設計性實驗在實驗教學中的地位和作用

封利君+王方連

摘 要：實驗包括驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗等，驗證性實驗旨在加深學生對課堂基礎知識的理解，而設計性實驗對提高學生的設計能力、實踐能力和創新能力有著極其重要的作用。

關鍵詞：設計性實驗；驗證性實驗；集成運放

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.230

實驗教學是通過觀察和實驗進行知識學習、技能訓練、實踐能力和創新精神培養的教學形式。其主要目的是讓學生在獲取或鞏固理論知識的過程中，掌握和利用實驗手段發現問題和解決問題，培養學生的觀察能力、思維能力和實踐操作能力，激發學生的學習興趣和創新精神。

在長期的實踐教學中，我發現一個現象，大多的驗證性實驗并沒人給學生留下很深的印象，學生僅僅是將它當作一項“任務”去完成，而設計性實驗則完全不同，學生的興趣濃厚，會主動地去查閱一些相關資料，進行方案的選擇與設計，主動來實驗室的人多了，一些學生連下課后都不愿意離去。疑慮、喜悅交織在孩子們的臉上、卻深深地印在我的腦海中。通過與學生的交談，他們表示，通過這種設計性實驗，才真正理解所學相關知識的用途和作用，從而激發了他們對相關知識的學習興趣和動力。

在學到集成運算放大器的理論知識后，我們開設了相關的基礎性實驗和設計性實驗，在做集成運放的加、減法運算、積分運算、微分運算等基礎性實驗中，學生往往是按實驗指導書的實驗線路圖接好、驗證、走人，大家都沒問題，很少有人去思考“為什么”？但在隨后開設的設計性實驗時，情形則完全不同。我們要求學生用集成運放和實驗室中現有的毫安表表頭設計一個電子溫度計，這時各種各樣的問題都出現了，“集成運放還有這用途？”“電流表不是測電流的嗎，怎么還能測溫？”帶著種種疑問，學生們會開始在圖書館或互聯網上查閱各種相關資料，一有時間就來實驗室進行相關實驗，這也是一種學習啊，而且是主動性的學習！

1 下面是一個學生的部分實驗報告

集成運放實際上是一個高增益的多級直接耦合放大器，由于它通用性強，有“萬用半導體器件”之稱，目前已廣泛應用于檢測控制、儀表的通信等諸多領域。

2 集成運放的應用——溫度檢測

溫度檢測的原理圖見圖1，方框圖見圖2

2.1 特點

它具有測溫范圍寬（-50～+50℃）、精度高的特點

2.2 原理

圖中二極管V1為溫度傳感器，將它的集電極和基極短接，接成二極管，由于二極管PN結的正向電壓的大小隨溫度而變化，所以ui的大小可反映被測溫度的高低；當然PN結的電壓ui通常很小，它無法直接驅動后續的指示儀表，為此，由集成運放A1組成放大電路對ui進行放大，由A2組成的顯示電路來顯示溫度的高低。

2.3 分析

（1）溫度轉換。二極管V1由9V直流電源通過R1使其正向偏置，其正向電壓隨溫度的升高而下降，其規律是溫度升高1℃，ui下降2.5mV；

（2）放大電路。由集成運放A1構成同相輸入放大電路，其電壓放大倍數Au1=1+R4/R3 將輸入信號ui放大；

（3）溫度顯示電路。由集成運放A2構成反向輸入放大電路，用滿量程為1mA的電流表A指示被測溫度，圖中的R5和Rp用作調節.其測量范圍為-50～+50℃，調節Rp使電流表的分度值為0.01mA/℃，即溫度變化1℃對應電流表的電流變化0.01mA。其具體調節可這樣進行：當溫度為-50℃時，調節Rp使I5= I6，則IA=0，即電流表的零刻度處刻為-50℃，當溫度升高時， ui減少， I5亦相應減少，而I6不變，根據基爾霍夫電流定律知IA增大電流表指針偏轉角增大，且偏轉角與溫度成線性變化，這樣被測溫度的高低與電流表的刻度一一對應。例如電流表電流為0.5mA的刻度線對應溫度為0℃，1mA刻度線對應溫度為50℃等，當被測溫度低于-50℃時， IA電流方向相反，使二極管截止，電流表不指示，避免電流表指針反偏打彎。

我永遠也忘不了，當學生發現用他自制的溫度計測試的溫度與標準溫度計測試的溫度相差無幾時，那種激動、興奮的表情，他說：“老師，我想利用集成運放的非線性特性做一個溫控器。”顯然，他對集成運放的理解已不再是停留在原有層面上，這種設計性實驗能夠活躍學生的思維、激發學生的求知欲和創造欲，對提高學生的設計能力、實踐能力和創新能力有著極其重要的作用。

參考文獻：

[1]吳俊明.高校實驗室環境建設與管理問題[J].實驗技術與管理，2013（04）：46-47.

[2]李紅艷.改善實驗室環境，營造育人的良好氛圍[J].實驗技術與管理，2012（08）：56-57.

作者簡介：封利君（1966-），女，實驗師。endprint