《智能仪器》课程教学模式的探索研究

洪树亮，程丽娟，潘江如

（新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023）

0 引言

智能仪器是测控技术与仪器专业本科生必修的专业课，是全国高等学校仪器仪表类专业开设的主干课之一。随着微型计算机及微电子技术在测试领域中的广泛应用，仪器仪表在测量原理、准确度、灵敏度、可靠性、多种功能及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，逐步形成了完全突破传统概念的新一代仪器——智能仪器。在信息技术的高速发展和人工智能应用的推动下，智能仪器必将有更大的进展。因此，学习智能仪器的工作原理、掌握新技术和设计方法无疑是十分重要的[1]。

1 智能仪器教学现状

（1）采用传统的课堂教学模式，缺少实践能力的培养，通过课程的学习，学生并没有真正掌握电子产品的设计方法，只是对电子产品综合设计概念有所了解，学生的潜力没有得到充分的开发，学生能力培养的目的没有达到，造成了教师教学和学生学习的浪费。（2）实验教学采用传统的MCS-51单片机，随着微电子技术的快速发展，单片机的功能集成越来越丰富，而MCS-51单片机进行电子产品设计时需要大量的外围电路，硬件电路设计缺乏集成度，从而造成智能仪器硬件系统设计的难度，降低了系统设计的效率，影响了智能仪器系统运行的精度[2]。（3）课堂+实验教学模式无法进行深入的实验研究，另外实验课时的有限，以及实验教学只是简单的将单片机的引脚进行连接，无法进行硬件电路设计能力的训练。

2 智能仪器课程教学改革

针对智能仪器课程实践性强、采用微处理器老旧的特点，有必要进行智能仪器课程教学改革，具体如下：

（1）微处理器采用STC15W4K32S4单片机，是STC宏晶公司最新推出的一款单时钟（1T）的新一代单片机，具有高速、高可靠性、宽电压、低功耗特点，具有超强抗干扰能力，相比传统的MCS-51单片机，内部集成的资源更加丰富，实用性和性价比更高。

（2）结合Proteus8.9硬件仿真平台，Proteus硬件仿真平台在8.9版本上集成了STC15W4K32S4单片机模块，极大的方便了基于STC15W4K32S4单片机电子产品设计的教学和科研工作。本文以实际案例为主线，利用Proteus8.9和Keil完成电子产品综合设计的硬件开发和软件开发工作，降低教学成本，提高教学质量。将Proteus仿真软件引入到智能仪器课程教学当中，使教学与仿真技术相结合，学生通过自己设计系统电路图，很直观的将电路图和仿真运行画面展现在学生面前，增加了学生学习智能仪器课程的兴趣，提高了学生对系统原理的理解，同时提升了学生学习的效率和教师教学的效果[3]。

（3）采用项目式教学，将课程从传统的讲授型教学模式为主，转变为知识的应用型教学模式为主，把学生传统的被动学习，转变为学生主动学习。坚持在“学”中“做”，在“做”中“学”，将极大的提升对单片机、智能仪器课程的兴趣，增强学生的成就感与自豪感。

（4）注重过程性考核，促进学生的发展。传统教学模式考核方式主要采用期末考试的方式，对于智能仪器课程来说，期末考试只能考查学生基本概念和基本理论知识，无法做到对学生智能仪器产品设计能力的考核。加强学生过程性考核的同时对教师的教学能力有了新的更高的要求，教师要了解智能仪器最新的学科前沿，本身要具备很强的动手能力，对智能仪器包含的所有项目能独立完成，这样才能解决学生在学习过程当中遇到的各种问题。每个案例有其对应的评分细则，真正的做到对学生综合设计能力的考核，不断完善学生的评价考核机制，注重学生应用型能力的培养、激发学生的学习积极性和自信心[4]。

3 教学设计思路

以项目任务为主线，将项目分解为若干知识点，设置评分细则，学生完成项目，教师进行项目过程性考核，形成过程性考核依据，作为学生最终成绩的一部分，本文以智能数字电压表设计为例来介绍项目式教学设计思路，具体如下[5]：

3.1 项目任务书下达

教师通过学习通平台下发项目任务以及项目相关的基础知识，比如用STC15W4K32S4单片机设计一个数字电压表，测量范围0～999V，测量精度10mV，显示精度0.01V。学生领取到任务之后进行资料的查阅，这样可以提高学生自主学习的能力和学习的主动性。

3.2 任务分析

教师利用学习通平台问卷调查的形式了解学生对相关基础知识的掌握的情况，比如智能数字电压表的结构、功能以及基本原理。教师重点讲解智能数字电压表设计流程，主要包括设计方案的选择、硬件电路设计、软件设计以及系统调试。

（1）设计方案。分辨率的选择：根据数字电压表设计要求，把测量范围0～999V划分为四档，即5V、50V、500V、1000V。使用基准源5V的A/D转换器采样测量输入电压。因为精度为10mV，基本测量范围是0～5V，则输入A/D转换器的最大测量值为5V，理论计算5V/10mV，故至少需要选用分辨率有500个量化等级的A/D转换器，即至少选用分辨率为9位A/D进行采样测量。STC15W4K32S4单片机内部含有包含有10位A/D转换器，能够满足此测量要求。

（2）硬件电路设计。采用STC15W4K32S4单片机作为智能数字电压表的控制器，LCD1602作为智能数字电压表的显示部件，SW切换开关选择量程，原理图如图1所示。

图1 智能数字电压表原理图

（3）软件设计。系统主要完成A/D采样、数据处理、数据显示等功能，利用Keil进行软件程序的设计，程序设计如图2所示，数据处理算法主要解决标度变换的问题，利用标度变换表达式：

图2 智能仪器软件设计

因此，只要采样到数字量B，利用上面的公示，就能运算处理得出当前的被测电压。

（4）数据处理。智能仪器具有传统仪器不具备的数据处理功能，对检测到的数据进行数据处理，得到智能仪器的最佳值，极大地减轻了人工测量和计算的工作，提高了工作效率。

智能仪器测量的误差处理，无论什么测量，都会有误差的产生，对于智能仪器来说，最大的优势就是利用自身微处理器的数据处理功能减小测量误差，提高系统的测量精度。

数字电压表的设计主要进行随机误差处理和粗大误差处理，当干扰信号叠加到待测量信号上后，使得检测值偏离真实值，导致同一信号多次测量的额结果互不相同，这时产生的测量误差称为“随机误差”。常用随机误差处理的办法是采集多次多次测量结果求平均值，即：

（5）可靠性设计。理论上智能仪器可以正常运行，但在实际中，受到外界各种干扰因素，智能仪器的硬件系统有可能会出现故障或性能出现变化，这些情况的存在使得系统运行不可靠。

智能数字电压表自身带微处理器，主要采用数字滤波算法，消除外界的随机干扰。所谓的数字滤波算法就是指从原始数据中提取逼近真值数据的软件算法，常用的数字滤波算法有程序判断滤波、中指滤波、算术平均滤波、去极致平均滤波、移动平均滤波、加权平均滤波、低通滤波。每种数字滤波算法所具有的特点和使用场合不同。智能数字电压表可以采用中值滤波、算术平均滤波、去极致平均滤波以及加权平均滤波进行随机干扰的消除[6]。

3.3 项目实施

项目实施主要训练学生动手能力，学生将所学知识应用到实践当中，能做到真正的将知识消化吸收，学生利用Proteus8.9和Keil软件进行硬件电路设计和软件设计，教师对学生在项目实施过程中遇到的问题进行答疑。

（1）硬件设计。学生利用Proteus8.9进行智能仪器硬件电路的设计，Proteus8.9硬件仿真平台虽不是实物设计，但相比较实验室设备只是单纯的进行引脚连线，学生利用Proteus8.9硬件仿真平台能更好的掌握和理解硬件电路的设计，从而节约了实验成本，真正的提高了实验效果。系统硬件设计是智能仪器关键任务之一，针对微处理器外围电路的设计，主要考核学生对前期学过的电路理论、模拟电子技术以及数字电子技术相关知识的考核，其中涉及到系统可靠性设计，为智能仪器产品设计打下良好的基础[7]。

（2）软件设计。软件设计之前，硬件系统设计方案已确定，并完成了硬件电路的设计。软件设计是智能仪器另一重要组成部分，软件设计就是将各个功能模块合理地组织到主程序和各个中断子程序中去。因所有的软件设计模块都在一定程度上与硬件电路有关，对应不同的硬件系统采用的软件设计方法不同。

软件系统设计的前提是完成系统所有预期实现的功能，功能模块主要完成A/D采样、数据处理、数据显示等功能。因此软件一般包括自检模块、初始化模块、A/D采集模块、数据处理模块、输出显示模块。软件设计的大概的层次结构包括：主程序、中断程序、A/D采样程序、显示程序。

3.4 项目考核

为了真正体现以学生为主体，以学生的学来评价教师的教，根据项目式教学的特点，加强过程性考核，提升学生知识的应用型能力，进一步完善考核评价体系，克服传统考核方式的弊端，充分发挥过程性考核的优势，考核评分细则如表1所示。

表1 考核评定标准表

3.5 项目评价

教师对学生项目实施进行过程性考核完成之后，对学生项目实施的过程进行总结性评价，将学生在项目实施过程当中出现的共性的问题进行分析和解答，以及对学生项目实施的情况进行点评。

4 结论

智能仪器课程具有很强实践性的特点，采用项目式教学提升学生学习主动性和学习热情,尤其要建立与理论教学相对应的实践教学内容。学生通过项目任务分析、系统硬件设计、系统软件设计以及设计文档的编写，真正意义上掌握了智能仪器和课程所涵盖的内容和智能仪器仪表产品开发的流程。在实践中开发学生的潜力,取得了很好的教学效果。