模块化综合实验平台设计与研究

吴彦文，常志强

(华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430079)

0 引 言

创新性实验设计不但能培养学生综合运用理论知识的能力，而且能强化和提升学生的创新意识。因此，构建一种能够帮助大学生提高动手能力和增强其创新意识的模块化综合实验平台具有极其重要的意义［1-10］。

1 实验平台概述

1.1 实验平台结构

本综合实验平台采用模块化设计，它分为多个模块:控制单元、电源单元、机械实验单元、电机驱动单元、信号输入单元、信号输出单元(声、光)、信号处理单元、存储单元、通信单元等，原理图如图1 所示。

图1 实验平台原理图

其中，单片机芯片选用ATMEL 公司的AT89C51;存储单元选用韩国三星公司的32M 容量的NAND Flash 芯片K9F5608，功放芯片选用TDA2822;信号输出单元中，音频芯片选用CS4330，LCD 液晶屏选用JHD162DC 的字符型液晶模块;信号输入单元中，功能键的设计利用了AT89C51 的键盘中断输入引脚KIN0～KIN3，外接4 个轻触键;电源部分采用的是可充电的蓄电池组。机械单元，采用铝板制成的4 轮直流电机驱动小车。此外，USB 的设计则利用了AT89C51 自带的USB 控制接口，外接一个USB Device 插口供用户使用。

1.2 实验体系设计简介

为了提高学生的动手能力和创新能力，本实验平台设计了一套实验体系，分为验证性实验、基础性实验、组合性实验和创新性设计［11-12］。验证性实验和基础性实验多针对一门课程或一个功能模块设计的，组合性实验和创新性设计则是需要学生结合多门课的知识来完成一个实验项目。根据学生的不同课程和不同学习阶段的学习内容，实验辅导老师可为学生提供不同的指导，这样可以效地提高学生的动手能力和培养创新意识。

(1)验证性实验。主要是一些简单的实验，用来完成实验入门。首先，学生通过实验预习来认识实验中所使用元器件，熟悉其名称、内部构造、基本原理及其主要用途。其次，学生可以通过实验操作来掌握元器件的辨别，初步了解实验用电子仪器和软件的使用方法，并掌握基本的实验技巧，认识实验流程。

(2)基础性实验。主要是针对实验平台的单一模块进行实验设计和课程设计。除了能使实验者对已学的知识进行深化理解，增加其对课程学习的兴趣，还可以使学生熟悉常用电子仪器的使用方法，重点培养学生对常见电子电路的基本测量技巧，以及观察和分析实验现象和实验结果等基本方法，提高基本实验技巧，为组合性实验和创新性设计打下基础。

(3)组合性实验。是将基础性实验中已应用的实验模块，组合成一个新的实验项目。这部分实验以培养学生的基本实验能力和组合创新能力为主，开拓学生思路，提高学生分析和组合电路的能力。

(4)创新性设计。主要是老师指导，学生独立或组队完成一个实验课题的形式进行的。其实验环节主要有课题选择、资料收集、实验设计、实验完成及写作文档。进行创新实验的设计，提高科研素养。实验目标是为了培养学生的科学研究思维方法，强化其创新意识和科学研究能力。

1.3 实验平台特点

本实验平台在硬件设计上的特点:

(1)模块化设计。本实验平台以模块化设计为特色，使用者可根据自己的实验需求选择实验模块，设计和组装实验，以达到更好的实验效果。

硬件模块的老化会导致实验精度变差，操作失误能造成实验电路的不可逆转的损坏，这些都会导致实验模块不能继续使用。本实验平台使用的模块化设计的原则能很好地解决这些问题。此外，实验者还可以按自己的需要，设计出一个新的实验模块来替换实验板上的对应模块进行实验，让实验人员有更大的灵活性。

(2)综合性强。本实验平台配有一套系统的实验体系，它包括了验证性实验、基础性实验、组合性实验和创新性设计。本平台既可以辅助学校已有的实验室系统，协同培养学生的创新能力。也可自成体系，方便老师根据学生的不同阶段提供实验指导和实验设计，这给老师和学生带来很大便利［13］。

(3)创新性。与实验平台配套的实验体系配有多项创新性实验设计，易于培养动手能力和创新意识。创新性实验设计有基于单片机的超声波测距系统、无线智能电子抢答器、智能语音机器人、智能小车的设计等。通过完成本系统提供的创新性实验设计，学生能更系统地培养自己的创新能力。

2 实验设置/实验设置举例

该实验体系成阶梯式展开，依次为验证性实验、基础性实验、组合性实验和创新性设计。如图2 所示，本节通过一组实验设计为例来阐述该实验体系的思想。

图2 实验体系框图

2.1 验证性实验

以“语音机器人音频放大电路的测试”为例:首先学生进行课前预习，了解本实验的目的和功能，理解音频放大电路的理论知识［14］。其次，指导老师播放“语音机器人音频放大电路的测试”电教视频教程，让学生了解实验过程和电子示波器、电流源等电子仪器的使用方法。最后，学生通过查看并分析音频放大电路，熟悉三极管、电阻、电容等电子元器件在音频放大电路中的作用［15］。此类的实验还有直流电机/步进电机的正转、反转，LED 灯的测试，音频放大电路的测试，单片机的I/O 口测试等。

2.2 基础性实验

例如，通过对数字电子技术的学习，实验者完成对数字集成电路“LCD 显示模块”的电路进行测试，实验选用芯片JHD162DC，通过设置相应端口的电压，可以对显示模块进行简单测试。管脚2、15 连接+5V 电源电压，管脚1、3、16 连接地，通过对相应的管脚置入高低电平，使芯片进行简单工作，此类的实验还有“智能车的行进测试”、“语音模块的测试”［16］。

2.3 组合性实验

在基础实验中，我们对一些实验单元进行了简单的应用。现在，将根据实验需求来对这些实验单元进行组合，设计并完成一个复杂的实验项目。实验者已完成“LCD 显示模块接口电路的测试”、“单片机的I/O测试”等基础实验后，可以将上述实验组合为一个组合型实验，来实现“基于单片机的LCD 模块的显示”。此类项目还有“语音文件的播放控制”、“温度传感器的测温及其LCD 显示”、“直流电机的单片机控制”等。

2.4 创新性设计

在组合性实验的基础上加入一些功能模块，继续完善这个实验项目。例如，“语音型智能机器人”的制作，如加入智能车、音频DAC 及功放电路的设计、温度传感器单元、时钟单元等，增加实验的复杂度。实验要求，①机器人在不同的地点进行测温，然后语音播报;②在①的基础上，实现显示时间显示、闹钟定时等功能;③在②的基础上，要求播放音乐文件及在LCD 上显示播放的语音文件名;④在①的基础上，要求设定一个适宜的温度值区间，如果环境温度值不在这个区间，在整点时用语音提醒。

3 结 语

本研究以调动学生的兴趣、增加学生的实践积极性为目的，设计了模块化综合实验平台。该平台与学生实验结合后可形成一套创新性实验体系，该实验体系分为验证性实验、基础性实验、组合性实验和创新性设计。验证性实验和基础性实验能巩固学生的基础知识，组合性实验和创新性设计则能增加学生的实践经历，提高学生的创新能力。学生还可根据自已的知识积累和实践经验，来选择适合自己的实验项目。本实验平台已经过本专业部分本科生的试用，实践表明，本实验体系对本科生创新能力的培养起到显著的效果。

［1］ 秦刚年，谢华丽，谭 峰，等.构建适应创新型人才培养的实验教学体系［J］.实验室研究与探索，2012，31(1):101-104.

［2］ 王吉岱，李维赞，孙爱琴，等.教育机器人的研制与发展综述［J］.现代制造技术与装备，2007(2):10-12.

［3］ 朱金秀，范新南，朱昌平，等.电气信息类人才培养实践创新能力培养体系［J］.实验室研究与探索，2011，30(10):129-131.

［4］ 吴 洁，何 花，周 波，等.浅谈教育机器人［J］.中国教育技术装备，2006，30(7):14-17.

［5］ 刘晓华，刘宏升，王 正，等.精英人才培养模式下教学实验中心的建设与发展［J］.实验室研究探索，2011，30(10):99-102.

［6］ 梁 伟.地方高校电子类专业实践教学体系的探索［J］. 实验技术与管理，2010，27(12):16-18.

［7］ 高建新.技术基础课实践教学模式改革研究与实践［J］. 实验技术与管理，2011，28(7):233-235.

［8］ 肖海荣，周凤余，宋洪军，等.一种教学机器人控制系统的设计与制作［J］.机电一体化，2006(5):40-42.

［9］ 谢艳招，赵 林，蔡聪育，等.建设教学科研两用型实验室［J］.实验室研究与探索，2012，31(2):175-177.

［10］ 高建新.技术基础课实践教学模式改革研究与实践［J］. 实验技术与管理，2011，28(7):233-235.

［11］ 杨晓燕，钱伟兴，陈 宁.培养创新性人才的实验教学体系与模式研究［J］.实验室研究与探索，2009，28(11):156-158.

［12］ 刘海顺，殷春浩，韩 奎，等.开设创新性物理实验，培养学生创新能力［J］.实验室研究与探索，2004，23(12):8-9.

［13］ 李 文，谢 芸，彭阳红，等. 电子信息类专业实验教学“二三四”模式的探索与实践［J］. 中国科教创新导刊，2008(17):97-99.

［14］ 李全利，仲伟峰，徐 军.单片机原理及应用［M］. 北京:清华大学出版社，2007:77-80.

［15］ 黄 明.TDA2822M 在数字电路中的应用(上)［J］. 电子制作，2001(9):15-16.

［16］ 薛晓玲，刘志群，贾俊荣.单片机接口模块应用于开发实例详解［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010:77-80.