研究型物理实验室实验项目开发实践
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[摘 要] 基于北京化工大学“物理教学实验中心”对学生物理知识结构、基本素质和创新能力的培养，将科研成果转化为物理实验教学项目，开展生活饮用水浊度检测仪、ZigBee物联网系统、智能数据采集控制仪的研发，促进物理实验课程的改革创新，培养学生进行应用性研究和科技开发的工程基础能力。
[关键词] 大学物理实验;创新能力培养;浊度仪;物联网;数据采集仪
[基金项目] 中央高校基本科研业务费专项资金资助“基于农田土壤检测机器人、大气环境监测无人机科学普及项目开发”（JD1919）
[通讯作者] 尹 亮（1982—），男，北京人，博士，讲师，研究方向为仪器仪表研发。
[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）35-0372-02 [收稿日期] 2019-10-15
一、引言
“大学物理实验”课程是高等学校理工科大学生的一门重要的必修基础课程，是理工科学生进入大学后较早接触的实践课程，是学生接受系统的实验方法和实验技能训练的开端，也是学生今后从事各项科学研究和工程实践的基础。该课程对学生实践能力的培养和创新意识的形成起着至关重要的作用，对于培养适应国家需求的高科技创新型人才具有重要意义。北京化工大学“物理教学实验中心”成立于2000年12月，是学校首批八个校级教学实验中心之一。2004年10月北京化工大学国家工科物理教学基地顺利通过评审，正式成为国家九个工科基础课程物理教学基地之一。2006年10月北京化工大学物理教学实验中心成为北京市高等学校实验教学示范中心。2010年北京化工大学大学物理课群教学团队被评为“北京市优秀教学团队”。这些都为物理教学实验中心的持续发展带来了新的生机，为大学物理实验课程的建设奠定了坚实的基础、宽广的平台，為学生创新能力的培养提供了广阔的发展空间。
从面向21世纪对创新型人才的物理知识结构、基本素质和创新能力的要求出发，针对不同的人才培养要求，课程构建起一个以能力培养为核心，促进学生知识、能力、素质协调发展，以必修实验课为基点，以公共选修课全方位延伸，按照实验的难易程度和对学生实验技能培养目标的要求，把大学物理实验课分成从基础到前沿，从接受知识到培养综合能力，逐级提高的三级物理实验课程体系，形成了基础性实验、综合性实验、设计（研究）性实验以及体现物理学在当代科学技术中应用的实验层次。在教学思想上注意从“知识传授型”转向“能力培养型”，在教学过程中既注意加强学生基本知识和实验能力的培养训练，也注意引导学生进行探索性和研究性学习;在实验项目的选择和设置上，既注重物理思想和物理方法的典型性，又注重实验内容、测试手段的先进化，重视科研与教学互动，把科研成果转化为实验项目，积极开发开设物理思想鲜明、实验内容贴近现代生活、实验手段比较先进、能够反映现代科学技术的发展与进步的综合性的实验。
二、解决的问题
北京化工大学是一所具有化工类行业性特色的大学，在物理实验教学活动中，如何开发与化工类学科交叉的实验项目，将物理实验与化工类实验有机结合，利用物理基础知识解决化工类学习科研中的实际问题，提高学生学科交叉、综合运用知识的能力，培养既有物理理论知识又有化工研究开发和工程能力的人才。
利用先进的物联网技术，将相关物理实验测量仪器进行组网，开发物理实验仪器物联网。传统实验仪器之间相互独立、互不关联，开发物理实验仪器物联网，将各相关实验仪器自组网，实现实验仪器数据无线传输，初步实现相关实验仪器自控制，促进物理实验向数字化，智能化发展。
通过传统物理实验的学习和锻炼，学生较好的掌握了物理实验观察能力、动手能力和分析能力，在此基础上，利用先进的数字化信号采集、分析和处理技术，实现物理量的智能化测量，可将相关模拟量转换为数字量，并输出到excel或Matlab等软件中处理，同时可直观绘制物理量间的相互关系，使学生掌握现代化测量和数据处理方法，培养学生的综合实验素质，提高学生的实验水平，同时也能提高学生的实验积极性。
三、研究内容
（一）生活饮用水浊度检测仪。
采用透射光补偿法研究浊度检测系统，该系统由发光系统、散射光接收系统、透射光接收系统、电流转电压以及信号放大系统、A/D转换系统、温度补偿系统、CPU处理系统、液晶显示系统，数字通信接口系统以及蓄电池供电电源系统构成。该系统采用在低浊度时测量散射光，高浊度时通过量程切换，测量散射—透射光之比进行浊度测量，有效避免高浊度时采用散射光测量偏差大的问题，同时消除了元件老化、光源变化对浊度测量的影响。该系统同时测量浊度与温度之间的关系，通过设置温度补偿功能得到准确的浊度测量值。系统采用蓄电池供电，可以携带到待测水源，当场检测，当场得出水质浊度数据，可以用于生活用水、河流、湖泊水质的现场检测。
（二）物联网系统。
协调器是整个物联网的核心，是ZigBee网络第一个运行的设备。协调器选择一个信道和网络标识符（PANID）建立网络，对加入的节点进行管理和访问，对整个无线网络进行维护。在同一个ZigBee网络中，只允许一个协调器工作。采用ZigBee路由节点提供路由信息，采用ZigBee终端节点完成整个网络的终端任务。由Zigbee协调器建立一个新的Zigbee网络，Zigbee协调器在允许的通道内搜索其它的Zigbee协调器，基于每个允许通道中所检测到的通道能量及网络号，选择唯一的16位PAN ID，建立自己的网络。一旦建立一个新的网络，Zigbee路由器与终端设备就可以加入到网络中。网络形成后，可能会出现网络重叠及PAN ID冲突的现象，协调器通过初始化PAN ID程序，改变一个协调器的PAN ID与信道，同时修改相应的子设备解决冲突。
（三）智能数据采集控制仪。
硬件结构及功能研究：智能数据采集控制仪硬件功能包括两通道-5—+5V电压量采集;10倍，100倍，1000倍小信号放大;1路开关控制;1路输入接通指示;5V，1800mA直流电源。界面及接口研究：智能数据采集控制仪使用C语言编程生成界面。数据采集控制仪可直接与LabView软件连接，无需驱动，结合LabView软件，可以设计很多实验内容，也可直接用于科学研究的数据采集。软件程序研究：实现x-y函数关系记录，做出相应记录曲线;多通道分离显示，同时采集两通道输入信号，以两窗口显示，适合多个独立信号同时测量;多通道复合显示，同时采集两通道输入信号，以一个窗口显示，适合多个信号测量比较;Output控制，通过控制继电器开合完成OutPut口接通、断开功能;Input指示，显示采集仪Input端口接通、断开的状态;数据导出，将采集数据以Excel文档或文本文档格式保存。
四、特色与创新
突出行业性大学特色，将物理实验教学与材料、化工、生物等专业背景有机融合，研究开发了特色鲜明的大化工类教学实验项目，促进了物理实验课程教学内容的先进性和实用性。
构建了以物理方法研究解决化学工程问题的教学范例，实现了水质综合检测的数字化测量。
科研与教学相结合，促进物理实验课程的改革创新，将科研成果转化为物理实验教学项目，将学科前沿及工程应用实例引入教学，培养学生进行应用性研究和科技开发的工程基础能力，实现了科研内容进课堂，科研方法进课堂，科研思维进课堂。培养学生进行应用性研究和科技开发的工程基础能力。
参考文献
[1]许金，张晓昶，叶懋，等.基于GRIN-Lens散射式红外浊度仪的设计[J].仪表技术与传感器.2019（5）：104-107.
[2]何相甫，范志辉，王辉，等.IPv6与ZigBee互联网关的设计与实现[J].计算机工程.2019（7）：154-158.
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