以培养创新型人才为导向的开放实验的探索

陈姝雨+吴传平+刘泽军+王彦婷

摘要：以开放实验为平台，为学生提供发挥主观能动性和创造性的空间，从而进一步培养创新型人才。本文以题为“基于myDAQ的光电特雷门琴的设计与实现”开放实验为例，从系统的设计、实施到调试验收等方面逐步引导学生利用现代检测和虚拟技术实现一个较为完整的创新项目，培养学生自主设计电路、构建系统平台并通过测试得出结论的能力。教学实践证明，学生参与的热情很高，创新思维得到锻炼，并且教学效果良好。

关键词：开放实验；myDAQ；特雷门琴；检测技术；LabVIEW

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）39-0272-03

习近平总书记在“科技三会”上的重要讲话指出，要把科技创新摆在更加重要位置，弘扬创新精神，培育符合创新发展要求的人才队伍[1]。高等院校肩负着培养学生创新精神和培育创新型人才的使命。开放实验是创新教育的重要环节之一，它的建立使实验教学资源得到了充分的利用，充实和开拓了实验教学内容，为学生提供了一个自主探索研究的机会，对于学生创新思维和实践能力的培养极为重要[2-3]。

本文以一个较为新颖的开放实验为例，介绍了从系统的设计要求、设计方案到调试验收等方面的完整学习过程，学生通过实验得到了极大的锻炼，反馈良好。

一、系统设计任务与要求

特雷门琴是世界第一件电子乐器，也是迄今为止唯一一种不需要身体接触的电子乐器。它是由物理学家利夫·特尔门（Lev Termen）教授于1919年发明的。

特雷门琴上有两根天线，一根圆形天线和一根垂直的天线，演奏者通过改变双手在天线上方的位置进行弹奏。圆形天线用来调节音量，垂直的天线用来调节音高[4]。本项目采用虚实结合的方法，调动学生的创新思维，设计一个独特的光电特雷门琴。

（一）系统设计任务

总体任务：使用光电传感器和虚拟仪器myDAQ设计一个能发出独特声音的光电特雷门琴，通过双手的移动来控制声音的音量和音高。具体内容为：（1）根据原理图设计实验电路，确定各元器件的类型及参数，实现对手位置变化的检测；（2）采用LabVIEW编写程序，设计光电特雷门琴的人机界面，实现对声音的监控；（3）通过myDAQ实现硬件电路与人机界面的通信，并播放出声音。

（二）实验过程及要求

（1）学习利用光电传感器测量手的相对位置的方法；（2）选择光电传感器，根据传感器类型确定放大器类型和电阻元件参数，实现光电信号的转换及放大；（3）搭建两个实验电路，分别实现对声音的音量和音高的控制；（4）学习myDAQ的基本操作方法，对检测到的电信号进行采集，并将结果输入到电脑中；（5）学习LabVIEW图形化编程语言，将采集的电信号转换成有旋律的声音信号，并编写光电特雷门琴的人机界面，实现音量和音高的显示，以及音调的选择；（6）通过myDAQ将声音信号输出到播放器中，完成声音的播放；（7）完善界面功能，提高光电特雷门琴的稳定性，满足不同环境下光电特雷门琴的使用；（8）撰写设计总结报告，并通过分组讨论，学习交流不同方案的特点。

二、系统设计原理及实施方案

（一）系统总体设计思想

特雷门琴可以分解为两个部分，一部分为感应手的位置变化的天线；另一部分为发出声音的琴体。对于天线部分，首先利用光電传感器检测手位置的变化，并将该变化转换为电信号；然后通过放大电路进行信号的放大；最后使用虚拟仪器myDAQ采集该信号。对于琴体部分，通过LabVIEW编写程序完成电信号到声音信号的转换，由myDAQ将声音同步播放出来。系统总体结构图如图1所示。

（二）系统实施方案

1.信号的检测和放大。信号的检测和放大是由如图2所示实验电路实现的，利用光电二极管的反向特性以及反向比例放大器实现光电信号的转换及放大[5]。

光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，是由一个PN结组成的半导体器件，具有单方向导电特性。它是在反向电压作用下工作的，光的变化引起光电二极管电流变化，从而把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。光的强度越大，反向电流也越大。

根据电路图可以得出输出电压的表达式为：

Vout=-iRf

i是光电二极管的反向电流，Rf为反馈电阻。

通过手在光电二极管上方移动引起光的变化，从而使运放的输出电压Vout发生变化。当手完全覆盖光电二极管时，输出电压Vout最小，最小电压Vmin为运算放大器将暗电流转换成的偏移电压；当手远离光电二极管时，输出电压Vout最大，最大电压Vmax由光电二极管的敏感度以及当其裸露时的光线来决定。实验中需要搭建两个实验电路，分别用来产生声音的音量信号和音高信号。

2.信号的采集和输出。信号的采集和输出都是由NI myDAQ来实现的。myDAQ适用于电子设备和传感器测量。通过USB总线与计算机通信，再和计算机上的LabVIEW配合，便可分析和处理获取的数据并可随时随地控制简单的进程[8]。

采集信号时，将两个实验电路中运放的输出端分别与myDAQ20位螺栓端子中的AI 0+和AI 1+连接，AI 0-和AI 1-接模拟地即可。运放所需+15 V/–15 V电源也由myDAQ提供。

对于信号的输出，直接将音频输出接口AUDIO OUT端与音响设备相连，即可实现声音的播放[9]。

3.信号的转换。声音是一种波，它的两个主要特性就是幅值和频率，幅值即为声音的音量，频率即为声音的音高，频率在20 Hz～20 kHz之间是可以被人耳识别的。

音量的转换。myDAQ采集到的两个信号为幅值在Vmin至Vmax间的电压信号，实验所用音频设备的最大振幅是1Vpp，所以转换后的音量信号应为0-1V，即将Vmin-Vmax的电压信号转换为0-1V的连续信号。endprint

音高的转换。进行音高信号的转换时，需要用到音阶与频率的关系相关知识，下面通过钢琴键盘上中央C（C0）开始到C1的一个八度为例进行介绍。

在音乐理论中，把一组音按音调高低的顺序依次排列起来就形成音阶，也就是人们熟知的do、re、mi、fa、so、la、ti和do。C大调的七个主音do-ti对应的琴键为白色键C-D-E-F-G-A-B。从do（C0）到高音do（C1）到即为一个八度，包含白色和黑色琴键共12个，每个琴键用其所对应的“调”标注[6]。两个相邻琴键之间相差一个半音，两个半音距离构成一个全音，一个八度区有12个半音。从图中可以看出，只有主音mi和fa以及ti和do之间相差半音，其余主音之间相差一个全音，其他调也如此。

频率从C0到C1升一个八度乘与2，降一个八度频率除以2，两个相邻半音的频率比是2开12次方，约为1.05946。中央C的频率为261.63 Hz，国际标准音高A的频率为440Hz。综上，结合调与音阶相关理论知识，以及和频率的关系[7]可以得到各个调的各主音和频率的关系。

音高信号的转换，是将Vmin—Vmax连续的值转换成离散的频率值，并且这些频率和要演奏的调和音的个数N有关，比如想演奏do音到so音，那么N=5；想演奏一个八度的音乐，那么N=8。

三、系统调试与验收

系统调试部分，是真正考验学生的知识综合运用能力和动手能力的环节。通过实物验收和质量评价等方面能够看出学生硬件组装和软件编程能力是否过硬，以及自主创新的发挥。并且要求学生撰写实验报告对所做工作进行总结。

选取学生作品如图4所示，人机界面左边是顯示区，显示声音的音调和音量，右边是控制区。首先，为了使特雷门琴能适应不同的环境，要根据实际测量的“检测值”调整滑块的最大值和最小值来确定Vmin和Vmax，以免出现高音上不去低音下不来的情况；然后，选择想要弹奏的调（C、C#/D、…、B），程序中设定了弹奏的范围为do-so这5个主音，即N=5；最后，点击开始按钮，就可以通过移动双手进行弹奏了。

四、结束语

开放实验的实行为培养创新型人才提供了土壤，开放实验的研究和探索是一个持续的过程，在今后的实验教学中，不仅要强调实验形式的开放，更要重视教师创新的带头作用，从而引导学生创新。同时，还要加强网络化和智能化管理的建设，最终形成一套科学、完善的教育培养模式。

参考文献：

[1]新华网.习近平：为建设世界科技强国而奋斗[DB/OL].

http：//news.xinhuanet.com/politics/2016-05/31/c_1118965161.htm，2016-05-31.

[2]汪东风，林洪，徐玮等.在本科生中开设创新实验的若干做法[J].实验技术与管理，2008，25（12）：21-23.

[3]张爱英.认真实施开放实验，努力提高学生综合素质[J].实验技术与管理，2004，21（2）：5-8.

[4]百度百科.特雷门琴[DB/OL].http：//baike.baidu.com/ link？url=8aFHZFE3aO815nI0o2gvygv-Qca-dG3rh87-lBs2jkF7A1b9wXF1nmLH2BZoSVUrMJBZoSVUrMJlzQlTK4JkcK，2008-07-11.

[5]周玉蛟，任侃，钱惟贤，等.基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析[J].红外与激光工程，2016，45（1）：0117003-1-6.

[6]李金华.调、调式和调性概念辨析[J].黄钟，2006，（1）：24-29.

[7]刘金亮.基于FPGA的音阶识别系统的设计与实现[D].吉林大学，2013.

[8]刘蕴红，杨君宝.基于myDAQ的远程多对象控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（19）：102-108.

[9]李甫成.基于项目的工程创新学习入门—使用LabVIEW和myDAQ[M].北京：清华大学出版社，2014.endprint