有效利用報廢實驗設備為學生提供創(chuàng)新實踐平臺

陳 璨， 李 林， 劉復玉， 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

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有效利用報廢實驗設備為學生提供創(chuàng)新實踐平臺

陳 璨， 李 林， 劉復玉， 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

電子技術實驗儀器和實驗箱是學生完成電子技術實驗的硬件基礎,由于老化及技術進步等原因需要定期更新和報廢。通過將成批報廢的舊設備作為學生實習、課程設計等硬件平臺,同時鼓勵和引導學生參與實驗儀器和實驗箱的日常維護和維修,參與開發(fā)和自制新的實驗設備,不僅可以使學生了解實驗設備的工作原理、消除對實驗設備的神秘感、提高動手能力,同時實現(xiàn)了廢物利用,節(jié)約了成本。

報廢實驗設備； 自制儀器； 設備改造； 創(chuàng)新實踐平臺

教學實驗儀器和設備是高等院校進行教學、科研和對外提供服務的硬件基礎,在培養(yǎng)學生的動手能力和掌握理論知識中具有非常重要的作用。每年學校為實驗教學投入了大量的資金,購置了很多實驗設備[1-3]。與此同時每年有大量的電子設備和儀器需要報廢,這些儀器有的是因為技術落后或者課程的改革不再適合教學的需要,有的是因為到了報廢的年限。這些儀器設備經(jīng)過報廢程序報廢后,通常是由相關的企業(yè)進行回收和拆解,報廢儀器設備的殘值很低,幾百萬的設備可能回收價格只有幾萬元。如何充分挖掘報廢實驗設備這一潛在的“金礦”,充分利用報廢實驗設備這一硬件資源,在實驗硬件成本的節(jié)約和題目豐富、學生動手能力培養(yǎng)、實驗技術人員業(yè)務能力的提升等方面都有很重要的意義[4-5]。

1 報廢實驗設備處理現(xiàn)狀

以我校信息與控制工程學院實驗教學中心為例,教學中心承擔全校的電類基礎課程的教學任務,擁有30多個實驗室、價值數(shù)千萬元的實驗儀器和設備,每隔幾年就需要購入新設備、淘汰舊設備。通常在購入新設備前,必須先報廢已有的舊設備。2014年實驗中心共有便攜式開放教學實驗箱、數(shù)字電子技術實驗箱、現(xiàn)代電工電子實驗系統(tǒng)、電工技術實驗裝置等多種實驗儀器設備需要報廢,總價值700多萬元。這些需要報廢的舊設備首先由學院向學校遞交報廢申請,學校批復后由資產(chǎn)設備處進行公開招標,然后由相關的回收企業(yè)進行回收再利用。這是大多數(shù)學校處理報廢設備的正常流程。

廢舊設備和儀器直接報廢掉實在可惜,因為對于同一批次的儀器設備,雖然有的因損壞和使用壽命等原因不再適用于正常教學,但也有部分設備和儀器還可以正常使用,但因為限于設備儀器報廢和管理制度等原因,如果不進行報廢,新的儀器和設備無法購進，影響正常教學。如何能在不影響正常購入新設備的前提下,同時繼續(xù)發(fā)揮廢舊設備的余熱,使之繼續(xù)服務于學生的培養(yǎng)。經(jīng)過溝通協(xié)調,在不影響正常設備購置和報廢程序的前提下,部分需要報廢的儀器設備退出日常教學后可以不用馬上處理掉,而是轉為學生實習和實踐的硬件平臺基礎,這樣不僅可以實現(xiàn)廢物利用,節(jié)約實習的硬件成本,而且可以從更高水平上培養(yǎng)學生的綜合能力。

2 報廢實驗設備和實踐實習硬件成本的節(jié)約

利用報廢實驗設備實現(xiàn)廢物利用,可以作為動手練習等實踐環(huán)節(jié)和畢業(yè)設計的硬件基礎,克服傳統(tǒng)設計內容因硬件條件不足,題目類型少、題目雷同、仿真多動手少等問題[6-9]。

每年我校有10多個專業(yè)、30多個班級需要進行電子技術實習,因為專業(yè)不同，實習的題目和內容也差異很大,實驗中心每年需要花費大量的實驗經(jīng)費準備各種實驗耗材和設備,但還是不能滿足各方面對硬件的需求。限于硬件條件,每年實習的題目受到很大的限制,部分甚至不得不用軟件仿真來代替,直接影響了實習的效果,背離了培養(yǎng)學生動手能力的初衷。

例如每年收音機的裝配與調試、冰箱保護電路的設計等,雖說題目及內容不錯,但年年做沒有新意,學生容易抄襲等問題一直存在,同時題目與實際需求也有一定的距離。我們很早就注意到了這個問題,但限于經(jīng)費條件一直沒有走出這個困境來[10-11]。如果把報廢的實驗儀器設備作為學生的實習平臺,根據(jù)報廢設備的特點和種類,開設一些新的實習實踐題目,例如掌握設備的工作原理、畫出對應的電路原理圖、儀器故障的查找和維修等,不但豐富了實踐實習的題目,也節(jié)約了實習經(jīng)費。例如目前我們根據(jù)報廢示波器開出的實習題目——示波器的工作原理和結構組成,根據(jù)報廢電路實驗箱開出的題目——電路實驗箱的內部結構和故障分析等。因為這些報廢的儀器設備與日常實驗所使用新的儀器設備的原理和功能接近,學生很熟悉。另外，一批報廢設備中可能有功能完好的、有損壞的,故障的原因也是互不相同的,學生可以進行比較和模仿、用替換法查故障等,容易上手和入門,學生比較感興趣。這不但培養(yǎng)學生的分析能力和動手能力,同時也克服了學生對實驗儀器的神秘心理和畏懼心理。

3 報廢實驗設備和學生綜合能力培養(yǎng)

有效利用報廢實驗設備和儀器,除了可以緩解實驗經(jīng)費緊張、硬件短缺等問題,更重要的是每一臺廢舊設備都是一個具體的系統(tǒng),其內部的結構、設計都有其獨到之處,給學生提供了一個難得的解決實際問題、培養(yǎng)綜合能力的硬件平臺。學生的培養(yǎng)是一個循序漸進的過程,我們按照時間節(jié)點、涉及內容、涉及范圍等方面，從低到高進行內容設置和安排。圖1為培養(yǎng)內容設置結構簡圖。利用報廢實驗設備和儀器這一平臺,學生可以實現(xiàn)“儀器設備工作原理、內部結構的了解”“儀器設備的維修和維護”“改進現(xiàn)有設備、研發(fā)新設備”這一漸進的學習過程,符合學生的認知規(guī)律[12]。

圖1 綜合能力培養(yǎng)內容設置結構簡圖

3.1 儀器設備工作原理、內部結構的了解

對學生來說,以前正常的實驗教學中,學生只是實驗儀器和設備的使用者,只知道儀器和實驗箱的功能和使用方法,對內部的結構一無所知,遇到一些實驗現(xiàn)象不知所措。針對這種情況,我們在剛做完相關實驗的暑假小學期里,創(chuàng)造性地把報廢實驗設備和儀器引入實踐和實習環(huán)節(jié),實現(xiàn)學生從儀器設備使用方法的外部學習到儀器設備內部原理的學習,是學習內容的進一步深化,對培養(yǎng)學生觀察能力、分析問題能力、實際動手能力都有不可替代的作用[13]。以示波器為例, 通過拆解報廢實驗設備,可以了解其內部結構,給學生提供了難得的實習機會。以前只能講原理、看示意圖等,然后就是使用方法,因為價格昂貴,不敢隨意拆卸,不能看到內部的結構?，F(xiàn)在可以隨意拆卸報廢的示波器,可以詳細地了解實物的形狀、電路的布局、功能的劃分,這對學生以后從事相關的工作有很重要的啟示作用。

3.2 儀器設備的維修和維護

利用報廢的實驗箱作為學生實踐實習的平臺,培養(yǎng)了一批動手能力強、熟悉常用儀器內部結構和功能的學生。因為基礎實驗室的設備和實驗箱使用頻繁、維護工作量大,實驗室維護人員人手緊張,而這些維護工作有些是重復性的、相對簡單的工作,是部分理論基礎扎實、動手能力強的學生可以參與完成的。我們積極鼓勵學生參與實驗室管理和建設,鼓勵學生通過勤工儉學的方式參與儀器的維護和維修。通過這種形式,不但降低了維修成本,而且學生動手能力和解決實際問題能力得到很大的提升[14]。

在對實驗設備故障進行診斷時,采用教師在旁指導、學生動手的形式,抓住細節(jié),把握整體,進行針對性的維護。另外維修人員根據(jù)自己的維修經(jīng)驗設置一定難度的故障,引導、啟示學生自己去思考問題和解決問題,更具有普遍性和實用性,學生綜合能力自然而然地得到提升。在學生具體操作時,因現(xiàn)代電子儀器價格昂貴,為了避免學生緊張,不敢修、不會修、怕承擔責任,可以先通過對報廢實驗設備的維修獲取實際經(jīng)驗,然后在正常使用的儀器上操作,不用擔心承擔維修失敗的壓力。總之在維修時,盡可能讓學生參與進來,不但能降低維修成本、促使使用人員下次使用時正確地使用設備,提高學生的動手能力,而且進一步地克服了學生對實驗儀器的神秘心理和畏懼心理。

3.3 改進現(xiàn)有設備、研發(fā)新設備

改造和自制實驗設備是高等院校實驗室工作的重要內容之一。通過對所需設備的自制,可使教師和實驗人員加深對設備的了解,提高其業(yè)務水平。更重要的是,通過讓學生參與設備改造和自制過程,師生共同改進現(xiàn)有設備、研發(fā)新設備,能充分發(fā)揮學生的積極性和創(chuàng)造性。學生是儀器設備的使用者,對儀器設備的優(yōu)點和缺點最有發(fā)言權,他們能根據(jù)自己的使用情況提出合理化的建議,而且在研制過程中他們能夠自覺地查找技術資料以解決制作過程中遇到的問題,能夠充分挖掘學生的潛力,同時彌補了教學儀器的不足,使其更適應實驗室和專業(yè)實訓的需要[15]。

例如我們在指導學生做實驗的過程中,發(fā)現(xiàn)部分學生在遇到問題時常常手足無措、無從下手，不知道如何解決，而有些問題具有普遍性和相似之處。因此，我們設想在相關電路的課程實踐教學中, 通過調研和總結學生平時做實驗所常犯的典型錯誤,故意設置故障讓學生去檢查、排除故障，提高他們分析和解決實際問題的能力。然而現(xiàn)在的電子技術實驗箱主要強調功能的全面性、可做實驗題目的多樣性,很少有針對強化學生分析電路、查找電路故障的實驗箱。因此在現(xiàn)有電路實驗箱的基礎上,設計一種具有故障點設置和監(jiān)測功能的電子技術實驗箱就顯得很有意義。

基于以上原因,通過與部分動手能力強、理論基礎扎實的學生進行交流,認真聽取其合理化建議,把新實驗箱的研制作為大學生創(chuàng)新計劃和畢業(yè)設計的課題進行研究:在現(xiàn)有廢舊電子技術實驗箱的基礎上,通過增加微控制器和外圍的電路,實現(xiàn)電路信息的采集和信號的切換,以此來模擬學生在做實驗過程中常遇到的故障,提醒學生在做實驗的過程中,如何避免犯錯誤,提高實驗的效率。通過為實驗箱添加無線通信模塊,可以利用計算機實時控制實驗箱故障點的設置和切換,同時通過采集實驗箱故障點的狀態(tài)信號,可以隨時掌握學生實驗的進度,實現(xiàn)對學生實驗過程的監(jiān)測。系統(tǒng)的總框圖如圖2所示。實驗室服務器監(jiān)控畫面如圖3所示。

圖2 智能實驗箱系統(tǒng)總框圖

在這一研制過程中,我們根據(jù)研制的內容進行功能劃分,有的功能模塊難度較大,由實驗教師主導,學生進行配合；而有的功能模塊相對簡單,教師只是提出總體功能要求,學生進行具體設計并實施,遇到問題時師生共同努力解決。通過師生共同研制實驗設備,讓學生參與制作的全過程,給學生提供了動手實踐以及勤工儉學的機會,達到了“在練中學,在學中練”的目的,不但節(jié)約了成本,學生又獲得了必要的實際操作技能及工程實踐能力。

4 報廢實驗設備和實驗技術人員業(yè)務能力的提升

充分利用報廢實驗設備,不但對培養(yǎng)學生動手能力和工程實踐能力非常有益,對實驗技術人員來說也是獲益匪淺。儀器設備更新?lián)Q代很快,現(xiàn)代電子儀器價格昂貴,實驗人員不敢修、不會修、怕承擔責任。通過研究報廢實驗設備吸取經(jīng)驗,可以提高教師自制實驗儀器的水平,有利于專業(yè)人才隊伍的培養(yǎng)。此外，由于我們參與新實驗平臺研制,全面掌握了實驗平臺性能,一旦出現(xiàn)問題,則可以立即判斷原因,及時排除故障,既不會對教學產(chǎn)生影響,又有利于儀器的及時維修和技術上的優(yōu)化和升級。

圖3 監(jiān)控上位機主界面

5 結語

電子技術實驗儀器和實驗箱是學生完成電子技術實驗的硬件基礎。通過將成批報廢的舊設備作為學生實習、課程設計等硬件平臺,所學的理論知識在實驗儀器和實驗箱上得到驗證和實現(xiàn)。例如數(shù)字電路實驗箱的脈沖源,就是數(shù)字理論課所講授的NE555 振蕩電路產(chǎn)生的,電路實驗箱上的受控源、恒流源恒壓源都是利用模擬電路的典型運放電路實現(xiàn)的。通過查看實驗箱的內部結構,學生都有一種恍然大悟、原來如此的感覺,實驗箱不再神秘、所學都是有實際用處的。同時鼓勵和引導學生參與實驗儀器和實驗箱的日常維護和維修,參與開發(fā)和自制新的實驗設備,并將其產(chǎn)品轉化為下一屆學生的實驗器材,不僅可以使學生了解實驗設備的工作原理、消除對實驗設備的神秘感、提高動手能力,同時實現(xiàn)了廢物利用,節(jié)約了成本。

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Effectively using scrapped experimental equipment to provide innovative practical platform for students

Chen Can, Li Lin, Liu Fuyu, Ren Xuhu

(College of Information and Control Engineering， China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Electronics test equipment and experimental tank are the basic electronic hardware technology for students to complete experiments, because aging and technological progress need to be updated regularly and scrapped. By using bulk scrapped old equipment for students’ internships, curriculum design, hardware platforms, this article encourages and guides students to participate in the experimental instruments and experimental tank routine maintenance and repair, and participate in the development of new self-made experimental equipment, which enables students not only to understand the experimental principle, eliminate the mystery of experimental equipment, improve their ability, but also to realize the waste utilization and cost savings.

scrapped experimental equipment; self-made instrument; equipment modification; innovative practical platform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.010

2016-05-12

山東省重點教改項目“基于能力培養(yǎng)的電工電子學課程體系與教學模式的探索與實踐”(2015Z025)；校級實驗教改項目“具有故障點設置功能的數(shù)字電路實驗箱研制”(YJ-A201624)

陳璨(1978—)，男，四川南充，碩士，實驗師，實驗教學中心副主任，主要研究方向為智能信息處理，計算機測量與控制.

E-mail：upcll@163.com

TP273

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1002-4956(2016)11-0037-04