教学用数字化智能采集系统的设计与应用_开题报告

一、绪论

（一）研究的背景及意义

随着我国国际化地位的提升和经济全球化的加速，教育改革己成为热门话题，如何培养出高水平的国际化人才是人才教育的重点问题。目前，我国在各级各类教育中都在积极的推进和探索培养学生全面素质和创新能力的素质教育，为我国现代化建设培养高素质人才。在2016的全国两会中教育部政策法规司司长孙霄兵指出，人才培养应突出以人为本，培养创新型人才是今后改革的重点。全国政协副秘书长、民进中央副主席朱永新指出中国教育应重视现代化和国际化。尽管教育改革越来越重视创新能力和动手能力，但是中国的许多高校仍多以填鸭式教学为主，在教育现实中，关于学生“高分低能”和“动手能力不足”、“实验素质偏低”的非议一直存在。实验教学的存在可以促进学生对理论知识的消化和吸收，增强其自我探索能力，提高学习兴趣。因此实验教学是学生学习中不可替代的教育方式，应该受到学校的重视。我教育部也在近几年的工作要点文件中多次提到重视教育质量问题，并着重强调教育的信息化和实验室平台的建设。

培养优秀人才是学校的主要任务，过去社会对合格人才的理解存在严重的认识不足，把学术成绩的好坏当成是衡量人才的主要标准。片面强调理论课程，忽视实验教学的重要性，造成学生理论与实践脱节，动手能力差和创新意识低。诺贝尔奖获得者杨振宁博士指出：重推理、演绎，基础扎实是中国传统教学的特点，但缺少创新意识。美国学生虽然基础不够扎实，但归纳、分析和综合能力强，具有一定的独立思考能力和创造能力。因此国内高校培养的^文档生难以适应知识、经济和信息全球化对人才的需求，也必然会阻碍我国生产力的发展和科技进步。随着市场经济的建立和完善，社会已不再需要单知识结构和单技能人才，而是需要在具有扎实理论知识的同时，具备较强的动手能力、解决和分析问题的能力，并具有一定创新能力的人才，这种人才的培养需要有高质量的实验作为保证，因此实验室的建设不容小觑。

长期以来，我国实验教学仪器领域发展举步不前，在理化生多个实验领域存在仪器设备的空白，很多实验数据无法测量，直接限制了实验教学的开展。

随着信息技术的飞速发展，国家基础教育课程改革的稳步推进，以及欧美等发达国家将数字化实验室应用于理科教学的积极影响，我国新一轮中学理科课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。

数字化科学探究实验教学是近年来兴起的一种全新教育模式，受到各个阶段学校和学生的广泛欢迎。数字化科学探究实验教学通过现场操作数字化实验设备，教学的整个过程生动、高效并且简单明了，使学生对于实验所展示的学习内容有更加深刻的理解与记忆。另外，与传统教学相比，数字化科学探究实验趣味性强，能够使学生积极主动地投入到实验探索过程中，对科学具有更强的求知欲望和探索热情。 

（二）国内外研究现状

1.国外研究现状

数字化实验仪器，最早兴起于20世纪80年代中期的美国，是以探究为中心的科学教育的产物。

经过几十年的发展，目前美国、英国、法国、德国、意大利、韩国都已有功能完善的数字化实验仪器，并且广泛应用于实验教学中。

PASCO是美国最大的教育实验仪器制造商，技术先进，经验丰富，在美国乃至全球教育界享有盛誉，且屡获殊荣。

2.国内研究现状

1999年，上海市开展第二期课程改革，首次提出了：积极探索多媒体计算机与物理实验的结合，第一次明确提出了数字化教学实验系统的概念。

2002年，上海教委发布了《上海市中学物理课程标准》，明确将数字化定义为DIS（Digital Information System，即“数字化信息系统”），并规定了中学DIS必修实验目录。

2003年，教育部制定的《普通高中物理课程标准（实验）》将数字化实验室系统引入国家新课程理科实验教学。

2004年，北京四中建成了 第一所DIS 数字化物理实验室，并在全国率先采用了开放式管理模式，鼓励学生自主使用、自我管理。

2011 年，DIS 数字化实验被正式列为上海市高中学业水平考试的内容。据统计，截止到2011年国内中小学校数字化实验仪器产品的使用率大约为27%。

2012 年，在瑞士巴塞尔举办的世教联教学仪器设备双年展上，山东远大参会并展出了自己的数字化实验仪器产品。

（三）本文的主要工作

1. 主要研究内容

目前，市场上测量仪器与传感器之间的接口普遍采用一一对应的方法，当某仪器需要携带多种测量传感器时，则需在该仪器面板和电路板上设计多种传感器接口，实现一一对应。这种接口方式虽然电路构造简单，但当携带的传感器种类较多、数量较大，且需要并行使用多个同种类型的传感器时，仪器面板上的传感器接口数量和种类就显得太多。不仅不利于仪器的携带，也不利于使用。

本文主要研究设计一款数字化教学实验系统，由智能采集器、数字传感器、计算机和软件组成。其中智能采集器采用USB接口与计算机连接，具有四路传感器接口，可自动识别传感器。数字传感器包括电压传感器、电流传感器、微电流传感器、压强传感器、温度传感器、磁传感器、力传感器。上位机软件可实时显示数据和波形，并具有数据保存、处理等功能。

2. 关键技术

    （1）多路传感器自动识别

在每个传感器上都安装微处理器，同时在采集卡上安装串口扩展芯片。传感器通过串口将特定识别码传送到采集卡的微处理器，从而实现传感器的自动识别。

（2）数字传感器

电压传感器：量程－12V～＋12V，分辨率0.01V

    电流传感器：量程－1A~+1A，分辨率0.01A

微电流传感器：量程－1μA～＋1μA，分辨率0.1μA

压强传感器：量程0kPa～300kPa，分辨率0.1kPa

温度传感器：量程－20℃～130℃，分辨率：0.1℃

磁传感器：量程－50mT～＋50mT，分辨率：0.1mT

    力传感器：量程－10N~+10N，分辨率0.01N

^范文初拟提纲

一、绪论

（一）研究的背景及意义

（二）国内外研究现状

   1.国外研究现状

   2.国内研究现状

（三）本文的主要工作

   1. 主要研究内容

   2. 关键技术

二、系统整体方案设计

（一）系统整体架构

（二）系统运行原理

三、系统硬件设计方案

（一）采集器设计

   1. 信号预处理电路

   2. 模数转换

   3. 多通道复用与扩展

（二）传感器设计

   1. 电压传感器设计

   2. 电流传感器设计

   3. 微电流传感器设计

   4. 压强传感器设计

   5. 温度传感器设计

   6. 磁传感器设计

   7.力传感器设计

四、系统软件方案

（一）采集器下位机软件

（二）传感器下位机软件

（三）LabVIEW上位机软件

五、系统测试

（一）主要技术指标测试

（二）系统在实验教学中的应用

^范文初拟参考文献

[1]屈泳，张文咏. 高等学校数字化实验室的研究与实现. 北京：实验技术与管理, 第24卷 第11期 2007.

[2]刘世华，潘伟伟. 浅谈数字化实验室在高等师范院校中的作用. 北京：高等教育, 2015.

[3] 许敖敖. 处理好理论教学与食用盐教学关系，提高学生素质，培养学生创新能力[J]. 实验技术与管理, 2001. 

[4] 祁大林. 数字化实验系统——新课程改革中立刻实验教学的利器 [J]. 世界华商经济年鉴•科学教育家, 2008（11）. 

[5]鲍可进. C8051F单片机原理及应用. 北京：中国电力出版社, 2006. 

[6] 张红润. 传感器应用设计300例（下册）. 北京：北京航空航天大学出版社, 2008. 

[7] 天工在线. LabVIEW2018从入门到精通（实战案例版）. 北京：中国水利水电出版社, 2019. 

[8] （日）远坂俊昭著，彭军译. 测量电子电路设计：模拟篇. 北京：科学出版社, 2006. 

[9] 朱益江. C语言程序设计教程（项目化）. 武汉：华中科技大学出版社, 2016. 

[10] Halliday．Fundamental of Physics[M]．New York：JollIl Wiley@SOILS．IEC，1999．50