案例-比较式教学在“自动检测技术”课程教学中的应用

鲍玉军，张美凤，胡圣尧，周培培

(常州工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213032)

“自动检测技术”是工科院校测控技术与仪器、自动化、电气工程等相关专业的一门必修专业课，主要讲授有关检测技术理论基础、电气量及过程参数检测和仪表测控系统的基础理论和应用技术，内容涉及电子技术、传统仪表与传感器技术及现代智能仪器技术等多门学科，是培养学生实践动手能力的重要标志性课程[1]。

我们针对应用型本科人才培养的教学需求，在教学过程中围绕应用型课程理念积极探索教学方法。结合课程的培养目标，从实用性与应用性出发，充分考虑检测技术基本理论知识和工业生产中常见参数检测方法的学习[2]，这样不仅使学生切实掌握本课程的学习方法，而且对所学知识点在实际工业生产中的应用有较深刻的体会，最终实现学以致用的教学初衷。

1 案例-比较式教学法

教学过程中，如果学生专业基础不牢，会认为“自动检测技术”课程内容难度大、抽象或者听不懂、不理解，既不知道如何去学，也不清楚这些知识的实用价值。因此在理论课教学环节中，需要通过应用案例设计教学法引导学生以实物设计(研发)的形式完成相应知识点的学习[3]。

课堂教学不仅需要引入多个应用案例，而且需要针对一些难点、重点使用多个案例进行讲解，并对其各自的优缺点进行比较总结，让学生能深刻理解并掌握相关知识点[4]。考虑到实际教学环境，选择的案例难度不能太大，否则会影响教学效果。教师应在课前围绕课堂教学内容选择或设计一些案例。难度适中、应用性强又具有一定代表性、让学生容易接收并能引起共鸣是选择应用案例的准则[5]。

本文针对“自动检测技术”课程中仪表系统设计教学内容，以信号发生器中的方波-三角波模块设计为例，分别从基于分立元件的纯硬件电路设计和基于51单片机的智能装置设计两种不同方法进行讲解，并通过示波器对搭建电路测试及软件仿真的方式分别对设计结果进行分析、比较。选取的这两种设计方法难度适中，比较适合课堂现场教学，其教学方法如图1所示。

两种案例，不仅能使学生回顾所学的电子技术分析理论及单片机应用等知识，而且通过案例教学使学生了解了如何将所学知识进行综合运用，从而真正达到前后贯通、学以致用的教学目的。

2 案例教学过程

2.1 基于分立元件设计的教学

基于分立元件的设计方法是通过使用两级运算放大器分别构成电压比较电路和积分电路，从而产生相应的方波和三角波。方波-三角波产生电路以集成运算放大器LM747为核心，并结合相关电阻、电容等分立元件设计而成，其电路图如图2所示。

图1 以信号发生器设计为例的案例-比较式教学法

图2 方波-三角波产生电路图

在具体分析电路工作原理之前，首先和学生一起了解集成运算放大器LM747的主要性能特点及其引脚功能，为方便学生对照理解，在图2中分别标出了集成运算放大器LM747的引脚号。因为需要在“面包板”上进行实物电路搭建，对电路中依靠直流稳压电源获得-12 V的方法进行了介绍：先将电源调至12 V，然后将稳压电源的“负极端”接LM747的“-12 V”引脚，并将稳压电源的“正极端”接地。

2.2 基于51单片机设计的教学

本文基于学生较为熟悉的51单片机STC89C51及模数转换器件DAC0832实现一种简易函数信号发生器的设计，并使用运算放大器对输出的信号进行放大，从而让学生对方波、三角波等信号的产生有非常直观的了解，其硬件设计框图如图3所示。

图3 基于51单片机设计的简易信号发生器框图

由于在课堂上使用“面包板”搭建图3中的电路比较耗时，可以在Proteus软件中搭建硬件电路并给予仿真运行。由于学生在学习单片机课程时对此已有所接触，图3中的复位电路、键盘输入(输出波形选择即频率设置)以及显示模块等硬件电路仅对学生作大致讲解。图3中波形发生电路属于课堂教学的重点内容，此外，DAC0832的工作方式及其驱动也需要重点进行讲解，其波形发生电路如图4所示。DAC0832的模拟信号输出端外接运算放大器，其最终波形输出接仿真示波器。

图4 函数信号发生电路

3 教学结果分析

图2中与运算放大器A2相连的积分电容C，分别接入1 μF和10 μF的电解电容，通过教学现场的示波器对在“面包板”上搭建的电路输出进行显示。当接入1 μF电容时，其12引脚输出的方波和第10引脚输出的三角波在示波器中的显示分别如图5(a)、(b)所示。

图5 积分电容为1 μF时12和10引脚的波形

如果将积分电容换成10 μF，则运算放大器A2的12引脚输出方波的峰峰值为21.2 V，频率为7.874 Hz；第10引脚输出三角波的峰峰值为2.96 V，频率为7.886 Hz。

现场教学结果表明，其输出的方波和三角波波形的幅度值和频率受可调电阻RP1和RP2的影响，选择不同参数值时会使波形产生微小差异。在相同电路参数值的情况下，分别接入1 μF和10 μF的电解电容时，所产生的信号频率不同，但是幅度值基本相同。对同一种积分电容而言，其产生的方波和三角波的频率基本相同。

对基于51单片机STC89C51设计的信号发生器电路，在课堂教学之前，教师必须精心准备好相关监控程序、液晶显示驱动软件及键盘驱动软件。在课堂上使用Proteus软件搭建完硬件电路后，教师通过软件流程图对相应模块的驱动进行讲解。但对于单片机对DAC0832的驱动代码，即波形产生代码，教师可在课堂现场编辑完成。仿真运行时，通过选择不同按键，在仿真示波器中可获得不同波形输出，并可以实现对波形频率、幅度值的设置，从而给学生最直观的体验。

在完成上述两种不同案例设计之后，教师和学生一起进行总结、对比它们的优缺点。学生普遍觉得第一种实现过程中涉及的各种输出波形分析及参数计算有难度，而对第二种实现方案，学生觉得硬件电路比较简洁，给他们的感觉是一目了然，而且原本由硬件实现的功能通过数条程序语句就可实现，这给学生留下较深刻的印象。对智能检测装置设计中依靠“软、硬件”结合，且“软件可裁剪、移植”的特点，则是学生在本次课程学习中所获得的另一个重要体会[6]。

4 结论

实践证明，在课堂教学中适当引入应用案例能较好地帮助学生理解并掌握知识点。但考虑到工科专业的特点，在课堂教学中引入应用案例必然涉及到相关实验仪器、装置，而目前国内众多工科院校的教学仍是以“课堂理论教学+实验室实验教学”模式为主，还尚未具备在实验室中开展日常理论课小班教学的条件。因此，教师在开展“自动检测技术”等相关专业课程教学中，涉及到较复杂的应用设计内容时可更多地依靠仿真软件，同时可结合相关网络视频、微课等内容进行补充教学，以尽可能达到最佳教学效果。