新工科大学物理实验多维度教学模式的探索

围绕“三海一核”领域培养可靠顶用创新型人才的目标,探索了新工科背景下大学物理实验多维度教学模式。维度1,增设融入新工科元素的高阶实验和创新实验类型,构建了多层次教学内容;维度2,采用线上线下混合式的多元化教学方法,形成课前、课中、课后物理实验研学新途径;维度3,采用3+1+N过程性多维考核方式,将科创竞赛纳入考核,提升过程性考核的占比,将课-赛-研-创有机融合到一起。3年的实施效果及学生反馈表明,该模式有效提升学生的实践能力、创新探索意识,提高了大学物理实验教学的达成度,为工科物理实验教学改革提供了一种新范式。

3×3光纤耦合器解调方法

介绍了3×3光纤耦合器输出解调方法的原理,推导出了3×3光纤耦合器输出解调信号的数学表达式,给出了3×3光纤耦合器输出解调算法的解调频率范围,分析了外界干扰信号、耦合器的不对称性、以及信号中存在高次谐波对解调结果的影响。分析结果表明:该方法有比较宽的频率解调范围,能够克服温度变化等外界因素的干扰,能够消除3×3耦合器3个输出端存的偏差对解调结果的影响以及在信号中存在高次谐波的影响。该方法具有性能稳定、不需要载波、不需要稳定的工作点以及抗干扰能力强等优点,具有较强的实用性和可行性,对解调电路的数字化设计具有理论指导意义。

测量固体材料泊松比和杨氏模量的新方法

介绍了一种测量固体材料的泊松比和杨氏模量的新方法。该方法根据声波在两种介质界面上发生折射和反射时的波形转换,由斯涅尔定律测出纵波声速和横波声速,利用固体材料的泊松比与纵波声速、横波声速及杨氏模量的关系,测得固体的泊松比和杨氏模量。通过示波器观测,现象直观,过程清楚,内容充实,注重操作,能调动学生的积极性,提高学生对实验的兴趣,启发创新思维。

多功能光功率计研制

设计了具有多量程切换挡位、多波长选择挡位、操作简便的多功能光功率计.具体介绍了光功率计中PIN光电探测器的特性、前置放大电路设计方法和减小噪声的措施.

超低功耗频率采集器的设计

为了检测通信电缆上安装的若干压力传感器的工作状况和性能好坏以确保通信质量,文中给出了使用便携式频率采集器检测压力传感器的性能以及工程安装情况的系统原理框图,同时阐述了MSP430F1121单片机的应用及开关电源电路的设计方法,并对电路功耗的测试数据进行了分析。

基于霍尔元件的螺线环磁场测量装置及实验设计

根据“新工科”背景下大学物理实验教学的改革需求和霍尔元件发展的新趋势,研制了螺线环磁场测量装置,装置由自制的磁场测试仪、霍尔元件尺、移动导轨和螺线环组成。通过给螺线环通入直流励磁电流(强度可调),使螺线环内部产生稳定的磁场,使用自行设计的霍尔元件移动尺可测量螺线环磁感应强度与励磁电流、环路半径之间的关系,还可以测量螺线环的磁场分布和空气磁导率。相应的实验设计可以帮助学生直观地认识螺线环磁场的分布规律,理解霍尔效应测量磁场的基本原理,深化学生对磁场相关理论的理解,同时促进理论学习与工程应用的融合,培养并锻炼学生分析解决实际工程问题的能力。

光电效应实验教学系统

在传统光电效应实验仪的基础上,研制了基于嵌入式工控机的PEC-NPEE型LED光电效应实验教学系统。该系统核心的硬件电路有LED光源驱动电路、数控可调偏压电路和数据采集电路,采用嵌入式工业计算机作为控制端,使用最新的静电计级芯片实现精确的光电流检测,使用单色LED作为光源,可以精确地设定LED的工作电流,从而精确地调整光强,可以定量地验证光电效应与强度相关的实验规律,可以进行更精确地测量普朗克常数、测量光电管的伏安特性以及测量光电管的光电响应特性等实验,使学生能够更深刻的把握光电效应的实验规律。

基于EEMD和DWT的弱磁异常信号提取方法

磁异常信号中蕴含着丰富的目标特征信息,是开展目标定位与识别的基础。然而,目标的磁异常随着探测距离快速衰减,使得远距离目标的弱磁异常信号通常埋藏在磁噪声中。针对低信噪比下弱磁异常信号的获取问题,提出基于集合经验模态分解(EEMD)和离散小波变化(DWT)的弱磁异常信号提取方法。首先,采用EEMD将弱磁异常信号分解为信号域磁信号和噪声域磁信号。随后,利用DWT的近似系数表征低频信号的特性,获取噪声域磁信号的低频信号。最后,将信号域磁信号与噪声域的低频信号进行叠加,从而获得弱磁异常信号。为了验证该方法的有效性,开展仿真实验和外场试验。结果表明:该方法能够有效地抑制背景磁噪声,提取目标弱磁异常信号,可为远距离目标的定位与识别提供有效的磁异常数据。

地磁总场测量阵列对磁性目标定位的方法

提出了用地磁总场对磁性目标定位的方法.以远场磁偶极子原理构建了地磁总场的测量阵列,设计了阵列对目标的定位算法,求解中采用二重梯度算法消除了地磁总场随时间变化和空间分布不均匀对目标定位的影响.实验验证了这种二重梯度算法的有效性.利用MATHCAD对定位算法中的非线性方程组进行了仿真,采用LINGO软件求解了阵列方程组.在松花江沿岸某地,用光泵磁传感器阵列对航行中的目标船进行了定位实验,所测磁场数据曲线与理论曲线完全吻合,证明了定位算法物理模型的正确性.提出了改进的磁场梯度偏置定位算法,进一步提高了目标定位精度.实验证明了这种地磁总场目标定位方法的可行性.

水的光学特性实验研究

对水的光学特性进行了实验研究,测量了海水和清水的透射光谱、在室温下的折射率以及折射率随温度变化的曲线,测量了海水、纯净水和清水对绿光(λ=532nm)的衰减系数;比较了清水、纯净水和海水的光谱特性、折射率和衰减特性的差异,为水下光学探测提供实验依据。

色度参数测量系统的研制

根据光电信息科学与工程专业光电综合实验课程的需要,研制了基于光纤光谱仪的色度参数测量系统,以光纤光谱仪、小型积分球等模块搭建装置,使用Python编写色度参数处理软件,实现分光光谱测色。系统测试结果有效性评估实验、混色实验、LED工作电流对发光光谱影响实验、常见照明光源光谱测量实验等测试结果,证明该系统满足GB/T7922-2008国标的要求,能够准确测量色度参数。该系统实验操作内容丰富,应用到光电综合实验中,可以帮助学生掌握色度参数测量的新技术和方法,提高学生灵活运用知识解决实际应用问题的能力。

温度传感技术实验数据采集系统的设计与实现

利用单片机技术,实现对温度传感技术实验测量结果的实时采集,通过计算机实现数据的实时显示、实验曲线的绘制、结果的保存及打印等多项功能。从而提高实验的效率与质量,让学生更好的理解实验过程及数据变化趋势,同时也对实时智能采集系统产生一定的了解,对学生综合能力的培养十分有益。

轨道缺陷图像检测算法的优化

根据轨道健康状况无损检测的需求,基于OpenCV软件对轨道缺陷图像检测BM3D算法进行了优化.利用小波变换优化BM3D算法,提出BM2D+1D的算法模式,改进后算法的运算效率提高了39.6%,图像峰值信噪比提高了0.388dB.利用图像增强LOG算子和Gamma算子对Canny算法进行改进,不仅优化了算法运算复杂度,同时滤除了大部分虚假边缘信息和无意义像素信息,运算效率提高了81.4%,使Canny算法的阈值可大范围调节并确定最优解,提高了算法的灵活度.

舰船地震波远程定位方法研究

随着舰船噪声抑制技术的提高,利用水声远程定位舰船目标变得越来越困难.而舰船地震波能量主要集中在固体和液体的分界表面,在海底衰减缓慢,可以远程传播.利用舰船地震波实现对目标的远程定位可以弥补水声远程定位的不足.本文分析了舰船地震波的传输耦合机理,研究了基于九元海底地震计环形阵列的梯度下降算法和单纯形算法对目标的定位.仿真计算证明,梯度下降算法和单纯形算法可以减小定位误差,单纯形算法具有更高的定位精度和稳定性.

基于Proteus软件的单片机课程线上教学探索

新工科背景下,以疫情期间课程线上教学需求为契机,提出一种基于Proteus软件的单片机课程线上教学模式。结合OBE理念,以学以致用为目的,教学内容主体设计成采用Proteus软件的单片机虚拟仿真功能解决工程应用任务,培养学生运用专业知识解决工程问题的应用能力和创新意识。构建多元化考核方式,从3个维度对学生的基础知识、实践应用能力和专业素养进行全面的评价,引导学生全面发展,把握平时的教学效果。从学生的考核成绩与反馈可知,课程的线上教学实施取得了良好的效果,为单片机课程线上教学改革提供一种参考和借鉴。

自适应中值滤波器优化及其FPGA实现

针对现有自适应中值滤波器运行耗时长以及在高椒盐噪声密度下去噪性能低的问题,提出一种基于FPGA的自适应中值滤波器优化方法,对铁轨图像进行滤波研究。加入像素噪声阈值判断和二次求中值的方法,提高图像在大椒盐噪声密度下的处理能力,在大窗口中只对外围像素求中值减少迭代处理,降低算法的复杂度和运算量,利用FPGA的流水线结构和并行处理能力,加速算法的运行。与现有仿真滤波效果最优的中值滤波器相比,优化方法图像细节保持更加完整,运算量降低15%,峰值信噪比值平均提高0.9 dB,采用FPGA运行优化算法将耗时降低到了毫秒级,为铁轨图像实时处理应用提供了基础。

基于73M2901的远程数据传输系统

介绍一种远程数据传输系统。该系统是通信电缆健康状况监测系统的一部分,它基于μC/OSII软件平台,使用LPC2132控制Modem芯片73M2901,通过电话线实现数据远程传输。该方案工作可靠,成本低,易于升级,可以广泛应用于工业远程监控、智能家居、无人值守场所等各个领域。

基于脉冲法的LED结温测量实验仪

介绍了采用脉冲电流测量LED结温的方法,并设计了一种结温测量实验仪,基于此仪器可以研究LED恒温装置的PID控制,测定脉冲电流参数对LED结温的影响,拟合LED结温与结电压的关系曲线来测量LED结温。实验结果表明,脉冲法测温准确,能够反映真实工作状态下的LED结温,具有操作便捷、非破坏性的特点。将该仪器应用到光电信息科学与工程专业的光电综合实验课程,可以加深学生对LED结温测试方法的理解,提高学生的动手能力,培养学生综合知识应用的能力。