低頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：“低頻電子線路”是電子與通信專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)有著重要作用。首先明晰了工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上采用演示教學(xué)法、引導(dǎo)性教學(xué)方法、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法以及結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)等多種措施在教學(xué)方法和教學(xué)手段上進(jìn)行改革創(chuàng)新。實(shí)踐證明，改進(jìn)后的低頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在培養(yǎng)高素質(zhì)工程實(shí)踐人才方面效果顯著。

關(guān)鍵詞：低頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)；工程實(shí)踐能力；教學(xué)方法

當(dāng)前，國(guó)家對(duì)高等教育培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新型人才提出了很高的要求。各高等院校圍繞如何提高工科學(xué)生的工程實(shí)踐能力進(jìn)行了大量的教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)改革。[1，2]“低頻電子線路”是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。該課程對(duì)于學(xué)生了解工程實(shí)踐含義、獲得工程實(shí)踐技能有著基礎(chǔ)性的引導(dǎo)作用。科學(xué)的進(jìn)行課程教學(xué)，有針對(duì)性的安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以幫助學(xué)生打下扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)生高水平的工程素質(zhì)。為此，本文針對(duì)“低頻電子線路”課程特點(diǎn)，采用多種措施對(duì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行了優(yōu)化，以培養(yǎng)高素質(zhì)的工程實(shí)踐人才。

一、電子類(lèi)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)

工科院校的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生成為具有良好工程素質(zhì)，具備工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。學(xué)校應(yīng)該按照教育規(guī)律對(duì)學(xué)生進(jìn)行有層次、有側(cè)重的工程能力訓(xùn)練。“低頻電子線路”是電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)中一門(mén)基礎(chǔ)性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生基本的工程能力和奠定良好的工程技術(shù)基礎(chǔ)有著重要的作用。[3]

對(duì)于電子類(lèi)學(xué)生而言，了解電子系統(tǒng)的工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程是培養(yǎng)工程素質(zhì)的首要條件。設(shè)計(jì)一個(gè)電子系統(tǒng)，首先必須明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，并據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)方案的比較、選擇，然后對(duì)方案中的各部分進(jìn)行單元電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和元器件的選擇，再利用EDA技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的單元電路進(jìn)行仿真和分析，最后將各個(gè)單元電路進(jìn)行連接，畫(huà)出一個(gè)符合要求的完整的系統(tǒng)電路圖，形成印制電路板。一個(gè)性能優(yōu)良、可靠性高的電子系統(tǒng)，除了需要先進(jìn)合理的設(shè)計(jì)之外，高質(zhì)量的組裝與調(diào)試也是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對(duì)電子系統(tǒng)的調(diào)試主要包括通電前檢查、通電檢查、分模塊調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)幾部分。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是調(diào)試的關(guān)鍵，需要觀察各個(gè)功能模塊前后級(jí)之間的信號(hào)關(guān)系，檢查系統(tǒng)的性能參數(shù)、分析測(cè)量的數(shù)據(jù)和波形是否符合設(shè)計(jì)要求等。[4]另外，對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障和問(wèn)題需要及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施。

電子系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到安裝調(diào)試都需要一定的工程技術(shù)能力。其中基本技能主要包括三個(gè)方面：一是能夠熟練使用各種電子儀器儀表；二是能夠掌握正確的電信號(hào)測(cè)量方法；三是要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。[5]低頻電子線路工程實(shí)踐素質(zhì)主要包括以下幾部分：能夠熟練使用各種常用的儀器儀表；能夠正確理解各種電路性能參數(shù)；能夠掌握各種電路參數(shù)的調(diào)整方法；能夠快速進(jìn)行電路故障定位與排除。上述幾方面均可以通過(guò)低頻電子線路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行訓(xùn)練并得到提高。

二、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的方法

工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)涉及到多個(gè)方面，應(yīng)根據(jù)具體情況在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，采取不同的教學(xué)方法，通過(guò)豐富多樣的教學(xué)手段才能達(dá)到好的教學(xué)效果。

1.演示教學(xué)法

實(shí)驗(yàn)之初，由于學(xué)生初步接觸，掌握程度不高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間，影響其余內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果不佳。針對(duì)這種情況，通過(guò)采用形象的演示教學(xué)法，使學(xué)生盡快熟練掌握儀器的基本使用，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試測(cè)試奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以充分利用多媒體設(shè)備，通過(guò)圖片、視頻等多媒體手段展示電路工作原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。比如，在低頻實(shí)驗(yàn)基本實(shí)驗(yàn)晶體管單管交流放大實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)電路連接方式進(jìn)行講解。通過(guò)采用圖片的說(shuō)明方式，形象講授了儀器操作方法、電路原理和電路連接。圖1為河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院自行制作的低頻電子線路實(shí)驗(yàn)板的連接示意圖。

2.問(wèn)題公開(kāi)討論的引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方法

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課往往需要10～15分鐘介紹原理，然后讓學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的實(shí)驗(yàn)步驟做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生只按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行操作，往往流于應(yīng)付，教學(xué)效果不好。為了取得比較好的實(shí)驗(yàn)效果，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式進(jìn)行了調(diào)整。

首先，在預(yù)習(xí)階段，要求學(xué)生通過(guò)仿真軟件對(duì)電路的原理、指標(biāo)和預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行提問(wèn)，并根據(jù)學(xué)生回答問(wèn)題的情況進(jìn)行適當(dāng)講解，可以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的印象，為后面的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

其次，在上課過(guò)程中允許以小組討論的形式做實(shí)驗(yàn)。在以往做實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了方便管理，往往要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能隨便交談，太過(guò)強(qiáng)調(diào)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，忽略了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)本身就是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程。實(shí)際上，討論學(xué)習(xí)也是有效的學(xué)習(xí)方式。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以請(qǐng)教同學(xué)，一起探討。當(dāng)需要教師幫助時(shí)，指導(dǎo)教師也不再像以往那樣單獨(dú)進(jìn)行輔導(dǎo)，而是就一個(gè)共性問(wèn)題對(duì)周?chē)耐瑢W(xué)一起進(jìn)行討論輔導(dǎo)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，也培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神。

最后，以引導(dǎo)的教學(xué)方法輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。通常指導(dǎo)教師在輔導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極端：一是教師直接幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，二是教師放任不管。這兩種情況都不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。直接幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會(huì)造成學(xué)生的依賴(lài)心理，使學(xué)生懶于動(dòng)腦。放任學(xué)生，有些學(xué)生會(huì)蒙混過(guò)關(guān)，抄襲同學(xué)數(shù)據(jù)。比較好的做法是采用引導(dǎo)的教學(xué)方法，遇到問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生自己找到原因，使其真正理解實(shí)驗(yàn)原理，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題。

3.通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)延伸傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有著真實(shí)實(shí)驗(yàn)所不具備的功能。首先，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有初步的了解。其次，由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的硬件條件有限，限制了很多實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。這方面的缺陷卻可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)。學(xué)生可通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)儀器設(shè)備操作和實(shí)驗(yàn)步驟等進(jìn)行了解與熟悉。可以看出采用虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將不再受到場(chǎng)地、儀器、硬件等各種條件的限制，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展和延伸了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。[6]

目前，市面上有很多仿真軟件，其中Proteus ISIS軟件是Labcenter公司開(kāi)發(fā)的一款電路分析與實(shí)物仿真軟件。使用該軟件可以仿真、分析各種模擬電路、數(shù)字電路以及數(shù)模混合電路。同時(shí)該軟件還支持仿真單片機(jī)及外圍邏輯元器件，并提供了簡(jiǎn)便易用的印刷電路板設(shè)計(jì)工具。

在實(shí)際教學(xué)中，恒流源作為有源負(fù)載的差分放大器是低頻電子線路中的授課重點(diǎn)和授課難點(diǎn)。學(xué)生難以理解恒流源直流電阻小、交流電阻大的特點(diǎn)。所以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建如圖2所示的有源負(fù)載差分放大器，其中兩個(gè)三極管的公共發(fā)射極接入兩個(gè)晶體管組成的恒流源負(fù)載。利用proteus仿真軟件提供的測(cè)量工具，比如電壓探針和電流探針工具可實(shí)時(shí)觀測(cè)電路中各個(gè)部分的電流、電壓參數(shù)，幫助理解差分電路的工作原理，為真實(shí)實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。

4.結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心目的是通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)工程素質(zhì)，而真正的落腳點(diǎn)在于學(xué)生能夠?qū)W以致用，把課堂學(xué)習(xí)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中。因此，拋開(kāi)實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是沒(méi)有生命力的。將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工程項(xiàng)目相結(jié)合，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)。在“低頻電子線路”教學(xué)中，運(yùn)算放大器應(yīng)用部分是日后實(shí)際應(yīng)用的重點(diǎn)。為此，結(jié)合運(yùn)算放大器的各種應(yīng)用，提出了具有工程背景的電路設(shè)計(jì)要求。這樣學(xué)生在理解課堂講授的加減法電路、微積分電路、振蕩電路的電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)電路的性能參數(shù)以及元器件選型等工程內(nèi)容都有了一定的掌握。

在控制和采集系統(tǒng)中，經(jīng)常通過(guò)各種傳感器采集多種非電量信號(hào)，如壓力、溫度、形變等。通常這種電信號(hào)的變化非常小，故而首先需要將這些微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)要求具有極高的共模抑制比。根據(jù)這一工程背景，要求學(xué)生采用一片四運(yùn)放LM324芯片設(shè)計(jì)一個(gè)高增益差分輸入的儀表放大器。電路原理如圖3所示。

三、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的要求，結(jié)合“低頻電子線路”的課程特點(diǎn)，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中改進(jìn)了教學(xué)方法，對(duì)低頻課程的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改革，豐富和拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)方法。目的是使學(xué)生能夠更好地掌握低頻課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。教學(xué)實(shí)踐證明，改進(jìn)后的教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生更大的學(xué)習(xí)熱情，取得了較好的工程實(shí)踐訓(xùn)練效果。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：孫晴）