，門禁系統集微機自動識別技術和現代安全管理措施為一體，涉及電子、機械、光學、計算機技術、通信技術、生物技術等諸多學科和技術[5-6]。

為了讓光電專業的新生從入學一開始就對本專業的性質、內容等有一定的了解，熟悉系統和工程的概念，鍛煉動手能力，提高創新和實踐意識，讓其對專業產生興趣，開設了光電專業的認知實驗課程，而門禁系統綜合實驗是其中一門重要的實驗課程。

1 實驗課程開設的目的與原則

門禁系統綜合實驗課程的目的是培養學生的綜合能力，既培養學生學習知識的能力，也培養學生運用知識解決實踐問題的能力。實驗需要學生利用所提供的控制器和其他元器件進行相關的外圍電路設計以及軟件編程控制，達到有人通過時，系統能發出報警的目的。入校新生具有良好的學習知識的體驗，但缺乏將知識轉變為實際工程應用的經歷。為此開設了門禁系統綜合實驗，旨在鍛煉學生的實踐能力，提升其將理論用于解決實際問題的能力，同時也鍛煉學生的溝通能力和團隊協作能力[7-9]。然而，由于大一新生所掌握的專業理論知識較少，動手能力也不強，所以綜合實驗的難度不能太大，否則學生面對復雜的綜合實驗，會感到無從下手，或因難而退，產生對專業的畏難情緒，達不到預期的效果。為此，門禁系統綜合實驗的難度應適中，系統軟件應易于學習和應用，外圍電路也不能過于復雜，驗收標準不能過高，完成的難度也不能太大。

2 實驗器材的組成與使用

確定了綜合實驗課程開設的目的和原則后，需要確定實驗器材。選擇器材的重要標準之一是必須保證實驗的安全性，即實驗安全是第一位的[10]，器材最好能夠在低電壓條件下安全運行，防止出現電方面的事故，所提供的器材必須保障實驗的每一個環節能夠安全完成，此外，這些器材通過培訓后，學生容易掌握和使用。為此，經過反復挑選，最后確定了Arduino微控制器以及相應的外圍模塊。

Arduino 是由意大利Ivrea 一家高科技設計學校的教師和學生與西班牙籍的芯片工程師一起設計的一款即便宜又好用的微控制器[11]。Arduino UNO 是使用最廣泛的控制器，其主要優點是：Arduino 語言是基于Wiring 語言開發的，并不需要學生掌握太多的單片機和編程知識，只需要簡單的學習就可以進行開發。對初學者而言，極易掌握，同時又有足夠的靈活性，便于開發和使用。其次，Arduino 的硬件原理圖、電路圖、IDE 軟件、核心庫等是開源的，在開源協議范圍內可以任意修改原始設計及相應代碼。此外，Arduino控制器還具有體積小、功能強等優點。Arduino 還有眾多的外圍模塊可以直接使用。因此，Arduino 控制器以及外圍模塊非常適合作為門禁報警系統綜合實驗的器材。

實驗采用一個工具盒將所用元器件裝在里面，做好編號并附上元器件的清單。每個工具盒內主要的元器件包括Arduino UNO 控制器開發板、人體感應模塊、蜂鳴器模塊、紅外發射模塊、紅外接收模塊、USB 連接線、面包板、帶三孔的連接線、杜邦線等。將學生分為2～4 人一組（由于該實驗涉及電，從安全考慮，最好 2 人以上為好），每組發放裝有實驗所需的元器件工具盒一個，可以帶回去自己保管和使用，等實驗驗收完成后，再由教師清點收回。

3 實驗教學的開展與實施

3.1 綜合實驗要求

門禁系統以防范損失、預防犯罪為主要目的，因此必須具有極高的可靠性。一套門禁系統在其運行的大多數時間內可能沒有警情發生，無須報警的。但是，如果在這極小的概率內出現報警系統失靈，常常意味著安全事件的降臨。因此，門禁安防系統在設計、施工、使用等各個階段，必須實施可靠性設計和管理，以保證系統的可靠性。門禁及安防系統是用于保護人員和財產安全的，因此系統自身必須安全可靠，同時保證其設備、系統運行的安全和操作者的安全[12]。

門禁系統綜合實驗的驗收標準：①基本要求。學生所設計的門禁報警系統必須實現在人非法通過時能夠及時報警，如果能夠滿足這一標準即為驗收合格。②分級驗收。設計評分標準根據功能實現程度、靈敏度、外觀設計美觀程度等分為普通驗收和進階驗收。普通驗收為在現場驗收時能夠滿足基本要求，之后撰寫實驗報告即可，分數由現場驗收和實驗報告兩部分組成，總分不超過85 分。進階驗收為在滿足基本要求的條件下，還有擴展部分。首先進行現場驗收，驗收合格后，需要把本組的設計采用PPT 形式向教師和學生講解清楚，并要求撰寫實驗報告。學生實驗課程分數由現場驗收、PPT 演講和實驗報告三部分組成，85 分以上為合格。

3.2 綜合實驗教學內容

綜合實驗教學主要由培訓、示范、學生實踐、教師答疑等部分組成。在實驗前，對學生進行4 學時的培訓與示范。培訓內容包括實驗目的、實驗要求、實驗內容、驗收標準、注意事項等。此外，教師應著重講解Arduino UNO 開發板的組成、特點、功能和外圍模塊的功能、特點以及使用等，同時介紹Arduino 語言以及程序結構等，并將Arduino UNO 開發板以及外圍電路的連接、程序軟件的安裝、編寫等拍成視頻，一邊操作一邊講解播放。此外，建立這門實驗課程的微信群，將所有資料發在群文件里，以便學生參考和學習。

在實驗課后，學生還可以通過上傳的參考資料進行學習，觀看視頻，以便達到能夠獨立進行基本實驗操作的目的。在操作過程中如有疑問，可在群里咨詢，教師和學生都可進行解答。如群里無法解決，可約時間到實驗室進行討論。這樣，所有的學生都能達到基本技能驗收的條件。有的學生在掌握基本技能后就開始討論研究進階的內容，這樣，能進一步激發學生的實驗興趣，進行自我學習和實踐，達到自我創新的目的。在進階過程中如遇到問題，可以咨詢教師或其他學生進行解答。

3.3 綜合實驗教學效果

綜合實驗教學對學生進行了培訓、示范、實踐、解惑、展示、演講以及撰寫等環節的訓練。從學生對這門綜合實驗課程的收獲與感想來看，多數學生確實受益頗多。有的學生把做好的門禁系統安裝在寢室門上， 有的學生模擬了開門、關門系統以及采用刷卡方式進入和計數方式進行統計等。總之，在門禁系統綜合實驗教學過程中，學生學到了許多新的知識，如機械設計、電學、光學、軟件、硬件等，擴展了學生的知識面，提高了學生的自學能力，鍛煉了其動手能力和解決問題的能力，體驗到了實驗操作的嚴謹性、精密性，也提升了團隊合作能力，明白了理論和實踐的差別，懂得了實踐的重要性，激發了學生的求知興趣和對未來學科的探索和思考，達到了綜合實驗課程設計目的。

4 結語

門禁系統綜合實驗涉及光、機、電等多學科，以訓練學生工程實踐能力和培養學生對學科興趣為目的，面向光電專業低年級新生開設的綜合實驗課程。選擇了簡單易學的Arduino 控制器開發板以及相應的外圍模塊元器件作為基本的實驗器材。通過對學生進行循序漸進的培訓、實踐、解惑等環節的訓練，使學生的自主學習能力得到了提升，工程實踐能力得到了鍛煉，學生的學習興趣也得到了激發。