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摘要：随着科技的进步以及学科之间的交叉渗透，现代大学物理实验教学面临着新的挑战和要求，需要不断地进行改革和创新，以适应科技的发展和时代的需求。物理实验的传统模式一般是人工操作仪器和手工记录数据，这种模式效率低下且容易出错。然而，现代科研生产基本要求程控自动化进行，以提高工作效率，并避免传统方法所带来的种种弊端和不足。因此，现代大学物理实验教学中有必要进行电脑程控自动化的跨学科教学尝试，程控自动化将成为物理实验教学中的重要组成部分，也是实现综合性人才培养目标的重要教学环节。
关键词：实验教学 综合性人才培养 程控自动化 教学改革
中图分类号：G623 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）01（b）-0032-02
高校教育需要不断地进行改革和创新，以适应时代发展的需要，关于高校实验教学的改革，有很多教学工作者对其进行了思考和探索[1～3]，使其不断地与时俱进。例如，随着互联网时代的到来，杨雪等人提出了基于互联网的虚拟实验教学中心的构建设想[2]。大学物理实验教学是高校实验教学不可或缺的一部分，亦有不少物理教学工作者对其进行思考和创新[4～6]，例如，哈申图雅等人提出了“项目教学法”在物理实验教学中的应用[5]，部德才等人提出了远程控制物理实验教学平台的建设与实践[6]。而本文将对程控自动化引入到传统物理实验的跨学科教学的尝试进行探讨，以适应科技发展和时代进步的需求。传统的物理实验一般是人工操作仪器和手工记录数据，并多次重复测量求平均值，这种传统方法效率低下且容易出错。而现代的科研实验一般要求将电脑程控的自动化引入到实验的整个流程，从而大大提高工作效率，避免传统方法所带来的种种弊端和不足。
1 实验教学改革背景
最初的实验操作步骤十分繁琐，人们在测量信号时为了降低误差，利用示波器等终端测量和显示信号后，人工记录这些信号的数据，得到的最终结果也是经过多次重复测量求得平均值之后的结果，要进行下一个位置的测量和记录工作，实验人员就需要手动调节坐标位置，一个实验操作结束，必须记录好所有位置的信号数据测量的结果。上述步骤进行完毕后，实验员的任务就是对收集到的实验数据进行处理：将收集到的有效数据录入电脑，然后利用数学处理软件，对上述数据进行分析运算，或者用作图拟合等手段对其进行整体处理。一般的科研实验一般需要一天半的时间，其中半天时间花费在测量操作和数据记录，一天的时间花在数据的整理、录入和分析运算处理，这样的实验花费时间长，工作效率更是低下。此外，实验数据的可靠性也不能得到很好的保证，影响的因素包括人为的差错，以及长时间测量的数据受实验环境变化。
程控自动化的应用伴随着着电脑技术和自动化控制技术的发展，应用也越来越广泛，相较于从前的人工实验操作，程控自动化则显得优越性十足：第一，告别了人工处理的繁琐性，工作效率得到了极大的提高，人力资源也节省了许多；第二，出现人工操作误差的情况得到了避免，操作精度大大改善；第三，实验时间缩短了不少，实验数据的可靠性得到了提高—— 因为环境参数是不断变化的，而这对大部分信号都会产生一定的影响，例如实验室中，温度湿度的变化，甚至设备本身长时间工作的不稳定性等因素，都会影响得到的测量数据的结果，造成测量结果的不可靠性，也就是说实验测量完成越快，实验数据越具有可靠性。
因此，将程控自动化逐步应用到物理实验的测控流程，条件日渐成熟，而且易于实现和普及。其优越性不言而喻，它告别了传统方法的不足，无疑有利于工作效率的提升，程控自动化不仅实现了测量控制的自动化，而且实现了数据测量和分析处理一体化，大大加快了工作进程。
在科研生产领域，程控自动化的应用已经非常广泛。例如，激光扫描仪便是典型的应用之一。该仪器是利用激光扫描检测原理而研制的，当激光光束对被测工件进行扫描，在光学系统给定的有效扫描区域内，被测工件对扫描光束的遮挡起到光强调制的作用。当扫描器对被测工件进行高速扫描时，产生一光强调制信号，这一光强调制信号携带被测量的有关特征信息，接收器通过光电变换将这一光信号变成电信号，再经过电子学系统和微机处理，即可实时得到测量结果。这是一个涉及激光光学、精密机械、电子学、自动控制和计算机等多个学科的现代光电检测仪器。
2 实验教学改革目标
为了适应现代科技的不断进步及多个学科之间的不断交叉渗透，现代大学物理实验教学有必要进行新的改革和尝试，有必要将物理实验和程控自动化的内容进行跨学科的结合，以适应时代的发展和科技人才培养的需求。程控自动化是现代实验教学的新内容，也是实现跨学科综合型人才培养目标的重要教学环节。
我们将程控自动化理念引入到传统物理实验的教学尝试，一方面有利于电脑程控自动化设计理念在大学实验教学中的推广，提高学生的综合素质和动手能力，培养跨专业的新型人才；另一方面有利于推动电脑程控的自动化普及到物理科研领域，激发学生的科研兴趣，提高学校的科研水平和教学档次。
3 实验教学改革思路
我们采用一种简单实用，易于实现的全自动测量和数据分析处理一体化的装置和方法。利用电脑控制的高精确度和MATLAB软件的强大处理功能，实现了信号测量的高精度控制和数据的即时运算处理，直接得到最终的实验结果。
如图1所示，该装置的核心部分即为装有MATLAB的电脑，程序开发平台选用MATLAB有多方面的考虑，主要的原因就是MATLAB编程的灵活性和数据处理的强大性，用它编写的M程序易于修改和移植，更重要的是，MATLAB具有强大的数学处理功能，很容易调用科学函数来进行数据的即时分析运算，或作图拟合等。其控制原理是：M程序作为整个过程的控制处理中心，负责对控制指令的处理和发送，对信号数据的接收和运算，对整个流程的控制；控制指令通过串行通讯模块对象发送给电机控制器，控制器根据接收到的指令来控制驱动电机；信号数据通过通讯控件对象来接收示波器的信号数据，示波器的信号来自探测器；电机改变坐标位置，而坐标位置变化引起信号变化，这样就完成了测量的循环控制。 4 实验教学改革案例
下面以物理实验中的光电信号的测量为例，实验装置主要包括：（1）装有MATLAB软件的电脑。（2）光电信号探测器（根据实验系统需探测的应变量数，可安装单个或多个探测器，探测单个或多个光电信号）及示波器。（3）步进电机（根据实验系统需改变的变量数，可安装单个或多个电机，调节单个或多个坐标位置）及控制器。
作为该系统的控制/运算中心电脑，它有着两方面的作用：首先，是自动化控制，通过控制电机控制器调节步进电机的坐标位置和控制示波器读取探测器探测到的光电信号；其次，是即时数据处理，将测到的信号数据进行数学运算或分析处理等，即时得到实验结果。示波器一般带有控制接口（串行口RS232或网口RJ45），用于和电脑联机，探测器一般是光电管，可与示波器相连，探测器将光信号转换成电信号传送给示波器或探测控制器。
从表1我们可以看出：光参数的控制，无论是光的能量、偏振方向、椭偏度还是光路延时的控制，都可以通过光学元件的调节来实现，而光学元件的调节又可以通过电脑程控的步进电机或旋转电机的运动来实现（光学元件的调节，主要为直线平移调节和角度旋转调节。其中，直线平移调节可通过步进电机来控制实现，而角度旋转调节可通过旋转电机来控制实现）；光信号的检测，无论是一维积分强度、两维光谱信号还是三维图像信号，都可以通过相关的电子元件来探测，而电子元件又可以通过单片机或控制器跟电脑相连。整个测量过程通过电脑来实现自动化，形成一个闭循坏操作，无需人工干预。
M程序的编程和流程如下：（1）先对程序进行初始化设置，如设定测量次数、初始坐标位置，设定步进电机的运行模式、步长等。（2）再创建电机控制器的串行通讯模块对象和示波器的通讯控件对象，并设置其属性，建立程序和仪器之间的通讯连接。（3）调节坐标位置，并读取和处理信号数据，多次测量求出平均值。（4）接着判断是否测量下一组，如果是，则计算和调整坐标位置进行下一组的测量，如果否，则退出循环结束测量。（5）测量结束后，对所有实验数据进行分析运算或作图拟合等整体处理，即时得出实验结果，并将原始数据和处理结果保存到某个文件中。
具体实验操作步骤如下：（1）首先根据上述控制原理和程序流程编好M程序。（2）连接好仪器之间的所有数据线、控制线和电源线等。（3）开启示波器、电机控制器和电脑，并做好相关的设置。（4）打开MATLAB软件和M程序文件，根据需要设定测量次数、初始坐标位置，设定步进电机的运行模式、步长等。（5）完成上述准备后，运行M程序，便开始自动测量和即时运算处理。（6）测量结束后，就可以到指定目录查看、读取原始数据和最终处理结果。
实验情况如下：以前，采用人工记录的方法大约花费16 h的时间，其中手动调节两束光的延时（这个步骤至少需要三个人共同配合才能完成：他们分别要读数据、记录数据和调节延时位置），这个过程大约花费6 h才能结束，之后要进行的抄录数据到电脑和数据相关处理又会花费10 h左右的时间。这样长时间的传统方法耗时耗力，但是结果也不能令人满意。长时间的实验会导致环境温度和湿度的变化，仪器长时间工作也必然会出现不稳定性等情况，这样得到的实验数据也就变得不十分可靠了。如今程控的装置和方法普及后，全部的测量和运算工作只需不到一小时便可完成，如此一来得到最终实验结果可靠性和精度性大大高于从前，工作效率便大大提高了。
5 结语
本实验教学的尝试是为了适应时代和科技发展对跨专业综合型人才培养的需求，克服传统实验方法所带来的弊端和不足，将程控自动化理念引入传统物理实验教学，提供了一种简单的易于实现和普及的程控自动化装置和方法。以物理实验中的光电信号自动测量为例，实现光电信号的全自动测量和实验数据的分析处理一体化，实现光电信号测量的高精度控制和数据的即时运算处理，快速地获得想要的最终的实验结果。
参考文献
[1]高若平.大学物理实验中光学实验的特点及其教学策略[J].科技创新导报，2012（17）：172.
[2]杨雪，周淑红，包方华.基于互联网的虚拟实验教学中心的构建[J].中国高教研究，2001（1）：34-35.
[3]刘秀英.开放式实验教学模式的实践与探索[J].科技创新导报，2010（36）：172.
[4]何焰蓝，杨栋，田成林，等.大学物理实验教学对大学生科技伦理培育的初探[J].高等教育研究学报，2010（33）：86-88.
[5]哈申图雅.“项目教学法”在物理实验教学中的应用[J].科技创新导报，2012（3）：163.
[6]部德才，孙峤，李学慧.远程控制物理实验教学平台的建设与实践[J].物理实验，2011（31）：22-24.
关键词：实验教学 综合性人才培养 程控自动化 教学改革
中图分类号：G623 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）01（b）-0032-02
高校教育需要不断地进行改革和创新，以适应时代发展的需要，关于高校实验教学的改革，有很多教学工作者对其进行了思考和探索[1～3]，使其不断地与时俱进。例如，随着互联网时代的到来，杨雪等人提出了基于互联网的虚拟实验教学中心的构建设想[2]。大学物理实验教学是高校实验教学不可或缺的一部分，亦有不少物理教学工作者对其进行思考和创新[4～6]，例如，哈申图雅等人提出了“项目教学法”在物理实验教学中的应用[5]，部德才等人提出了远程控制物理实验教学平台的建设与实践[6]。而本文将对程控自动化引入到传统物理实验的跨学科教学的尝试进行探讨，以适应科技发展和时代进步的需求。传统的物理实验一般是人工操作仪器和手工记录数据，并多次重复测量求平均值，这种传统方法效率低下且容易出错。而现代的科研实验一般要求将电脑程控的自动化引入到实验的整个流程，从而大大提高工作效率，避免传统方法所带来的种种弊端和不足。
1 实验教学改革背景
最初的实验操作步骤十分繁琐，人们在测量信号时为了降低误差，利用示波器等终端测量和显示信号后，人工记录这些信号的数据，得到的最终结果也是经过多次重复测量求得平均值之后的结果，要进行下一个位置的测量和记录工作，实验人员就需要手动调节坐标位置，一个实验操作结束，必须记录好所有位置的信号数据测量的结果。上述步骤进行完毕后，实验员的任务就是对收集到的实验数据进行处理：将收集到的有效数据录入电脑，然后利用数学处理软件，对上述数据进行分析运算，或者用作图拟合等手段对其进行整体处理。一般的科研实验一般需要一天半的时间，其中半天时间花费在测量操作和数据记录，一天的时间花在数据的整理、录入和分析运算处理，这样的实验花费时间长，工作效率更是低下。此外，实验数据的可靠性也不能得到很好的保证，影响的因素包括人为的差错，以及长时间测量的数据受实验环境变化。
程控自动化的应用伴随着着电脑技术和自动化控制技术的发展，应用也越来越广泛，相较于从前的人工实验操作，程控自动化则显得优越性十足：第一，告别了人工处理的繁琐性，工作效率得到了极大的提高，人力资源也节省了许多；第二，出现人工操作误差的情况得到了避免，操作精度大大改善；第三，实验时间缩短了不少，实验数据的可靠性得到了提高—— 因为环境参数是不断变化的，而这对大部分信号都会产生一定的影响，例如实验室中，温度湿度的变化，甚至设备本身长时间工作的不稳定性等因素，都会影响得到的测量数据的结果，造成测量结果的不可靠性，也就是说实验测量完成越快，实验数据越具有可靠性。
因此，将程控自动化逐步应用到物理实验的测控流程，条件日渐成熟，而且易于实现和普及。其优越性不言而喻，它告别了传统方法的不足，无疑有利于工作效率的提升，程控自动化不仅实现了测量控制的自动化，而且实现了数据测量和分析处理一体化，大大加快了工作进程。
在科研生产领域，程控自动化的应用已经非常广泛。例如，激光扫描仪便是典型的应用之一。该仪器是利用激光扫描检测原理而研制的，当激光光束对被测工件进行扫描，在光学系统给定的有效扫描区域内，被测工件对扫描光束的遮挡起到光强调制的作用。当扫描器对被测工件进行高速扫描时，产生一光强调制信号，这一光强调制信号携带被测量的有关特征信息，接收器通过光电变换将这一光信号变成电信号，再经过电子学系统和微机处理，即可实时得到测量结果。这是一个涉及激光光学、精密机械、电子学、自动控制和计算机等多个学科的现代光电检测仪器。
2 实验教学改革目标
为了适应现代科技的不断进步及多个学科之间的不断交叉渗透，现代大学物理实验教学有必要进行新的改革和尝试，有必要将物理实验和程控自动化的内容进行跨学科的结合，以适应时代的发展和科技人才培养的需求。程控自动化是现代实验教学的新内容，也是实现跨学科综合型人才培养目标的重要教学环节。
我们将程控自动化理念引入到传统物理实验的教学尝试，一方面有利于电脑程控自动化设计理念在大学实验教学中的推广，提高学生的综合素质和动手能力，培养跨专业的新型人才；另一方面有利于推动电脑程控的自动化普及到物理科研领域，激发学生的科研兴趣，提高学校的科研水平和教学档次。
3 实验教学改革思路
我们采用一种简单实用，易于实现的全自动测量和数据分析处理一体化的装置和方法。利用电脑控制的高精确度和MATLAB软件的强大处理功能，实现了信号测量的高精度控制和数据的即时运算处理，直接得到最终的实验结果。
如图1所示，该装置的核心部分即为装有MATLAB的电脑，程序开发平台选用MATLAB有多方面的考虑，主要的原因就是MATLAB编程的灵活性和数据处理的强大性，用它编写的M程序易于修改和移植，更重要的是，MATLAB具有强大的数学处理功能，很容易调用科学函数来进行数据的即时分析运算，或作图拟合等。其控制原理是：M程序作为整个过程的控制处理中心，负责对控制指令的处理和发送，对信号数据的接收和运算，对整个流程的控制；控制指令通过串行通讯模块对象发送给电机控制器，控制器根据接收到的指令来控制驱动电机；信号数据通过通讯控件对象来接收示波器的信号数据，示波器的信号来自探测器；电机改变坐标位置，而坐标位置变化引起信号变化，这样就完成了测量的循环控制。 4 实验教学改革案例
下面以物理实验中的光电信号的测量为例，实验装置主要包括：（1）装有MATLAB软件的电脑。（2）光电信号探测器（根据实验系统需探测的应变量数，可安装单个或多个探测器，探测单个或多个光电信号）及示波器。（3）步进电机（根据实验系统需改变的变量数，可安装单个或多个电机，调节单个或多个坐标位置）及控制器。
作为该系统的控制/运算中心电脑，它有着两方面的作用：首先，是自动化控制，通过控制电机控制器调节步进电机的坐标位置和控制示波器读取探测器探测到的光电信号；其次，是即时数据处理，将测到的信号数据进行数学运算或分析处理等，即时得到实验结果。示波器一般带有控制接口（串行口RS232或网口RJ45），用于和电脑联机，探测器一般是光电管，可与示波器相连，探测器将光信号转换成电信号传送给示波器或探测控制器。
从表1我们可以看出：光参数的控制，无论是光的能量、偏振方向、椭偏度还是光路延时的控制，都可以通过光学元件的调节来实现，而光学元件的调节又可以通过电脑程控的步进电机或旋转电机的运动来实现（光学元件的调节，主要为直线平移调节和角度旋转调节。其中，直线平移调节可通过步进电机来控制实现，而角度旋转调节可通过旋转电机来控制实现）；光信号的检测，无论是一维积分强度、两维光谱信号还是三维图像信号，都可以通过相关的电子元件来探测，而电子元件又可以通过单片机或控制器跟电脑相连。整个测量过程通过电脑来实现自动化，形成一个闭循坏操作，无需人工干预。
M程序的编程和流程如下：（1）先对程序进行初始化设置，如设定测量次数、初始坐标位置，设定步进电机的运行模式、步长等。（2）再创建电机控制器的串行通讯模块对象和示波器的通讯控件对象，并设置其属性，建立程序和仪器之间的通讯连接。（3）调节坐标位置，并读取和处理信号数据，多次测量求出平均值。（4）接着判断是否测量下一组，如果是，则计算和调整坐标位置进行下一组的测量，如果否，则退出循环结束测量。（5）测量结束后，对所有实验数据进行分析运算或作图拟合等整体处理，即时得出实验结果，并将原始数据和处理结果保存到某个文件中。
具体实验操作步骤如下：（1）首先根据上述控制原理和程序流程编好M程序。（2）连接好仪器之间的所有数据线、控制线和电源线等。（3）开启示波器、电机控制器和电脑，并做好相关的设置。（4）打开MATLAB软件和M程序文件，根据需要设定测量次数、初始坐标位置，设定步进电机的运行模式、步长等。（5）完成上述准备后，运行M程序，便开始自动测量和即时运算处理。（6）测量结束后，就可以到指定目录查看、读取原始数据和最终处理结果。
实验情况如下：以前，采用人工记录的方法大约花费16 h的时间，其中手动调节两束光的延时（这个步骤至少需要三个人共同配合才能完成：他们分别要读数据、记录数据和调节延时位置），这个过程大约花费6 h才能结束，之后要进行的抄录数据到电脑和数据相关处理又会花费10 h左右的时间。这样长时间的传统方法耗时耗力，但是结果也不能令人满意。长时间的实验会导致环境温度和湿度的变化，仪器长时间工作也必然会出现不稳定性等情况，这样得到的实验数据也就变得不十分可靠了。如今程控的装置和方法普及后，全部的测量和运算工作只需不到一小时便可完成，如此一来得到最终实验结果可靠性和精度性大大高于从前，工作效率便大大提高了。
5 结语
本实验教学的尝试是为了适应时代和科技发展对跨专业综合型人才培养的需求，克服传统实验方法所带来的弊端和不足，将程控自动化理念引入传统物理实验教学，提供了一种简单的易于实现和普及的程控自动化装置和方法。以物理实验中的光电信号自动测量为例，实现光电信号的全自动测量和实验数据的分析处理一体化，实现光电信号测量的高精度控制和数据的即时运算处理，快速地获得想要的最终的实验结果。
参考文献
[1]高若平.大学物理实验中光学实验的特点及其教学策略[J].科技创新导报，2012（17）：172.
[2]杨雪，周淑红，包方华.基于互联网的虚拟实验教学中心的构建[J].中国高教研究，2001（1）：34-35.
[3]刘秀英.开放式实验教学模式的实践与探索[J].科技创新导报，2010（36）：172.
[4]何焰蓝，杨栋，田成林，等.大学物理实验教学对大学生科技伦理培育的初探[J].高等教育研究学报，2010（33）：86-88.
[5]哈申图雅.“项目教学法”在物理实验教学中的应用[J].科技创新导报，2012（3）：163.
[6]部德才，孙峤，李学慧.远程控制物理实验教学平台的建设与实践[J].物理实验，2011（31）：22-24.