針對光電專業(yè)新生開設(shè)的門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)

何艷艷，王 英，周 海

（華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

門禁系統(tǒng)，又稱為出入管理控制系統(tǒng)，是建筑系統(tǒng)的重要組成部分[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的門禁系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙的作用，已經(jīng)發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)，在工作環(huán)境安全、人事考勤等行政管理工作中發(fā)揮著重要的作用[2]。門禁系統(tǒng)已是解決重要部門出入口、實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效措施[3-4]，適用于各種機(jī)要部門，如銀行、軍械庫、機(jī)要室等，也普遍用于辦公間、賓館、停車場、機(jī)房、智能化小區(qū)、工廠等。作為新型現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)集微機(jī)自動識別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體，涉及電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、生物技術(shù)等諸多學(xué)科和技術(shù)[5-6]。

為了讓光電專業(yè)的新生從入學(xué)一開始就對本專業(yè)的性質(zhì)、內(nèi)容等有一定的了解，熟悉系統(tǒng)和工程的概念，鍛煉動手能力，提高創(chuàng)新和實(shí)踐意識，讓其對專業(yè)產(chǎn)生興趣，開設(shè)了光電專業(yè)的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)課程，而門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)是其中一門重要的實(shí)驗(yàn)課程。

1 實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的目的與原則

門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，既培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的能力，也培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識解決實(shí)踐問題的能力。實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生利用所提供的控制器和其他元器件進(jìn)行相關(guān)的外圍電路設(shè)計(jì)以及軟件編程控制，達(dá)到有人通過時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出報(bào)警的目的。入校新生具有良好的學(xué)習(xí)知識的體驗(yàn)，但缺乏將知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際工程應(yīng)用的經(jīng)歷。為此開設(shè)了門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，旨在鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，提升其將理論用于解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也鍛煉學(xué)生的溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[7-9]。然而，由于大一新生所掌握的專業(yè)理論知識較少，動手能力也不強(qiáng)，所以綜合實(shí)驗(yàn)的難度不能太大，否則學(xué)生面對復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)，會感到無從下手，或因難而退，產(chǎn)生對專業(yè)的畏難情緒，達(dá)不到預(yù)期的效果。為此，門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的難度應(yīng)適中，系統(tǒng)軟件應(yīng)易于學(xué)習(xí)和應(yīng)用，外圍電路也不能過于復(fù)雜，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不能過高，完成的難度也不能太大。

2 實(shí)驗(yàn)器材的組成與使用

確定了綜合實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的目的和原則后，需要確定實(shí)驗(yàn)器材。選擇器材的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是必須保證實(shí)驗(yàn)的安全性，即實(shí)驗(yàn)安全是第一位的[10]，器材最好能夠在低電壓條件下安全運(yùn)行，防止出現(xiàn)電方面的事故，所提供的器材必須保障實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)能夠安全完成，此外，這些器材通過培訓(xùn)后，學(xué)生容易掌握和使用。為此，經(jīng)過反復(fù)挑選，最后確定了Arduino微控制器以及相應(yīng)的外圍模塊。

Arduino 是由意大利Ivrea 一家高科技設(shè)計(jì)學(xué)校的教師和學(xué)生與西班牙籍的芯片工程師一起設(shè)計(jì)的一款即便宜又好用的微控制器[11]。Arduino UNO 是使用最廣泛的控制器，其主要優(yōu)點(diǎn)是：Arduino 語言是基于Wiring 語言開發(fā)的，并不需要學(xué)生掌握太多的單片機(jī)和編程知識，只需要簡單的學(xué)習(xí)就可以進(jìn)行開發(fā)。對初學(xué)者而言，極易掌握，同時(shí)又有足夠的靈活性，便于開發(fā)和使用。其次，Arduino 的硬件原理圖、電路圖、IDE 軟件、核心庫等是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。此外，Arduino控制器還具有體積小、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。Arduino 還有眾多的外圍模塊可以直接使用。因此，Arduino 控制器以及外圍模塊非常適合作為門禁報(bào)警系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的器材。

實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)工具盒將所用元器件裝在里面，做好編號并附上元器件的清單。每個(gè)工具盒內(nèi)主要的元器件包括Arduino UNO 控制器開發(fā)板、人體感應(yīng)模塊、蜂鳴器模塊、紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊、USB 連接線、面包板、帶三孔的連接線、杜邦線等。將學(xué)生分為2～4 人一組（由于該實(shí)驗(yàn)涉及電，從安全考慮，最好 2 人以上為好），每組發(fā)放裝有實(shí)驗(yàn)所需的元器件工具盒一個(gè)，可以帶回去自己保管和使用，等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收完成后，再由教師清點(diǎn)收回。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展與實(shí)施

3.1 綜合實(shí)驗(yàn)要求

門禁系統(tǒng)以防范損失、預(yù)防犯罪為主要目的，因此必須具有極高的可靠性。一套門禁系統(tǒng)在其運(yùn)行的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)可能沒有警情發(fā)生，無須報(bào)警的。但是，如果在這極小的概率內(nèi)出現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)失靈，常常意味著安全事件的降臨。因此，門禁安防系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、施工、使用等各個(gè)階段，必須實(shí)施可靠性設(shè)計(jì)和管理，以保證系統(tǒng)的可靠性。門禁及安防系統(tǒng)是用于保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)安全的，因此系統(tǒng)自身必須安全可靠，同時(shí)保證其設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行的安全和操作者的安全[12]。

門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：①基本要求。學(xué)生所設(shè)計(jì)的門禁報(bào)警系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)在人非法通過時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，如果能夠滿足這一標(biāo)準(zhǔn)即為驗(yàn)收合格。②分級驗(yàn)收。設(shè)計(jì)評分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)程度、靈敏度、外觀設(shè)計(jì)美觀程度等分為普通驗(yàn)收和進(jìn)階驗(yàn)收。普通驗(yàn)收為在現(xiàn)場驗(yàn)收時(shí)能夠滿足基本要求，之后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告即可，分?jǐn)?shù)由現(xiàn)場驗(yàn)收和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分組成，總分不超過85 分。進(jìn)階驗(yàn)收為在滿足基本要求的條件下，還有擴(kuò)展部分。首先進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后，需要把本組的設(shè)計(jì)采用PPT 形式向教師和學(xué)生講解清楚，并要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程分?jǐn)?shù)由現(xiàn)場驗(yàn)收、PPT 演講和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分組成，85 分以上為合格。

3.2 綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要由培訓(xùn)、示范、學(xué)生實(shí)踐、教師答疑等部分組成。在實(shí)驗(yàn)前，對學(xué)生進(jìn)行4 學(xué)時(shí)的培訓(xùn)與示范。培訓(xùn)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、注意事項(xiàng)等。此外，教師應(yīng)著重講解Arduino UNO 開發(fā)板的組成、特點(diǎn)、功能和外圍模塊的功能、特點(diǎn)以及使用等，同時(shí)介紹Arduino 語言以及程序結(jié)構(gòu)等，并將Arduino UNO 開發(fā)板以及外圍電路的連接、程序軟件的安裝、編寫等拍成視頻，一邊操作一邊講解播放。此外，建立這門實(shí)驗(yàn)課程的微信群，將所有資料發(fā)在群文件里，以便學(xué)生參考和學(xué)習(xí)。

在實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生還可以通過上傳的參考資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，觀看視頻，以便達(dá)到能夠獨(dú)立進(jìn)行基本實(shí)驗(yàn)操作的目的。在操作過程中如有疑問，可在群里咨詢，教師和學(xué)生都可進(jìn)行解答。如群里無法解決，可約時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行討論。這樣，所有的學(xué)生都能達(dá)到基本技能驗(yàn)收的條件。有的學(xué)生在掌握基本技能后就開始討論研究進(jìn)階的內(nèi)容，這樣，能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和實(shí)踐，達(dá)到自我創(chuàng)新的目的。在進(jìn)階過程中如遇到問題，可以咨詢教師或其他學(xué)生進(jìn)行解答。

3.3 綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生進(jìn)行了培訓(xùn)、示范、實(shí)踐、解惑、展示、演講以及撰寫等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。從學(xué)生對這門綜合實(shí)驗(yàn)課程的收獲與感想來看，多數(shù)學(xué)生確實(shí)受益頗多。有的學(xué)生把做好的門禁系統(tǒng)安裝在寢室門上， 有的學(xué)生模擬了開門、關(guān)門系統(tǒng)以及采用刷卡方式進(jìn)入和計(jì)數(shù)方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等?？傊?，在門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)到了許多新的知識，如機(jī)械設(shè)計(jì)、電學(xué)、光學(xué)、軟件、硬件等，擴(kuò)展了學(xué)生的知識面，提高了學(xué)生的自學(xué)能力，鍛煉了其動手能力和解決問題的能力，體驗(yàn)到了實(shí)驗(yàn)操作的嚴(yán)謹(jǐn)性、精密性，也提升了團(tuán)隊(duì)合作能力，明白了理論和實(shí)踐的差別，懂得了實(shí)踐的重要性，激發(fā)了學(xué)生的求知興趣和對未來學(xué)科的探索和思考，達(dá)到了綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)語

門禁系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)涉及光、機(jī)、電等多學(xué)科，以訓(xùn)練學(xué)生工程實(shí)踐能力和培養(yǎng)學(xué)生對學(xué)科興趣為目的，面向光電專業(yè)低年級新生開設(shè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程。選擇了簡單易學(xué)的Arduino 控制器開發(fā)板以及相應(yīng)的外圍模塊元器件作為基本的實(shí)驗(yàn)器材。通過對學(xué)生進(jìn)行循序漸進(jìn)的培訓(xùn)、實(shí)踐、解惑等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得到了提升，工程實(shí)踐能力得到了鍛煉，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也得到了激發(fā)。