高頻實驗教學改革與探索

汪正進+武風波+朱代先

摘 要：針對高頻實驗僅依靠驗證性實驗的不足，提出以驗證性實驗作為實驗教學基礎環節，設計性實驗作為實驗教學的主體環節，綜合性實驗作為實驗教學環節的延伸環節，實驗人員需要定期培訓、及時更新實驗教材的內容，同時讓學生利用仿真軟件進行仿真，通過觀察仿真波形圖，分析仿真實驗結果和理論是否相一致。通過實驗內容由淺入深，提高學生的分析和設計能力，激發學生的學習興趣和創新意識，提升今后的實驗教學效果。

關鍵詞：高頻實驗；仿真；教學改革；虛擬實驗室

“高頻電子線路”實驗是通信類學科一門重要的專業基礎課程。通過實地參觀一些周邊院校相關實驗室，與實驗室的老師進行交流，都覺得目前僅僅利用配套的實驗箱做一些驗證性實驗，不利于提高學生的實際動手能力和創新能力[1]。目前的重要任務都在思索如何通過改革實驗教學方法來有效地培養學生的自主實驗意識。結合實踐教學經驗，學生對儀器的使用基本比較生疏，僅利用一個課時很難有針對性地去觀測實驗的波形和測實驗數據來加深對理論知識的理解，這樣實驗的開展和安排也達不到預期效果。因此要想取得較好的教學效果，需要不斷地探索和改進教學方法。

1 實驗教學現狀

高頻實驗首先在做實驗之前，需要老師先講授各實驗的內容、原理及目的，之后演示如何操作設備儀器來觀察實驗波形和測實驗數據，然后學生按照老師講解的實驗步驟照葫畫瓢來進行搭線連接，完成實驗要求。但是，如果學生實驗中對儀器設備一些誤操作或者實驗箱上元器件出現問題后，導致實驗結果出不來，學生就會不知所措，不知如何入手去分析和排除遇見出現的問題，他們不能在有限的課堂時間內去獨立完成實驗的內容。高頻實驗電子元器件等容易受到高頻工作環境的影響，導致實驗現象不穩定，如受到集膚效應等干擾，會對實驗現象造成不穩定，對實驗結果的觀察分析也造成不利影響[2]。

實驗室的硬件條件也不能滿足幾個班同時做實驗，由于專業基礎課實驗開設的班級別較多，必然會導致每個班每次實驗課相隔時間較長，這樣學生們若課下不溫習和預習，每次做實驗都會對儀器儀表的使用不熟悉。雖然實驗室開放，但是學生們每天課余時間不多，主動性不強，不具備連貫性做實驗條件，要想做一些設計性或者綜合性實驗，僅使用課堂有限時間兩節課做完做好實驗難度很大，一般也只能滿足做驗證性實驗。

高頻實驗開課的班級多，使用率比較高，而三極管等元器件又較容易損壞，一些儀器設備由于學生使用不當也會損壞，可能會出現上一節課上課之前儀器實驗箱是好的，下一節課上課時是壞的，這都不利于實驗的開展。若儀器和實驗箱出現故障而得不到及時解決，對正常教學會產生一定的影響。長此以往，學生對實驗的學習興趣和積極性就會大大降低。

2 實驗教學改革

針對目前高頻實驗教學現狀的一系列問題，根據多年一線教學經驗和實踐總結，從以下幾個方面來推行高頻實驗教學改革。

2.1 驗證性實驗作為實驗教學的基礎環節

驗證性實驗作為實驗教學基礎環節，一般開設2～3個實驗引導學生如何做實驗、認識和篩選儀器及元器件。學生做實驗必須從驗證性環節入手，通過驗證性環節的引導可以讓學生直觀觀察理論知識的結果和現象，培養他們實驗的興趣。通過驗證性實驗讓學生明白電子元器件如何識別篩選，如何做實驗，為今后設計性和綜合性實驗打下基礎。只有學生學會分析實驗現象和實驗數據，看是否與理論知識一致，才能培養出學生的動手能力和應用能力，這樣才能解決實驗中遇到的各種問題[3]。

驗證性實驗的實驗步驟有一定的規律性，只要學生按照實驗步驟做實驗，一般都能完成實驗內容。驗證性實驗的實驗具體步驟如下。（1）要明白做哪個實驗，根據實驗內容和目的來觀察圖形或測數據；（2）用什么儀器觀察圖形或測數據來篩選儀器，再掌握所選儀器的使用方法；（3）實驗前的準備工作，包括實驗箱和儀器的初始化，參數、波形的統一；（4）電路接線，用所篩選儀器設備來測具體數據或觀察波形；（5）撰寫實驗報告，并分析一些現象形成的原因和實驗過程中誤差等。

2.2 設計性實驗作為實驗教學的主體環節

設計性實驗作為實驗教學環節的主體環節，提供元器件、設計框架，學生自主設計完成實驗內容。驗證性實驗僅是學生了解實驗的過程，如何做一個實驗，按照實驗指導書上的內容和步驟來測數據描點繪圖或觀察實驗現象，驗證與理論知識的一致性，不過缺乏創新性。因此要想學生動手能力得到提高，設計性實驗是實驗環節必不可少的一項實驗內容。但是設計性實驗不能一開始就復雜，要循序漸進，為后面開展綜合性實驗做好鋪墊。設計性實驗是與書本中內容相對應的簡單單元模塊，如單調諧小信號放大電路和雙調諧小信號放大電路等，讓學生按照給定的相應實驗內容框架去自行設計實驗電路，來測試實驗數據或者觀測實驗現象。另外還有助于讓學生明白實驗板的布線以及高頻的干擾會對實驗結果造成一定的影響，要想削弱這種干擾現象，學生必須對高頻各知識點有更深的理解，如添加濾波電路等。

設計性實驗需提前給學生介紹要做的實驗內容、實驗目的，讓學生兩人一組自由組合，加強實驗預習和仿真工作。要求一組的學生按照仿真內容，寫出實驗預習報告。這樣不僅可以讓學生驗證理論的正確性，還可以讓學生學習仿真軟件的使用方法。現在大部分學生有電腦，可在電腦上安裝仿真軟件，利用空余時間進行仿真，同時也解決了實驗硬件不足的問題。用于實驗教學的仿真軟件有Multisim和EWB兩種。除此之外，還有一款可與印制版設計軟件配合使用的電路分析軟件Pspice等[4-5]。

2.3 綜合性實驗作為實驗教學的延伸環節

綜合性實驗作為實驗教學的延伸環節，讓學生將之前開展的各實驗綜合起來，設計出一個完整的作品。綜合性實驗的開展必須建立在之前模塊設計性實驗的基礎上，學生才有一定的實驗功底，到了學期末學生也有了扎實的文化課理論知識[6]。將綜合性實驗安排在每個學期末，這樣學生就會對高頻電路的綜合實驗的設計具有一個更深的認識和理解，對他們的動手能力和創新能力會有很大的提高。

以超外差收音機的安裝為例來介紹綜合性實驗的實驗步驟，便于規范化[7]。

（1）方案的論證：了解超外差收音機的工作原理，看由哪些功能模塊組成，比如接收天線接收到信號后需要經過輸入電路、變頻器、中頻放大器、檢波器、低頻電壓放大器及低頻功率放大器等，查閱相關資料進行論證，學生再畫出各個模塊的設計電路。

（2）計算機的仿真：根據設計出的電路，通過計算機仿真軟件進行模擬仿真，根據仿真結果進行修改完善。在實驗室實際搭建電路時，要考慮布線及元器件位置對電路的影響。

（3）元器件的篩選：根據每個模塊單元電路，拿到所需要型號的元器件后，需要判斷元器件好壞，特別是振蕩線圈與中周、變壓器輸入輸出端等，之后才能安裝。

（4）電路搭建：由于各種電子元器件在面包板上可根據需要隨意插入或拔出，免去了焊接，而且元器件還可以重復使用，在面包板上根據最終設計原理圖搭建電路。

（5）調試實驗電路：主要包括各級靜態工作點；中頻頻率調整；頻率范圍的調整；統調等。使超外差收音機在經過調試后，能滿足制作的設計要求。

（6）書寫實驗報告：主要包括實驗過程中遇到的問題，如何排除、如何解決、實驗結果等，同時寫上此次綜合實驗的實驗心得。

2.4 人員定期培訓和實驗教材同步更新

實驗人員需要定期培訓以了解實驗的最前沿內容，及時更新實驗教材的內容以達到同步[8]。人員定期培訓是必不可少的一個環節，只有了解最新實驗前沿內容，才能將實驗進行及時調整，通過培訓才有機會與其他高校老師接觸和探討實驗教學方法，提高實驗老師的業務水平和實驗教學的相關理論，同時利用所學的實驗技能和對新設備的掌握來改進實驗教學，讓教學和科研能更好地發展下去。其次是實驗教材必須跟隨實驗內容和設備更新同步變化，同時教學大綱也要隨之更新。

3 結語

隨著計算機的普及和網絡技術的發展，學生選擇仿真軟件來繪圖、連線均比較方便，但是對一些設備儀器的使用方法和功能可能有所欠缺，若加深這方面的投入，那么效果會更加明顯。今后利用網絡資源來搭建虛擬實驗室是必然趨勢，利用虛擬實驗室，學生可以足不出舍就可以查看各設備儀器、元器件的介紹和視頻教學，讓每個學生感受到一個更加寬松開放的實驗環境。通過一系列措施可以拓寬實驗老師的教學思路，讓學生更好地掌握和理解“高頻電子線路”的基礎知識，通過實驗內容由淺入深，提高學生的分析和設計能力，激發學生的學習興趣和創新意識，提升今后的實驗教學效果。

[參考文獻]

[1]劉國華，林彌.通信電子線路實踐教程：設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2015.

[2]李強.高頻電子技術實驗教學的一些探索[J].科技創新導報，2016（9）：151-153.

[3]汪正進，武風波.高頻電子線路實驗課程教學改革與探索[J].科技視界，2014（32）：66.

[4]楊波.基于“全真+仿真”的《高頻電子技術》實驗設計分析[J].科技資訊，2011（22）：125.

[5]張學軍，劉海波.基于EWB軟件在高頻電子線路中應用[J].實驗室科學，2011（1）：34-36.

[6]楊霓清.高頻電子線路實驗及綜合設計[M].北京：機械工業出版社出版，2009.

[7]車曉巖，胡新艷.高頻電子線路實驗教學研究[J].價值工程，2014（2）：233-234.

[8]汪秋婷，周選昌，倪杰.高頻電子線路實驗課程在大學生實踐教學中的應用研究[J].江蘇建筑職業技術學院學報，2013（2）：74-77.