毛愛華+黃宣銘+李國峰+趙存虎

摘要：創(chuàng)新能力是民族進(jìn)步的靈魂、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動力。大學(xué)生科技制作是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的一種有效途徑[1]。通過液晶數(shù)顯炒鍋的構(gòu)思、制作方案的設(shè)計、制作材料的遴選、作品安裝調(diào)試等關(guān)鍵步驟，可以激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新潛能，可有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新能力；科技制作；數(shù)顯炒鍋

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）12-0104-02

21世紀(jì)世界的競爭，主要是人才和科技的競爭。我國要實(shí)現(xiàn)民族復(fù)興的偉大目標(biāo)，就必須培養(yǎng)出越來越多的高科技創(chuàng)新人才[2]。高等院校是培養(yǎng)未來所需人才的基地，為進(jìn)一步營造校園科技創(chuàng)新氛圍，鼓勵支持學(xué)生開展課外科技創(chuàng)新活動，提升學(xué)生科學(xué)研究能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

一、制作液晶數(shù)顯炒鍋的思路

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是工科大學(xué)生必修的一門重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，其中開設(shè)有：液晶的電光效應(yīng)研究、溫度傳感器的溫度特性測量，溫差電偶的定標(biāo)和測溫三個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生將這三個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合到一起，將所學(xué)到的知識運(yùn)用到發(fā)明創(chuàng)新中，制作一件科技作品——液晶數(shù)顯炒鍋。制作目標(biāo)：不同的食材、不同的烹制方式所需要的溫度是不一樣的。生活中常用的識別油溫高低的方法是通過油表面生產(chǎn)的油煙多少以及用手感覺熱量來判斷的，這只能粗略估計油溫度，是不準(zhǔn)確的。新型的數(shù)顯炒鍋可用溫度傳感器測量溫度，溫差電偶產(chǎn)生的熱動勢驅(qū)動液晶屏實(shí)現(xiàn)時時顯示油溫的功能。

二、制作數(shù)顯炒鍋的知識準(zhǔn)備

制作數(shù)顯炒鍋要用到的關(guān)鍵電子器件：溫度傳感器、溫差電偶以及液晶屏，必須了解這三種器件的工作原理及特性參數(shù)，并思考如何將這三個器件有效地組裝在一起制作液晶數(shù)顯炒鍋，此過程是培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新思維的過程。

1.學(xué)習(xí)溫度傳感器的相關(guān)知識。閱讀大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材、網(wǎng)上查閱文獻(xiàn)、了解傳感器的原理、不同種類、使用范圍等，結(jié)合炒鍋的溫度特點(diǎn)，將NTC1K、PN結(jié)、PT100三種溫度傳感器作為備選材料，其中PT100溫度傳感器的測溫范圍在-200℃—650℃，具有線性好、耐高溫、響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)[3]，被作為重點(diǎn)測試材料；在各種溫度傳感器篩選過程中培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力及獨(dú)立思考問題的能力。

2.學(xué)習(xí)液晶材料的相關(guān)知識。了解液晶材料的分子結(jié)構(gòu)、物理特性及電光效應(yīng)原理、液晶板面構(gòu)成、顯示圖像原理、像素的概念、液晶屏閾值電壓值、不同液晶材料的應(yīng)用等等，通過網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)，能夠鞏固書本知識、擴(kuò)大知識面，做好自制前的準(zhǔn)備工作。

3.學(xué)習(xí)熱電偶的相關(guān)知識。查閱熱電偶的相關(guān)知識：熱電偶的基本原理是兩種不同成分的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。再通過測量儀表就可以輕松地獲得熱電動勢的值。需要了解熱電偶的種類、測溫范圍等知識，篩選適合制作數(shù)顯炒鍋的溫差熱電偶。

三、引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計液晶數(shù)顯炒鍋的制作方案

1.溫度傳感器的選材。在引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計液晶炒鍋的制作方案的過程中，恰當(dāng)?shù)靥岢鰡栴}可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新欲望，例如：（1）炒鍋的使用溫度范圍？家庭烹飪時油溫是20℃—240℃左右，炒菜時溫度假如超過240℃，不僅會破壞大部分養(yǎng)分，并且還會產(chǎn)生許多對人體有害的物質(zhì)，制作炒鍋應(yīng)考慮到有的燃燒溫度可以達(dá)到600℃，應(yīng)采用較為寬泛的溫度范圍：20℃—600℃。（2）PT100鉑溫度傳感器、NTC1K溫度傳感器、PN結(jié)溫度傳感器哪種傳感器更加適合呢？實(shí)驗(yàn)測試作出三種溫度傳感器的溫度與阻值的對應(yīng)關(guān)系曲線。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外延，分析比對得知：NTC1K溫度傳感器、PN結(jié)溫度傳感器測溫范圍都達(dá)不到600℃，被淘汰；選擇PT100溫度傳感器比較適合，因?yàn)殂K電阻的測溫范圍在-220℃—650℃（特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，測量范圍大），PT100價格低廉，符合節(jié)約成本的要求。

2.溫差電偶的選材。學(xué)生要對不同的熱電偶進(jìn)行測試，測定溫差與熱電動勢的關(guān)系，才能選出最佳制作材料：（1）銅-康銅作為溫差電偶：實(shí)驗(yàn)測得熱動計算可知溫差為400℃時△U=17.9mv，ΔT=-200℃—300℃范圍內(nèi)，在廉價金屬熱電偶中，它的準(zhǔn)確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200℃—350℃，雖然靈敏度比較高，價格便宜，但炒鍋爆炒時食油燃燒溫度可達(dá)到600℃，銅-康銅熱電偶達(dá)不到要求，引導(dǎo)學(xué)生尋找高溫?zé)犭娕?。?）鉑銠10-鉑熱電偶：可以測0℃—1600℃范圍內(nèi)的流體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面等溫度。微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；但由于銠是從粗鉑中分離出的新元素，比較昂貴，制作成本高，選擇材料要經(jīng)濟(jì)實(shí)用，排除鉑銠10-鉑熱電偶。（3）鎳鉻—康銅熱電偶：也是一種廉價金屬熱電偶，該熱電偶的使用溫度為-200℃—900℃。其最大特點(diǎn)是在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高，宜制成熱電堆，可精確測量微小的溫度變化；溫差與熱電勢的參考數(shù)據(jù)ΔT=100℃時，△U=9.5mv；ΔT=200℃時，△U=16.4mv，ΔT=300℃時；△U=25.0mv；其還具有穩(wěn)定性好、抗氧化性能優(yōu)于銅-康銅、價格便宜等特點(diǎn)，是適合我們制作炒鍋用的材料。

3.測定液晶材料的特性。學(xué)生測定TN型（或STN型）液晶光閥特性，實(shí)驗(yàn)得知：液晶閾值電壓在0.9—1.0v左右，只有熱電偶提供超過這么大的動力，液晶分子才具有光電效應(yīng)，即炒鍋可以顯示溫度值的最低電壓值；一般情況下1.5v可以驅(qū)動數(shù)顯電路的運(yùn)行，從這一點(diǎn)上，也可以看出液晶屏是很節(jié)能的。為了達(dá)到液晶所需的驅(qū)動電壓，學(xué)生必須設(shè)計熱電偶的聯(lián)接方式、計算串聯(lián)所需的溫差電偶數(shù)量。我們選擇：外觀尺寸為1.5英寸、四段碼、工作溫度在0℃—600℃、正顯TN液晶屏。

四、數(shù)顯炒鍋組裝成型

數(shù)顯炒鍋鍋底為雙層復(fù)合型鍋底，內(nèi)部設(shè)置有鎳鉻-康銅溫差電偶測溫裝置，將鎳鉻-銅鉻熱電偶做成細(xì)絲狀（學(xué)生需事先計算出所需熱電偶的數(shù)量），設(shè)置方式為：將熱電偶以放射狀均勻埋置于鍋底，熱電偶的熱端均焊接在一起，置于復(fù)合鍋底的中心；另一端置于鍋沿的圓周上；熱電偶均以串聯(lián)方式聯(lián)接，可以起到熱電勢相加的效果，提供驅(qū)動液晶屏電路工作1.5V伏特電壓；鍋底同時設(shè)有PT100溫度傳感器用于測量鍋底溫度；鍋的端柄設(shè)置有1.5英寸的四段碼正顯TN液晶屏，普通TTL接口，精度達(dá)到0.1℃，準(zhǔn)確顯示溫度值；鍋的端柄還裝有數(shù)據(jù)采集器，將溫度的變化轉(zhuǎn)變成電流的變化；炒鍋的端柄內(nèi)部裝有液晶屏的顯示電路及傳導(dǎo)線；端柄與不銹鋼鍋體間裝有隔熱層。數(shù)顯炒鍋的研制過程中有許多關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)：學(xué)生需要思考新型的炒鍋如何實(shí)現(xiàn)時時顯示油溫？數(shù)顯炒鍋具有哪些功能？計算所需熱電偶的根數(shù)，連接的電路圖，畫出結(jié)構(gòu)示意圖；組裝調(diào)試過程中會遇到各種各樣的問題，解決制作中出現(xiàn)的問題，可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，不斷地學(xué)習(xí)新知識；發(fā)揮學(xué)生的聰明才智，改進(jìn)完善設(shè)計，找到解決問題的最佳方案，達(dá)到最佳效果。組裝的最終效果為：在鍋底安裝溫差電偶傳感器及溫度傳感器，在鍋把手柄上安裝液晶顯示屏電路。溫差電偶產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)變成溫度值，顯示在裝有液晶屏鍋的手柄上；火力不同，鍋溫不同，電信號不同，液晶屏可以時時顯示溫度值，一目了然。特點(diǎn)：在不用電的情況下，實(shí)現(xiàn)烹制食物過程中對溫度顯示的要求，炒鍋可在燃?xì)庠睢⒚簹庠钌鲜褂?，安全可靠?/p>

五、結(jié)束語

組織學(xué)生參與科技創(chuàng)新題目的設(shè)計與制作，培養(yǎng)了大學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識，具有發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，調(diào)動了其他同學(xué)參與科技創(chuàng)新活動的積極性與主動性，收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李仁芮，馮法軍，等.通過科技制作培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2013，15（6）：78-80.

[2]夏越新.高校學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思考[J].決策·探索，2003，（5）：55-56.

[3]成正維，牛原.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2010.