“以賽促教”在信息化教學中的實踐思考

花奇芹，徐玲，翟娟

揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225000

0 引言

節(jié)能減排、持續(xù)發(fā)展、綠色制造、建設(shè)生態(tài)文明，這既是對十九大精神的踐行，也是我們所有人必須承擔的社會責任。全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽以“節(jié)能減排、綠色能源”為主題，是由教育部門和眾多高校協(xié)作舉辦的一項競賽。重在鍛煉學生的動手能力、思維能力、人際交往能力、團結(jié)協(xié)作精神和提高學生的綜合素質(zhì)，同時促進環(huán)境工程、能源動力、機械工程等相關(guān)專業(yè)的建設(shè)。

創(chuàng)新在國家發(fā)展、民族進步中扮演著重要的角色。在經(jīng)濟發(fā)展起來后，智能化產(chǎn)品發(fā)展崛起并受到廣泛應用。其中，智能化家居在人們的生活起居中起到至關(guān)重要的作用，它利用先進的計算機技術(shù)、自動化系統(tǒng)等給人們提供節(jié)能、舒適、環(huán)保、便利的居住環(huán)境。本文根據(jù)揚州大學廣陵學院的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標、結(jié)合節(jié)能減排大賽、以智能油煙機為例，培養(yǎng)大學生的奮進意識和創(chuàng)新能力，從而更好地實現(xiàn)自我發(fā)掘和完善，為學生們的終身教育奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 選題的背景及意義

20世紀70年代末，我國的科技信息研究人員在外學習，在了解國外的許多信息后就有了在國內(nèi)開發(fā)油煙機的想法。但是因為各方面條件都不滿足，中國并沒有公司去開發(fā)油煙機。1987年7月是我國油煙機發(fā)展的轉(zhuǎn)折點，桅燈制造廠將我國臺灣地區(qū)生產(chǎn)的油煙機進行拆解重組，中國大陸地區(qū)的第一臺油煙機至此產(chǎn)生，此后油煙機在國內(nèi)迅猛發(fā)展。

國外研究專家研究發(fā)現(xiàn)：一種被叫做苯并芘的致癌物質(zhì)存在于廚房油煙里，這種致癌物質(zhì)會讓體細胞染色體變異進而引發(fā)局部組織癌變。國際品牌的抽油煙機包括意大利的白朗、艾麗卡、華倫帝、家寶、法貝、帝斯、阿里斯頓等，但是并不暢銷。然而國內(nèi)暢銷品牌的設(shè)計是借鑒MODULO蒙特羅系列和阿里斯頓XH90抽油煙機的技術(shù)。雙渦輪、適宜的電機功率、無集和小集煙倉、大部分的層致密網(wǎng)板相互累加是歐式油煙機重視的部分。中式抽油煙機的優(yōu)點是抽排煙效果很好，缺點是油煙分離不易，也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。歐式抽油煙機優(yōu)點是噪聲低、可分離油煙、又節(jié)能環(huán)保，缺點是抽油煙效果較為遜色。因為技術(shù)方面不滿足市場要求，所以大部分形型較薄的抽油煙機已經(jīng)不適用于市場，占領(lǐng)市場很久的是深抽型，因此歐式抽油煙機的發(fā)展空間相對較大。然而歐式和中式油煙機相比，因為產(chǎn)品門檻不夠高，所以沒有特別的技術(shù)含量。

油煙中含有有毒物質(zhì)，比如說其中會含有一定的丙烯醛成分，它會刺激呼吸道黏膜，誘發(fā)鼻炎或角膜炎癥；還有一些致癌物質(zhì)，比如說苯并芘會大大增加患肺癌和胃癌的可能性，導致人體臟器功能下降。油煙是由固液氣三種形態(tài)共同構(gòu)成的，因此分離法是油煙凈化技術(shù)的常用方法，包含濕式、機械式、復合式和靜電式凈化法等方法。濕式凈化法主要包括水簾和無泵清洗的方法；機械式凈化法即采用慣性碰撞進行油煙凈化，當油煙氣通過設(shè)備的格柵和濾網(wǎng)時，大顆粒會被阻隔下來；靜電式凈化法采用高壓靜電吸附除塵的工作原理?，F(xiàn)在市場上比較先進的油煙凈化方法是等離子凈化油煙。它采用脈沖高壓高頻等離子體電源和齒板放電裝置，讓其產(chǎn)生高強度、高濃度、高電能的活性自由基，在極短的時間內(nèi)，對有害的其他分子進行氧化還原反應，打開有機氣體分子間的分子鍵，讓有害物質(zhì)分解，將油煙機產(chǎn)生的大部分污染物降解成水、二氧化碳等其他易處理的物質(zhì)，還會產(chǎn)生許多的負離子起到清新空氣的作用。

現(xiàn)在用于居民廚房[1]的抽油煙機工作原理是通過葉輪的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生慣性分離的同時產(chǎn)生氣力輸送，再經(jīng)過過濾系統(tǒng)進行對油煙的凈化處理。但是抽油煙機也有隱藏的危害，如果排油煙系統(tǒng)長期不清洗可能會有火災隱患，油煙機的排油煙罩漏油滴在爐頭上很容易引起火災，風機葉輪、機壁機底積油太多則會影響風機正常運轉(zhuǎn)，負荷過重時會引起油煙機發(fā)熱，進而導致電線短路造成火災。而且抽風機葉輪由上百片葉槽組成，若積油太多堵塞葉槽，會降低油煙機的抽風效果、油污黏住電機轉(zhuǎn)軸，加大了摩擦力，電機負荷也會增大。由于葉輪、煙道上的油黏性增加，使得排氣不通，增加了油煙在廚房空間中的擴散。油煙若滴到皮膚上，會加速皮膚老化、黑色素增多等一系列問題，并且很大程度會加大患癌風險。

綜上所述，為了在廚房烹飪時的安全與健康問題能夠有所保障，就必須得把做飯時產(chǎn)生的油煙排出并進行凈化，這樣才能創(chuàng)造出一個干凈衛(wèi)生的環(huán)境，對中國的可持續(xù)發(fā)展也起到了推動作用。再者，中國人口基數(shù)龐大，做飯時產(chǎn)生的油煙就更多了，所以，廚房抽油煙機凈化油煙的意義重大。使用抽油煙機是可以改變廚房環(huán)境空氣的有效手段，因為將烹飪過程中產(chǎn)生的有害氣體吸走了，從而減少了油煙對人體造成的傷害。

基于單片機[2]的家用智能油煙系統(tǒng)設(shè)計不僅實現(xiàn)了抽油煙，還實現(xiàn)了智能化抽油煙，并且對電機的轉(zhuǎn)速進行了跟蹤控制，從而最大程度降低能耗，以達到節(jié)能的目的。此外還配備了火災聲光報警的功能，當煙霧濃度或溫度過高時，油煙機會發(fā)出警報，達到安全預警的效果。

2 實施過程

2.1 引導學生提出思路，進行整體方案的設(shè)計

關(guān)于怎么引導，我認為需要讓同學們掌握設(shè)計構(gòu)思的基本思路，讓學生明白，設(shè)計構(gòu)思到底需要想什么，意為想要實現(xiàn)哪些功能，把大體框架構(gòu)思出來，其次怎么想，意為從細節(jié)著手，大框架下的小模塊具體通過哪些東西來實現(xiàn)。

基于這方面的思考，同學們建議可以讓該系統(tǒng)主要分為檢測和控制部分，煙霧檢測[3-6]電路模塊、溫度檢測電路模塊三個部分為檢測部分，該系統(tǒng)的控制部分主要包括按鍵電路模塊、單片機IAP15F2K61S2、蜂鳴器聲音報警電路模塊、LCD顯示電路模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 基于AT89S51微處理器的系統(tǒng)原理圖

單片機通過對檢測信號的采集，對于污染大且溫度較高的油煙使用熱敏性傳感器來檢測，對于危險系數(shù)大且溫度低的燃氣將使用氣敏性傳感器來檢測。當廚房里的有害氣體或者油煙達到傳感器可檢測到的值時，傳感器會將采集到的信號送入單片機，單片機經(jīng)分析后會使控制電機啟動的電路和聲音報警電路同時啟動，有害氣體會被抽油煙機馬上抽走，從而確保廚房的環(huán)境安全。該設(shè)計設(shè)置有定時的功能，可以設(shè)置抽油煙機的工作時間長度，從而實現(xiàn)智能抽油煙的功能。

在機械部分，芯片采用宏晶科技有限公司出品的IAP15F2K61S2芯片作為核心的微型控制器，它具有清晰度、安全系數(shù)高、抗性高、功耗低等優(yōu)點。此外選用DS18B20為數(shù)字傳感器，采集到的信息從單線接口輸入DS18B20或者從DS18B20輸出，因此從控制核心AT89S52單片機到溫度傳感器DS18B20僅僅只需要用一條線進行連接。由于讀寫控制段、可進行溫度轉(zhuǎn)換的電源數(shù)據(jù)線是自己提供的，所以也不需要額外的電源。

此外，我們還應用了MQ-2煙霧傳感器，它具有靈敏度高、壽命長的優(yōu)點。煙霧傳感器的電阻值會隨著氣體的種類和濃度變化而發(fā)生變化，煙霧的濃度越大，導電率就會越大，輸出電阻阻值就越低，輸出的模擬信號就越大。檢測裝置主要是通過對產(chǎn)生油煙的壓力進行檢測判斷，達到風機工作的額定值時，風機便會開始工作，進而完成凈化。

2.2 培養(yǎng)學生創(chuàng)新思路，進行創(chuàng)新性研究

在指導過程中培養(yǎng)同學們的創(chuàng)新意識也很重要，創(chuàng)新不是空中樓閣，所有的創(chuàng)新都是基于一定的理論和技術(shù)支撐的，因此，在構(gòu)思后，我們搜索了大量的文獻資料，我們發(fā)現(xiàn)在科學技術(shù)不斷發(fā)展的今天，人們對家居生活需要也逐漸增加，所以大家也越來越關(guān)注食物的安全和健康問題。人們對油煙機性能[7]的要求也不斷加強。目前的家電市場上有許多可以手動調(diào)節(jié)換擋位的抽油煙機[8]，這些油煙機可以將在廚房烹飪時產(chǎn)生的致癌氣體和油煙氣體抽走，具有高速擋位、低速擋位和燈光照明的功能。但還是會產(chǎn)生一些不好的影響，例如在使用過程中，油煙機會產(chǎn)生許多不必要的能源浪費且無法預防火災的發(fā)生，而這一問題就是新型油煙機所要解決的。所以，本設(shè)計要在傳統(tǒng)抽油煙機的功能基礎(chǔ)上，增加跟蹤煙霧濃度調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速和火災聲光報警等功能。主要通過煙霧傳感器來及時檢測油煙機產(chǎn)生煙霧的濃度，通過ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)處理傳送給單片機，再與設(shè)定的閾值進行數(shù)據(jù)對比后進行處理，再利用脈寬調(diào)制，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)脈沖寬度，進而實現(xiàn)不同的電壓輸出，對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)控制，進而可最大程度使得能耗降低，這樣就可以滿足節(jié)能環(huán)保的目的。此外還配備了火災聲光報警的功能，當煙霧濃度或溫度過高的時候，油煙機自動地發(fā)出報警，達到安全預警的效果。為了滿足使用者的需求，還配有風扇定時運行的功能。

全國許多城市都已普及家用電器，但是有很大一部分家電在節(jié)能方面還有待改進，因此該設(shè)備的市場應用前景是很可觀的。

2.3 鼓勵學生動手實踐，進行難題解決

團隊成員通過分工合作進行實踐。油煙凈化系統(tǒng)由四個部分組成：風量調(diào)節(jié)閥和風機、油煙凈化裝置、油煙檢測裝置、油煙收集裝置和發(fā)生器。油煙控制裝置可以通過從檢測系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)中獲得信號，然后進行控制和操作風量調(diào)節(jié)閥和風機。我們根據(jù)系統(tǒng)所需要的采樣點來設(shè)置參考標準，由于凈化油煙是油煙凈化系統(tǒng)的主要目的，所以油煙凈化設(shè)備是油煙凈化系統(tǒng)最重要的部分。

我們發(fā)現(xiàn)當前的油煙凈化設(shè)備只是可以減少油煙中的致癌物質(zhì)，離完全凈化油煙還相差甚遠。雖然當前的油煙凈化設(shè)備在工作后對環(huán)境造成的污染較小，可是目前由于技術(shù)不過關(guān)，所以需要對油煙凈化技術(shù)進行研究與改進，在探索改進過程中達到油煙的完全凈化是至關(guān)重要的。

因此，為了可以凈化油煙，減少廚房油煙對空氣產(chǎn)生的污染，與同學們商量后我們打算通過控制風機來調(diào)節(jié)油煙的排出流量。如圖2所示是油煙凈化系統(tǒng)的原理圖，我們根據(jù)原理圖進行實踐。

圖2 油煙凈化系統(tǒng)的原理圖

2.4 分析最終實踐結(jié)果

本系統(tǒng)使用C語言高級語言進行編程，AutoCAD繪圖軟件進行相關(guān)圖的平面繪制和proteus進行仿真實驗，主要的程序一共包含五個方面，通完電的系統(tǒng)先開始初始化，在完成溫度和氣體濃度的采集后再對溫度和氣體濃度進行處理[9]、處理完后開始數(shù)據(jù)顯示、最后實施鍵盤處理功能。濃度測試段主要通過傳感器來進行檢測，溫度和氣體濃度數(shù)據(jù)的采集任務是溫度和氣體濃度采集部分主要完成的；溫度和氣體濃度的處理部分主要是把我們收集到的濃度和溫度數(shù)據(jù)樣本與此次設(shè)計設(shè)定的上限溫度和上限氣體濃度值進行比較，比較處理完后再看看是不是超過了設(shè)定上限值，如果超過上限那么蜂鳴器就會發(fā)出聲音報警；數(shù)據(jù)顯示部分的作用顧名思義是實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示，顯示部分分為有固定顯示和根據(jù)設(shè)計要求所設(shè)置的一到四個溫度參考點的輪流循環(huán)顯示；鍵盤處理部分可用于用戶對系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的實現(xiàn)，將這兩個部分結(jié)合起來，就可以將人與系統(tǒng)間建立聯(lián)系，從而提高人們對信息系統(tǒng)的應用水平。

系統(tǒng)主控機的設(shè)計包括油煙和煤氣濃度檢測程序、油煙溫度檢測程序、中斷鍵盤掃描程序、蜂鳴器中斷報警[10-11]服務程序和LED顯示程序，選擇設(shè)備號的同時發(fā)送命令，處理并顯示采集到的數(shù)據(jù)是其重點任務。當運行狀態(tài)的標志位是低電平時，系統(tǒng)是否工作會由開關(guān)控制；當運行狀態(tài)的標志位是高電平時，系統(tǒng)檢測則會自動運行。

首先，我們先對單片機系統(tǒng)進行初始化設(shè)置，然后發(fā)現(xiàn)開機界面顯示了出來。當運行狀態(tài)的標志位為高電平時，系統(tǒng)開始運行；當P3.0引腳等于0時，電機就會開始工作，在工作過程中，如果將工作時間設(shè)置成120秒，那么程序就會結(jié)束并且返回到初始狀態(tài)。當運行狀態(tài)的標志位為低電平時，油煙工作系統(tǒng)就會受到開關(guān)的控制，是開/關(guān)S1控制的。例如，當開關(guān)S1被按下，此時電機就處于啟動狀態(tài)，進而開始工作。與我們設(shè)想的結(jié)果一樣，實踐成功。

3 進行師生交流，總結(jié)經(jīng)驗分享成果

在實踐完成后再與同學們分享心得，例如對煙壓力的檢測通常是通過壓力傳感器[12]來實現(xiàn)的，壓力傳感器可以將感知到的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，可是電信號是很微弱的，那么我們要怎么消除這個難題呢？大學生在《模擬電子技術(shù)》中學過放大電路，將所學的理論知識和實踐中的困難聯(lián)系起來，就可以接入一個放大電路，再轉(zhuǎn)化成模擬電壓輸出，并且同時將信號傳導到電氣控制裝置。從這次實踐中我們學到，當我們遇到挫折時，要從多個方面去思考問題，把問題看得全面、周全了，再靜下心來開拓我們思維的維度，看看是否能從其他方面著手，思維不要受到限制，再去解決問題。

通過此次項目的研究，大家互相交流合作。同學們了解到想要設(shè)計一個完整的項目首先需要構(gòu)思一個大體的內(nèi)容框架，這樣就有了目標，以便有針對性地完成各個部分的詳細計劃。在進行實踐的過程中，更重要的是耐心和細心，遇到挫折也不要萎靡，要善于利用所學的知識去克服它，最后圓滿完成實踐。

4 結(jié)語

擁有自我創(chuàng)新的意識和能力是人綜合能力的外在表現(xiàn)，高度整合的知識、不斷求索的決心和個性化的思想是其基礎(chǔ)。在參加節(jié)能減排競賽的過程中，教師通過指導學生完成智能油煙系統(tǒng)，增強了同學們的節(jié)能減排意識，同時開發(fā)了同學們的創(chuàng)新意識和實踐能力。

在知識經(jīng)濟時代，知識的增速在加快，知識的淘汰周期在不斷縮短，知識的轉(zhuǎn)換速度在飆升。在這種情況下，對所學習的知識進行選取、歸并、轉(zhuǎn)化和應用是非常重要的。因此，如何引導學生利用已有的知識創(chuàng)造新的果實是教師們不斷追尋的目標。