在電子實(shí)習(xí)中引入紅外線心率計(jì)教學(xué)實(shí)踐

朱朝霞 唐建祥 詹 雯

中國(guó)計(jì)量學(xué)院 浙江杭州 310018

在電子實(shí)習(xí)中引入紅外線心率計(jì)教學(xué)實(shí)踐

朱朝霞 唐建祥 詹 雯

中國(guó)計(jì)量學(xué)院 浙江杭州 310018

結(jié)合電子實(shí)習(xí)教學(xué)及培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的要求，引入紅外線心率計(jì)作為電子實(shí)習(xí)制作產(chǎn)品，并介紹了紅外線心率計(jì)的實(shí)踐教學(xué)流程、教學(xué)思路及達(dá)到的教學(xué)效果。

電子實(shí)習(xí)；紅外線心率計(jì)；實(shí)踐教學(xué)

電子實(shí)習(xí)是我校工科專業(yè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)校每年都安排60個(gè)班左右學(xué)生到工程訓(xùn)練中心參加電子實(shí)習(xí)。通過電子實(shí)習(xí)，使不同專業(yè)學(xué)生初步獲得電子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的基本知識(shí)和基本操作技能，為電子技術(shù)基礎(chǔ)課及專業(yè)課程學(xué)習(xí)建立初步的感性認(rèn)識(shí)并提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力即具備：1.手工焊接及常用電子儀器操作技能；2.常用元器件的識(shí)別、測(cè)試、選用能力；3.電子產(chǎn)品裝配、調(diào)試能力；4.印刷線路板設(shè)計(jì)制作能力；5.電路讀圖能力并利用電路知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力；6.電子產(chǎn)品檢驗(yàn)?zāi)芰Γ?.編寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告能力；8.初步具備設(shè)計(jì)、開發(fā)電子產(chǎn)品的能力。

為了達(dá)到上述實(shí)踐教學(xué)目的，需要選擇合適的電子實(shí)習(xí)產(chǎn)品，使學(xué)生從產(chǎn)品制作中了解盡可能多的電子相關(guān)知識(shí)。而選擇合適的電子產(chǎn)品具備以下條件：1.趣味性較強(qiáng)，能引起學(xué)生的制作及學(xué)習(xí)電路知識(shí)的興趣；2.綜合性較強(qiáng)，電路能夠涵蓋常用的模擬電路、數(shù)字電路，或以單片機(jī)作為控制核心，且硬件內(nèi)容應(yīng)多于軟件內(nèi)容；3.具備一定數(shù)量的電子元器件作為焊接技術(shù)及裝配、調(diào)試實(shí)踐，并且能夠涉及更多的技術(shù)領(lǐng)域。這樣既能鍛煉學(xué)生硬件電路裝配調(diào)試能力，又能鍛煉學(xué)生軟件編程技巧、芯片開發(fā)能力，提高學(xué)生系統(tǒng)級(jí)電路的設(shè)計(jì)水平。

而通常電子實(shí)習(xí)產(chǎn)品采用購(gòu)買配套的元件和電路板裝配,更多注重產(chǎn)品的焊接、裝配過程而不重視產(chǎn)品的調(diào)試和檢驗(yàn),忽略對(duì)相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的了解,特別在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)能力上缺乏鍛煉。因此選擇合適的實(shí)習(xí)制作產(chǎn)品就成為提高電子實(shí)習(xí)教學(xué)效果的關(guān)鍵。

我們?cè)趯W(xué)生的電子實(shí)習(xí)中引入紅外線心率計(jì)作為制作產(chǎn)品，該產(chǎn)品涵蓋知識(shí)面較廣，可焊接的元器件較多,可以充分鍛煉學(xué)生的操作技能，掌握電子產(chǎn)品基本制作工藝流程及印刷線路板的設(shè)計(jì)制作能力，了解產(chǎn)品測(cè)試的流程和方法,掌握常見模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)控制電路運(yùn)用等。

一、紅外線心率計(jì)產(chǎn)品簡(jiǎn)介

紅外線心率計(jì)依靠光電傳感器把人體的血液脈動(dòng)(心率)信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，并通過放大、濾波、整形電路把反映心率脈動(dòng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，最后通過計(jì)數(shù)譯碼、驅(qū)動(dòng)顯示電路把人體每分鐘心跳次數(shù)顯示出來(lái)，該產(chǎn)品電路原理框圖如圖1所示。圖1中虛線框內(nèi)電路既可采用常用數(shù)字計(jì)數(shù)、譯碼集成電路，又可采用單片機(jī)進(jìn)行控制。

該產(chǎn)品趣味性較濃，產(chǎn)品制作完成后，只要把食指壓在光電傳感器上，數(shù)碼管就能直觀地顯示出每分鐘心跳次數(shù)，可引發(fā)學(xué)生對(duì)電路知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。并給學(xué)生留有獨(dú)立思考和創(chuàng)新的思路，即采用什么電路把人體心率脈動(dòng)變成電信號(hào)、通過什么電路把心率的次數(shù)計(jì)錄下來(lái)并能顯示出來(lái)等。

圖1 紅外心率計(jì)電路原理框圖

二、紅外線心率計(jì)教學(xué)實(shí)踐

我們首先對(duì)參加電子實(shí)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行基本技能培訓(xùn)如安全用電知識(shí)、手工焊接及常用電子儀器操作規(guī)范、常用元器件的識(shí)別與測(cè)試、SMT實(shí)習(xí)(讓學(xué)生用SMT設(shè)備完成FM自動(dòng)調(diào)諧收音機(jī)制作)后,再進(jìn)入紅外線心率計(jì)的制作環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)的主要教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，全面運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決實(shí)際問題的能力及初步具備設(shè)計(jì)、開發(fā)電子產(chǎn)品的能力。

由于我校參加電子實(shí)習(xí)的為大二、大三學(xué)生，對(duì)大二學(xué)生，由于沒有學(xué)過單片機(jī)方面的知識(shí)，制作產(chǎn)品選擇偏向由數(shù)字和模擬電路構(gòu)成的紅外線心率計(jì)，但也可選擇基于單片機(jī)控制的紅外線心率計(jì)。如選擇基于單片機(jī)控制的紅外線心率計(jì)，在制作時(shí)則偏重硬件電路的制作與調(diào)試，程序由教師提供，如學(xué)生有興趣，等大三學(xué)過單片機(jī)編程之后利用開放時(shí)間再來(lái)中心進(jìn)行編程實(shí)訓(xùn)。對(duì)大三學(xué)生，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生雖已學(xué)過單片機(jī)編程知識(shí)，但由于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課主要是對(duì)仿真器的熟悉、匯編指令的使用及部分外設(shè)的簡(jiǎn)單編程，課程結(jié)束后，學(xué)生對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、芯片選擇及軟硬件綜合調(diào)試仍無(wú)法深刻理解，因此選擇基于單片機(jī)控制的紅外線心率計(jì)作為學(xué)生制作產(chǎn)品。我們?cè)诰W(wǎng)上給出由模擬集成電路和數(shù)字集成電路構(gòu)成的電路原理圖，學(xué)生可借助已學(xué)過的電路知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)資源等,完成基于單片機(jī)的紅外線心率測(cè)試儀硬件電路的設(shè)計(jì)、印刷線路板(PCB)設(shè)計(jì)制作、產(chǎn)品安裝調(diào)試、編程、原理分析等工作,掌握基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及電子產(chǎn)品生產(chǎn)基本操作技能。

1.紅外線心率計(jì)制作教學(xué)流程

在紅外線心率計(jì)產(chǎn)品制作前，先讓學(xué)生對(duì)產(chǎn)品電路原理進(jìn)行預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)后指導(dǎo)教師對(duì)產(chǎn)品的工作流程進(jìn)行介紹，并播放產(chǎn)品工作的錄像，讓學(xué)生對(duì)產(chǎn)品工作性能有一個(gè)大致的了解后，完成電路部分元件參數(shù)的設(shè)計(jì)，如二階RC濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)、放大電路放大倍數(shù)設(shè)計(jì)等，然后開始電路的制作。紅外線心率計(jì)制作的教學(xué)流程如圖2所示。

圖2 紅外線心率計(jì)制作的教學(xué)流程

⑴PCB的設(shè)計(jì)制作

PCB的設(shè)計(jì)采用Protel 99 SE軟件,學(xué)生可利用Protel 99 SE完成電原理圖的繪制、PCB板的設(shè)計(jì)等。電路元器件即可選擇通孔的，也可選擇片狀的,對(duì)封裝庫(kù)內(nèi)末提供封裝的元器件，如3位共陽(yáng)極數(shù)碼管,要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)封裝。印刷電路板設(shè)計(jì)完成后,用印刷線路板快速制作系統(tǒng)或雕刻機(jī),完成PCB板的制作。

⑵產(chǎn)品制作采取分塊安裝、調(diào)試的原則

由于紅外線心率計(jì)電路比較復(fù)雜，涉及元器件較多，如果讓學(xué)生把全部元器件安裝完成后再進(jìn)行調(diào)試，可能會(huì)產(chǎn)生較多的問題，指導(dǎo)教師輔導(dǎo)工作量也較大。因此我們采用分塊安裝、調(diào)試方法，即把整機(jī)電路分成幾個(gè)功能塊即電源變換電路，光電轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)放大、濾波、整形電路，計(jì)數(shù)譯碼(或單片機(jī)控制)、驅(qū)動(dòng)顯示電路等。指導(dǎo)教師首先對(duì)功能塊原理及調(diào)試步驟進(jìn)行介紹，并播放調(diào)試操作錄像，然后讓學(xué)生安裝、調(diào)試該功能塊，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)波形，完成后才能領(lǐng)取下一功能塊電路元器件，電路全部完成后再對(duì)整機(jī)電路進(jìn)行總調(diào)試。

⑶采用Keil C51軟件實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于制作基于單片機(jī)的紅外線心率計(jì)的學(xué)生，可根據(jù)自己的編程水平，選擇C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)，要求交替顯示學(xué)號(hào)及心率測(cè)量的次數(shù)。

⑷電路的總調(diào)試

電路板全部功能模塊安裝調(diào)試完成后,進(jìn)行硬件電路及程序的總調(diào)試,完成系統(tǒng)功能,測(cè)量心跳次數(shù)/分。

⑸實(shí)習(xí)產(chǎn)品驗(yàn)收

學(xué)生完成項(xiàng)目的制作并經(jīng)驗(yàn)收后，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生產(chǎn)品電路板布局、制作工藝、創(chuàng)新性以及實(shí)訓(xùn)報(bào)告質(zhì)量(要求學(xué)生記錄調(diào)試數(shù)據(jù)、波形，記錄心跳次數(shù)/分，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，寫出如何運(yùn)用電路知識(shí)，分析解決產(chǎn)品制作過程中遇到的問題)等，對(duì)學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)定。

2.實(shí)習(xí)時(shí)間安排

制作紅外線心率計(jì)時(shí)，學(xué)生需要采購(gòu)電子元器件(片狀)，設(shè)計(jì)印刷線路板、制板，硬件電路安裝、編程、調(diào)試等多項(xiàng)任務(wù)，因此實(shí)習(xí)時(shí)間必須靈活安排。我們?cè)跁r(shí)間安排上逐漸向開放式轉(zhuǎn)變，將原來(lái)的固定時(shí)間實(shí)習(xí)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生可以在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)自行預(yù)約實(shí)習(xí)時(shí)間。

3.實(shí)習(xí)指導(dǎo)方式

學(xué)生在制作紅外線心率計(jì)的過程中難免會(huì)遇到一些常見問題，如每分鐘測(cè)量的心跳次數(shù)為幾百(正常情況為60～90次/分)，但又不知如何解決，只能求助指導(dǎo)教師，而指導(dǎo)教師對(duì)同樣的問題要解釋很多遍，輔導(dǎo)工作量很大。因此我們把制作紅外線心率計(jì)常見的問題及排除方法制作Flash動(dòng)畫課件，上傳到課程網(wǎng)站；在每個(gè)產(chǎn)品制作室提供查詢系統(tǒng)，開放計(jì)算機(jī)房。并把學(xué)生分成幾個(gè)小組，學(xué)生在制作過程中遇到問題，先鼓勵(lì)學(xué)生討論解決，如解決不了，既可通過上網(wǎng)查詢解決方法，又可現(xiàn)場(chǎng)向指導(dǎo)教師請(qǐng)教，大大提高了教學(xué)效率，減輕了指導(dǎo)教師的輔導(dǎo)工作量，使得實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師從繁重的重復(fù)指導(dǎo)工作中解脫出來(lái)，參與更多的教學(xué)研究工作。實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師數(shù)量配備由原來(lái)的4名教師/2班減為3名教師/2班。

三、達(dá)到的教學(xué)效果

我們?cè)?006年開始在電子實(shí)習(xí)教學(xué)中引入紅外線心率計(jì)，2007年引入基于單片機(jī)控制的紅外線心率計(jì)教學(xué)，盡管針對(duì)不同的專業(yè)，我們提前兩周在課程網(wǎng)站上提供多個(gè)制作產(chǎn)品(對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品的功能、原理、圖片等進(jìn)行詳細(xì)的介紹)讓學(xué)生選做，但學(xué)生還是比較喜歡選擇紅外線心率計(jì)制作，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，參加電子實(shí)習(xí)的學(xué)生有85%左右選做該產(chǎn)品。我們對(duì)制作紅外線心率計(jì)的學(xué)生進(jìn)行了抽樣調(diào)查，學(xué)生普遍認(rèn)為該作品難度適中，趣味性強(qiáng)，大大激發(fā)了自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的積極性，當(dāng)看到自己制作的紅外線心率計(jì)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量心率時(shí)，很有成就感。通過實(shí)訓(xùn)，達(dá)到了較好的效果：

1.學(xué)到了新知識(shí)，鍛煉了技能，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)電路知識(shí)的興趣和創(chuàng)造力。

2.充分運(yùn)用先進(jìn)實(shí)習(xí)教學(xué)手段來(lái)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析實(shí)際問題和解決實(shí)際問題的能力，為學(xué)生今后的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

[1]關(guān)宗安.電子工藝實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容的研究與改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2007,7(7):127

[2]李昌祿，雷霆.電子實(shí)習(xí)中單片機(jī)安裝與調(diào)試[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2007,6(3):142

Introducing infrared heart-rate counter into the electronic practice

Zhu Zhaoxia, Tang Jianxiang, Zhan Wen
China Jiliang university, Hangzhou,310018, China

In considering the request of raising the student project practical ability, we introduced the infrared heartrate counter into the electronic practice.Blow I will introduce the practice teaching flow, the teaching thought and teaching effect.

electronic practice；infrared heart-rate counter；teaching practice

2010-05-24

朱朝霞，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，教學(xué)部主任。