基于多學科交叉的材料設(shè)計加工實踐教學體系研究

摘 要：在新工科教育理念的指引下，通過開展具備多學科交叉融合的實踐教學項目拓展大學生知識面的廣度，培育綜合運用多學科知識的深度，培養(yǎng)符合社會發(fā)展需求的卓越人才至關(guān)重要。南京信息工程大學材料物理專業(yè)以材料設(shè)計加工與傳感系統(tǒng)構(gòu)建作為實踐教學載體，開展材料合成與測試、增材制造與加工、傳感器件的封裝與調(diào)試、系統(tǒng)編程與數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗棇嵺`教學內(nèi)容，為大學生構(gòu)建材料科學、電子技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)化教學體系。該教學改革實踐有效提升學生的探索熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力，為造就創(chuàng)新型卓越人才起到重要的作用。

關(guān)鍵詞：傳感材料；增材制造；物聯(lián)網(wǎng)；虛擬儀器；學科交叉

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）28-0113-05

Abstract： Under the guidance of the new engineering education concept， it is very important to expand the breadth of College Students' knowledge， cultivate the depth of comprehensive application of multi-disciplinary knowledge， and cultivate outstanding talents who meet the needs of social development by carrying out practical teaching projects with interdisciplinary integration. Taking material design and processing and sensor system construction as the practical teaching carrier， the material physics major of Nanjing University of Information Science & Technology has carried out a number of practical teaching contents， such as material synthesis and testing， additive manufacturing and processing， packaging and debugging of sensor devices， system programming and data transmission， and built a systematic teaching system combining material science， electronic technology and information technology for college students. The teaching reform practice has effectively improved students'exploration enthusiasm， cultivated innovative thinking and practical ability， and played an important role in cultivating innovative talents.

Keywords： sensing materials; additive manufacturing; Internet of Things; virtual instrument; integration

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿科技的高速發(fā)展，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起[1]。新工科建設(shè)內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)同與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[2]。南京信息工程大學材料物理專業(yè)作為國家一流本科專業(yè)建設(shè)點，以新工科教育理念為指引，圍繞新時代材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展對人才的新需求，結(jié)合現(xiàn)有辦學條件，積極推動以材料設(shè)計加工與傳感系統(tǒng)構(gòu)建為基礎(chǔ)的課程建設(shè)，對傳統(tǒng)材料物理專業(yè)實踐課程進行改造升級，逐步構(gòu)建完善的多學科融合型卓越工程人才培養(yǎng)課程體系[3]。南京信息工程大學材料物理專業(yè)探索在新工科建設(shè)及再深化的背景下，開展多學科交叉的實踐教學項目，精心設(shè)計材料設(shè)計加工與傳感系統(tǒng)構(gòu)建課程，利用物聯(lián)網(wǎng)和虛擬儀器技術(shù)在實踐教學改造升級中的探索和實踐，充分發(fā)揮新材料新工科特色人才培養(yǎng)優(yōu)勢，不斷探索實踐教學改革路徑。

一 材料設(shè)計加工與傳感系統(tǒng)構(gòu)建課程性質(zhì)和教學目標

（一） 課程性質(zhì)

材料設(shè)計加工與傳感系統(tǒng)構(gòu)建課程是針對材料物理專業(yè)本科生開設(shè)的實踐課程，以氣敏傳感材料的合成、材料測試、器件封裝、系統(tǒng)構(gòu)建、增材制造和程序編譯為主要教學內(nèi)容，以實踐教學為主[4]。課程計劃32學時，其中材料的合成與測試、增材制造、系統(tǒng)構(gòu)建和程序編譯四個主體部分各安排8學時。

（二） 教學目標

具體教學目標由以下四個層面所組成。

1）制備納米復合傳感材料，利用多種現(xiàn)代測試設(shè)備對傳感材料進行表征。

2）氣體傳感器的封裝制作，氣敏性能測試，探究傳感器的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性[5]。

3）利用開源硬件平臺和虛擬儀器設(shè)計構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)，兼容氣體傳感器、溫濕度傳感器以及光照傳感器等器件。結(jié)合MQTT通信協(xié)議，將實時采集的傳感數(shù)據(jù)同步發(fā)送到云平臺[6]。

4）利用3DS Max設(shè)計系統(tǒng)模型，采用增材制造技術(shù)制作物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)外框模型。

二 材料設(shè)計加工與傳感系統(tǒng)構(gòu)建實踐教學的開發(fā)與設(shè)計

實踐教學課程設(shè)計的基于Arduino與LabVIEW的物聯(lián)網(wǎng)測控實踐教學系統(tǒng)，如圖1所示，包括Arduino UNO R3主控制器、DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、模擬環(huán)境光線傳感器、氣體傳感器、LCD1602A液晶顯示模塊、數(shù)字LED發(fā)光模塊、繼電器模塊、LabVIEW上位機以及Easy IoT云平臺顯示與控制界面[7]。Arduino主控制器運用基于信任度的數(shù)據(jù)融合算法對各傳感器采集的信息數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理，以此減少外界因素對數(shù)據(jù)的干擾，而人機交互主要通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)通過LabVIEW上位機向物聯(lián)網(wǎng)平臺進行傳輸，通過云平臺輸入命令實現(xiàn)對硬件的云端控制。由于Arduino為開源主控板具有靈活多樣和易于直接控制的電路接口，可以搭載各種類型的傳感器模塊。其中，氣體傳感器為學生自主制備材料并進行器件封裝。通過適當?shù)挠布渲煤蚅abVIEW上位機的開發(fā)，學生就能夠構(gòu)建出具體的信息采集與傳輸系統(tǒng)，從而增強學生參與實踐的主觀能動性和創(chuàng)新精神。此外，LabVIEW基于數(shù)據(jù)流的傳輸方式以及模塊化程序設(shè)計的特點，具有強大的兼容能力以及數(shù)據(jù)分析能力，將采集到的數(shù)據(jù)自動進行保存，并能夠充分地進行數(shù)據(jù)處理，減少傳感器測量誤差，提高系統(tǒng)的準確性。實踐課程通過充分的學科交叉，培養(yǎng)學生系統(tǒng)化思維。在課程進行的過程中，學生需要將G語言編程、材料制備與器件封裝、信號采集與數(shù)據(jù)分析等方面有機結(jié)合，從而提高學生綜合運用多學科知識的能力。

（一） 傳感材料概述與實驗

課程聚焦當前傳感材料科學的前沿領(lǐng)域，著重培養(yǎng)學生的科學思維和實驗操作及數(shù)據(jù)分析能力。以精品課建設(shè)為契機，構(gòu)建基于“學習通”的在線學習內(nèi)容和活動設(shè)計，將講授和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，強化課前線上研習，注重課后線下實踐[8]。考慮到學生在材料科學方面的理論基礎(chǔ)比較扎實，因此，學習的重點是利用成熟的合成方法制備最新的有機無機復合傳感材料，運用先進的測試技術(shù)展示復合傳感材料的微觀世界和學生通過真切的測試環(huán)節(jié)所獲取材料的宏觀傳感性能[9]。所制備的復合傳感材料為共價有機框架（COFs）/半導體金屬氧化物/納米碳球。運用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對復合傳感材料的形貌進行表征，如圖2所示，復合傳感材料為分級結(jié)構(gòu)空心球，該空心球由納米尺寸的復合碳球自組裝而成，納米復合碳球表面包覆半導體氧化物以及共價有機框架材料。如圖3所示，利用靜態(tài)傳感測試系統(tǒng)在高濕度條件（相對濕度為90%）下對氣體傳感器的氣敏性能進行測定，分析傳感器對不同氣體不同濃度的響應(yīng)靈敏度，探究傳感器的氣敏選擇性[10]。

（二） 主控板的選擇以及硬件系統(tǒng)的構(gòu)建

材料物理專業(yè)在本科階段開設(shè)了電工電子學、固體物理、半導體物理和半導體材料與技術(shù)等理論課程，但相關(guān)實驗課程的課時較短，甚至部分課程未同步安排實驗課程。因此，需要借助相對科學和綜合的實踐教學課程，在有限的課程時間內(nèi)加強學生掌握所學知識的深度。課程面向?qū)嵺`基礎(chǔ)相對薄弱的材料物理專業(yè)學生，如何設(shè)計實踐教學環(huán)節(jié)進一步提升學生理論聯(lián)系實際的能力是本課程的重點和難點。課程采用開源硬件Arduino UNO R3作為系統(tǒng)開發(fā)的主控板。該控制器主板是基于ATmega328P微處理器的單片機，是硬件系統(tǒng)的核心部分，在此之上完成程序代碼的編寫。如圖4所示，材料物理專業(yè)實踐教學中心提供主控板，同時提供Arduino UNO R3引腳與單片機引腳對應(yīng)關(guān)系和原理圖。授課老師著重講解主控板所具有的14個數(shù)字I/O端口（包括6個PWM輸出口）、6個模擬輸入端口、ICSP端口、復位端口、USB接口以及外部供電接口DC插頭等。學生通過動手操作熟練掌握主控板為外接傳感模塊如溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器、顯示模塊、LED發(fā)光模塊和繼電器模塊所提供的充足引腳的連接方式，熟悉如何配置讀取輸入或?qū)懭胼敵龅饶Ｊ綄崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交互。通過學習，學生可以了解D13引腳信號指示燈、串口通信指示燈、電源指示燈等顯示控件。通過構(gòu)建硬件系統(tǒng)增加了課程的實踐性，也增強了課程的趣味性和挑戰(zhàn)性。若想順利地實現(xiàn)測控環(huán)節(jié)中信息采集和遠程控制等指定目標，則要求各小組成員在理解基本原理的基礎(chǔ)上，熟練掌握物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的安裝技巧。上述任何一個模塊出現(xiàn)問題，都可能導致學生在物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的調(diào)試過程中無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和硬件控制。一旦出現(xiàn)問題，任課教師會鼓勵和啟發(fā)學生從多學科角度分析實際問題，探究原因，采用科學可行的方法進行解決。

（三） 物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)上位機的構(gòu)建

上位機部分是物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的軟件核心，課程主要采用LabVIEW圖形化編程語言對Arduino進行開發(fā)，憑借圖形化編程、豐富的模塊選擇以及可以直接搭建用戶界面，使用LabVIEW進行上位機程序的開發(fā)可以大大地提升系統(tǒng)設(shè)計的效率，縮短開發(fā)周期。如圖5所示，物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的上位機程序提供學生與系統(tǒng)之間的交互界面，學生可以在上位機界面完成數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲，對硬件設(shè)備進行調(diào)控等操作。結(jié)合智能虛擬儀器技術(shù)的授課基礎(chǔ)，任課老師將物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)上位機部分用戶界面分為五大模塊，并將學生進行分組，同步完成包括“用戶管理”“數(shù)據(jù)采集”“監(jiān)控控制”“數(shù)據(jù)記錄”以及“日志文件”[11]等分項。其中，在信號通信方面，掌握LabVIEW上位機與Arduino通過USB端口進行串口通信采集數(shù)據(jù)，并通過MQTT通信方式與Easy IoT云平臺進行數(shù)據(jù)傳輸以及命令控制是至關(guān)重要的[12]。硬件與上位機的串口通信以及上位機與云平臺的數(shù)據(jù)交互也是本課程教學過程中的重點和難點[13]。

為了最大限度地體現(xiàn)以學生為中心、實踐為手段、能力為目標的先進教學理念，根據(jù)該部分內(nèi)容具有學科交叉、工程性強、任務(wù)量大等特點，單個小組都難以全部完成。因此，需要各組學生在上位機開發(fā)和調(diào)試過程中，增強組織協(xié)調(diào)能力，提升運用知識、技術(shù)和方法的能力，從而達到通過本課程的實踐教學提高學生實踐能力和創(chuàng)新能力的教學目標[14]。

（四） 基于增材制造技術(shù)構(gòu)建實物模型

增材制造實踐部分充分利用材料物理專業(yè)實踐教學中心所配備的3D打印設(shè)備，確保每組學生均有自行調(diào)試并進行3D打印的操作機會，引導學生協(xié)同協(xié)作，科學高效地解決實踐過程中所面臨的實際問題，成為培養(yǎng)學生動手和協(xié)作能力的重要環(huán)節(jié)[15]。授課老師主要圍繞激光掃描光固化3D打印工藝為核心，介紹光敏樹脂材料發(fā)展、設(shè)備開發(fā)流程。重點介紹光固化3D打印基本原理和前沿技術(shù)，闡述3D打印設(shè)備的開發(fā)基礎(chǔ)，分析激光掃描系統(tǒng)、增材裝置、涂鋪系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)和樹脂加熱系統(tǒng)等功能模塊的設(shè)計要求。課程所使用的光固化3D打印所采用的增材制造工藝是將液態(tài)光敏高分子材料累加為固態(tài)成形件，成形精度較高，可以滿足商業(yè)需求。課程著重培養(yǎng)學生掌握光固化3D打印關(guān)鍵技術(shù)，包括模型優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、3D打印機硬件技術(shù)以及后處理工藝技術(shù)。3D數(shù)字化建模軟件是3D打印的基礎(chǔ)，課程教學中采用設(shè)計軟件3DS Max進行建模（圖6（a））。建模成功后，將導出的STL格式數(shù)據(jù)再導入到3D打印機，打印機通過工藝控制軟件操作打印出完美的系統(tǒng)外框。將原型取出后，除去支撐以及未經(jīng)固化的樹脂后，還要對原型進行充分的后固化，再經(jīng)打光、噴漆或著色處理得到符合要求的系統(tǒng)外部框架（圖6（b））。課程通過引入三維建模軟件進行模型的創(chuàng)新設(shè)計，利用增材制造技術(shù)快速實現(xiàn)設(shè)計想法，大大調(diào)動了學生創(chuàng)新設(shè)計積極性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新設(shè)計思維。

三 結(jié)束語

材料物理專業(yè)實踐課程是培養(yǎng)材料物理專業(yè)卓越人才的重要手段，通過不斷地深化多學科的交叉融合，課程開展了材料合成與測試、增材制造與加工、傳感器件的封裝與調(diào)試、系統(tǒng)編程與數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗棇嵺`教學內(nèi)容，為材料物理專業(yè)學生構(gòu)建了材料科學、材料加工、電子技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)化教學體系。課程在新工科建設(shè)的大形勢驅(qū)動下，引領(lǐng)材料物理專業(yè)學生通過制備最新的納米復合傳感薄膜，熟練掌握合成技術(shù)，充分認識納米自組裝技術(shù)，并對所封裝的氣體傳感器進行靈敏度、選擇性等性能評價。結(jié)合多種功能模塊，利用開源硬件平臺和LabVIEW設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)實現(xiàn)云端與上位機系統(tǒng)和硬件之間的良好交互，探究物聯(lián)網(wǎng)的基本內(nèi)涵。因此，通過課程的多學科交叉融合，引導學生完成從理論認知到實踐能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)綜合能力與素質(zhì)的多層次、全方位提升。

參考文獻：

[1] ALRESHAID A T， HESTER J G， SU W， et al. Review-ink-jet printed wireless liquid and gas sensors for IoT， smartag and smart city applications[J]. Journal of The Electrochemical Society， 2018，165（10）：B407-B413.

[2] 李星星，張傳坤，肖紹軍.新工科背景下材料物理專業(yè)開放式實踐教學研究與實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2021（2）：132-136.

[3] 劉飛，薛慧香，高紅艷，等.基于寶雞鈦產(chǎn)業(yè)的材料物理專業(yè)協(xié)同育人模式探索[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2022（5）：135-137.

[4] 楊廣武，胡松青，張亞萍，等.建設(shè)四類實驗資源構(gòu)建“分層次遞進式”實驗教學體系[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：159-166.

[5] CHO H S， SUH M J， EOM H T， et al.Colorimetric sensors for toxic and hazardous gas detection： a review[J].Electronic Materials Letters，2020，（prepublish）：1-17.

[6] GUPTA V， KHERA S， TURK N. MQTT protocol employing IOT based home safety system with ABE encryption[J].Multimedia Tools and Applications，2020，80（2）：1-19.

[7] BLANCO-NOVOA O， FERN？魣NDEZ-CARAM？魪S M T ，F(xiàn)RAGA-LAMAS P， et al.A cost-effective iot system for monitoring indoor radon gas concentration[J].Sensors，2018，18（7）：2198.

[8] 宋慶功.新時代民航特色“五維”復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建研究與體會[J].教育教學論壇，2019（35）：8-12.

[9] SUH J H， CHO I， KANG K， et al. Fully integrated and portable semiconductor-type multi-gas sensing module for IoT applications[J]. Sensors & Actuators： B. Chemical，2018， 265660-265667.

[10] RUZAIJ F M A， SEBASTIAN N， THOMAS R， et al.Evaluating of IAQ-Index and TVOC parameter-based sensors for hazardous gases detection and alarming systems[J].Sensors （Basel， Switzerland），2022，22（4）.

[11] 陳金立，周镕，陳宣，等.一種基于樹莓派的氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測教學實驗設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2021，38（6）：189-198.

[12] GAMBIROZA C J， MASTELIC T， KOVACEVIC T， et al.Predicting low-cost gas sensor readings from transients using long short-term memory neural networks[J].IEEE Internet of Things Journal，2020，（99）：1.

[13] MISRA D， DAS G， CHAKRABORTTY T， et al.An IoT-based waste management system monitored by cloud[J].Journal of Material Cycles and Waste Management，2018，20（3）：1574-1582.

[14] 邱玉婷，崔劍，馬鵬舉，等.多學科交叉融合的無人機實踐教學方案設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（12）：175-178.

[15] 唐劍鋒，程南璞，李元，等.基于專題導向的開放式材料物理課程教學探索[J].西南師范大學學報（自然科學版），2020，45（1）：154-158.