关于高等教育理论课堂教学设备的开发与应用

随着我国高等教育事业的发展，教学形式有所发展，教学条件有所改善，多媒体教学在大学理论课讲授过程中占有很大的比例，部分取代了纯板书式的传统教授形式。但是，无论是哪种形式的教学，实物展示在学习过程中能够让学生们对所学的概念、原理及应用有着极为深刻的印象。为此，课堂教学设备的开发与应用显得尤为重要。例如，安全检测技术课程主要介绍安全检测系统的构成，各类传感器的原理、性能及使用。这些方面的学习，教师借助多媒体展示原理图和实物图均很难使学生形成翔实而立体的教学效果。为此，本文基于对安全检测技术的理论教学过程中，开展相关理论课题教学设备的开发与应用研究。
一、课题教学设备开发的意义
以安全检测中温度检测为例，这一章节主要介绍工业中常使用的温度传感器及其相应的测量原理。通过对温度检测系统组件教学设备的开发，首先，可以让学生们认识到温度检测系统是哪几部分组成，并可现场对此系统拆解，分别讲解每一部分的形态及功能；其次，通过该设备可以实现教学现场的温度采集；再次，通过设备的时间条件控制实现不同的采集频率；后，将现场采集到的数据进行现场编辑和处理，终实现基于课堂现场的温度检测与分析。此设备可涉及安全检测技术的传感器基本构成、工作原理、温度检测原理、数据采集与处理等诸多重要知识点。为此，课堂教学设备的开发可使教学环节更加丰富有趣，弥补传统教学中的一些从理论到应用的课堂转化，为理论教学过程增加更多可操作环节，使学生们在课堂上能够更好地学以致用。
二、温度检测教学设备的设计
温度传感器在医疗、农业、工业、生活等领域有着越来越广泛的应用。作为教学设备的开发，温度传感器还不是很多，由于传统工业使用的温度传感器价格较高、体积较大、不便于携带、需要提供电源、需要配合专业的数据采集系统等特点，此类传感器大多停留在大学的实验室内，而无法走到理论教学现场。随着微电子技术的高速发展，设计人员可将各种数字电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片等集成为数字温度传感器，使其性价比大幅提升。集成化兼智能化的传感系统的关键技术有两个方面：一个是集成电路规模化技术，一个是微机加工技术。在此系统中的敏感元件是以硅为基本材料制作的，同样用于信号调理的电路部分和微处理部分也是基于这种材料，后利用微机加工技术把系统的各个部分集成在一块微小的芯片上，这就构成了人们常说的集成智能传感器（IntegratedSmartSensor）本设计采用的是ADT7410是一款13位集成式数字温度传感器芯片，其外围电路采用PCB（PrintcircuitBoard）进行设计，基于此设计进行印刷电路板的制作、使用C++语言程序开发温度检测教学设备的用户界面程序，实现对教学现场采集的温度数据的保存和输出。
三、温度检测教学设备结构与组成
温度检测教学设备由硬件模块和软件模块两部分构成。硬件模块主要由ADT7410数字温度传感芯片、USB转IIC接口，数据传输总线、外围电路构成（如图1所示）。其中外围电路由三种器件分别由电阻、电容和排针构成（如图2所示），其中4.7k的电阻有4个，0.1μF的电容1个，四线排针1个。软件模块是由初始化模块、传感器连接检测模块、温度显示模块构成。

 

图1　安全检测教学设备Ⅰ—温度检测仪

注：① ADT7410 数字温度传感芯片；② USB 转IIC 接口；③数据传输总线；④外围电路

图2　温度检测仪电路板

注：① 4.7k 电阻；②四线排针；③芯片；④ 0.1μF 电容

1.硬件模块功能介绍
数字温度传感芯片（ADT7410）功能介绍。ADT7410是一款13位数字温度传感器，额定工作温度范围为-55℃～+150℃，*可以满足室内温度数据采集的需求。ADT7410芯片内部总共拥有14个具有不同参数的8位宽寄存器，用于存放测量的温度值由温度值高和低有效字节、THIGH设定点的高和低有效字节、TLOW设定点高和低有效字节、TCRIT设定点高和低有效字节、THYSTS设定点组成的9个寄存器，状态值存储在1个8位宽的寄存器；配置值存储在1个8位宽寄存器；地址指针存储在1个8位宽寄存器；软件复位值存储在1个8位宽寄存器。
这个芯片总共使用了8个引脚，分别是1个IIC串行时钟输入引脚，1个IIC串行数据输入和输出功能引脚，2个IIC串行总线地址选择功能引脚，1个过温功能或欠温功能指示器引脚，1个临界过温指示器逻辑输出引脚，1个模拟接地或数字接地功能引脚，1个2.7V-5.5V的电源电压功能引脚。
2.USB转IIC接口功能介绍
IIC总线是PHILIPS公司推出的一款的串行总线，具备多主机系统所具有的总线裁决功能，同时还具备高低速器件的同步功能。这种总线标准在微电子技术领域、工业生产监测监控及通讯控制诸多领域已经都具有非常广泛的应用。
IIC总线仅有1根双向制的数据信号线和1根双向时钟信号线。此总线技术具有很多优点，首先简化了很多日常的工作系统中关于硬件设计部分的工作，其次使工作系统的外观体积大大减小，还对系统整体的可靠性有了很大的提高。
USB转IIC接口是一个的接口型芯片，主要实现USB总线与IIC总线转换的功能。产品用户可以通过此芯片实现PC机和IIC接口温度传感器之间的数据传输通信。此芯片可以使用VB语言、VC语言、Delphi语言开发和调用。芯片使用全速USBV2.0设备接口，芯片的外围电路的基本器件只包含1个12M晶体和2个贴片电容，可实现20KHZ、100KHz、400KHz、750KHz四种不同速度的时钟传播。
3.数据传输线的功能介绍（杜邦线）
本设计采用的数据传输线又称杜邦线，是由杜邦公司生产的一种专业数据传输线。这种线所使用的外表面包裹材料以PET为主，也有部分使用其他缘性材料，其内包线采用的是表面经过镀锡处理的扁平铜线。此线缆质地具有柔性特点，可对其进行任意弯曲、体积小，可屏蔽电磁波干扰等优点。它被广泛应用于工业中的器件与主板之间的连接、电路板与电路板之间的连接及系统器件之间的连接方面。此类传输线非常广泛地应用于单片机、组件、电器及通信设备中。
四、用户界面程序的设计
本文采用的是C++程序语言开发的温度检测用户界面程序，主要实现温度的数据采集、记录和显示功能，其工作界面如图3所示。

图3　温度检测程序用户界面
1.初始化模块的设计：主要功能为连接器件的初始化、工作参数的初始化和保存文件的初始化；
2.传感器连接检测模块设计：主要功能是检测传感器硬件连接是否成功，此处通过蓝色指示灯进行提示，程序模块上会显示“设备连接正常”。
3.温度显示模块设计：包括器件参数的图示功，器件参数的计算功能，期间参数的保存功能，器件系数的显示功能。
五、温度检测模型在理论教学中的应用
理论教学的应用对象为安全检测技术课程的理论教学地点，为某多媒体教室，教室内由将桌、暖气、多媒体工作台、学生课桌、投影仪等组成。在教室内共选择６个测点，1号测点位于投影仪工作台，其余5个测点分别均匀分布在教室各个课桌上。此测试方案主要用于测量教室整体平均温度和不同测点的温度差。
通过对此多媒体教室在某天的三个时间段进行的温度检测，其具体数据如下表所示，各个测定的温度变化趋势如图4所示。

多媒体教室5 测点不同时间的温度检测数据

图4　多媒体教室5 个测点不同时间的温度趋势
六、结束语
本研究通过对安全检测技术理论课堂教学设备的开发与应用，丰富这门课程的理论教学内容，以此教师在教学课堂上很好地实现对理论的应用转化，课堂教学氛围更加充满趣味性，提高学生对理论学习部分的理解能力。随着学校后续对课堂教学设备的开发，能使其在教学过程中更加系统化，从而为高等教育理论课堂教学增添新的活力和趣味，更好地培养大学生的创新能力。