實驗設備自修在高校教師工程教學中的應用探究

戴圣偉， 劉善球， 李毅梅， 龍海軒

(湖南工業大學 電氣學院, 湖南 株洲 412007)

0 引 言

李克強總理提出的“大眾創業，萬眾創新”和國家實施高校“雙一流”戰略，是我國高等教育質量發展和趕超世界一流水平的重要契機[1]。在此背景下，高校實驗室工程教學成為了激勵教師教學內容與方法創新的突破口之一。其中，“實驗設備自修”是實驗室工程教學改革創新、突出學生應用技術能力、科學創新能力和實際工程能力培養的主要途徑。一系列用活實驗室資源、培養學生應用技術能力、科學創新能力、實際工程能力的成果亦充分展示了實驗設備自修功能重構的價值導向，能精準體現 “重理論、重應用、重創新、重實際工程能力”教學方法的創新[2-3]。嘗試以單管放大器自修為例，演繹“實驗設備自修”對學生理論基礎、應用技術、科學創新、實際工程能力貫通培養的邏輯關系。這也順應了用活實驗室資源的教學改革和激勵教師提升實踐教學能力與水平的發展需要[4-5]。

1 單管放大器自修

單管放大器是電學實驗的基本單元，要求學生在課堂教學的基礎上進一步認知單管放大器的工作原理與設計技術標準。自修的邏輯路徑是在教師的教學內容分段設計指導下，突出學生的主動參與、深度融合；形成 “學中做、做中學”的研究平臺；積累實驗室科學探索經驗；探微知識原理、技術應用、創新心得與科學思維；最終貫通學生的理論基礎、應用技術、實際工程能力及科學創新思維[6]。

從單管放大器的原理與故障分析入手，展示單管放大器自修的基本技術路徑。

單管放大器正常工作時，在US端接入正弦信號，以f=1 kHz、Ui=10 mV、IC1=2 mA為例，在輸出端得到放大的、反相的輸出信號(見圖1)；圖1的原理電路見圖2所示。圖2中單管放大器包括：核心放大元件3DG6；偏置電阻RB1、RB2、RC1、RE1；輸入電容C1；輸出電容C2；射極旁路電容CE1；負載RL。

圖1 單管放大器正常工作實物圖

圖2 單管放大器原理圖

1.1 單管放大器正常工作參數及變化范圍

單管放大器正常工作參數由靜態參數、動態參數兩部分構成；靜態參數主要由三極管3DG6三電極電壓確定：基極電壓UB、發射極電壓UE、集電極電壓UC；動態參數主要觀察輸入信號US、輸出信號Uo波形是否正常。

(1) 3DG6靜態參數及變化范圍。根據圖2、三極管的電學特性及基爾霍夫電壓定律，3DG6三電極靜態電壓理論值計算方法如下：

β由3DG6參數表可查出。

根據式(1)～(6)，并調節圖2中的RW1，可得UB、UE、UC的各工作狀態時的電壓及電壓變化范圍，見表1所示。圖2中的3DG6若要正常工作，各電極電壓變化應在表1的電壓范圍內。

表1 靜態電壓表(Ui=10 mV，f=1 kHz)

在3DG6靜態參數獲取期間，學生應根據實物電路，繪制相應的原理電路及3DG6三電極電壓的理論計算；此階段有效訓練了學生實物電路器件與原理電路器件的對應及電路理論參數計算能力。學生應以3DG6靜態參數學習方法為例，依據自身實際，將之擴充至實踐學習的各方面，為應用技術能力、科學創新能力進階打下堅實的理論基礎[7-8]。

(2) 3DG6動態參數及變化范圍。圖1中單管放大器的動態是否正常，有效的方法是觀察US、Uo的波形。調節RW1，使實驗靜態參數分別與表1中“接近截止”列和“接近飽和”列數據相符(見圖3、圖4實驗波形)“正常工作”列波形見圖1。即3DG6工作于正常動態范圍時，Uo變化應在圖3、圖4中Uo波形變化范圍內[9]。在3DG6動態參數獲取期間，學生應完成理論計算數據與實驗波形的對應、掌握理論數據與實驗數據差別的原因及微調的方法；此階段有效訓練了學生理論聯系實踐的能力、實驗設備的應用能力、實驗數據的分析能力。將此方法擴充至其余實踐學習中，為應用技術能力、科學創新能力進階打下堅實的實驗基礎[10-11]。

圖3 接近截止工作波形圖

圖4 接近飽和工作波形圖

1.2 單管放大器故障分析

(1) 靜態故障分析。

例1測得單管放大器靜態工作電壓如表2所示，工作波形如圖5所示。試根據式(1)、(2)、(6)，分析電路的故障原因，并修復單管放大器。

表2 單管放大器故障數據

圖5 單管放大器故障波形圖

分析表2中，UB、UE存在0.69 V電壓差，式(2)成立，表明3DG6發射結工作正常；UE兩端有少量電壓，說明RE1有微量電流流過，RE1故障率低；RB2與RB1及并聯等效電阻分壓正常，式(1)成立，說明RB1、RB2正常；RC1色環電阻表面無異常，說明RC1故障率低；比對表1中數據，表2中UC電壓明顯異常，根據式(6)：UC=12-IC1RC1，只有IC1為零，表達式才成立；綜上排除分析，唯有3DG6集電極發生斷路方符合實驗數據。焊下3DG6，經檢測，確屬3DG6集電極內部斷路，更換3DG6，工作波形恢復如圖1所示。

其余靜態故障，均可依據三極管工作時三電極的靜態電壓值及式(1)、(2)、(6)分析，找出故障原因。更換故障器件，修復單管放大器。

(2) 動態故障分析。

例2測得單管放大器靜態工作電壓如表1“正常工作”列所示數據，工作波形如圖5所示。試根據式(1)、(2)、(6)分析電路的故障原因，并修復單管放大器。

分析例2中靜態工作點正常，符合式(1)、(2)、(6)；而Uo無波形輸出，排除信號源除障；電阻R表面無異常，R故障率低；余下只有可能是信號要么無法通過C1，要么無法通過C2；即C1或C2失效(斷路)。經檢測，C1與電路板虛焊，固焊后，電路工作恢復正常。其余動態故障，均可依據觀察及檢測電阻R、C1、C2，快速找出故障原因。更換故障器件，修復單管放大器。

單管放大器故障分析期間，學生得根據故障數據結合理論公式，分析故障原因，解決故障問題。此階段的持久訓練，將極大提升學生的實際工程能力[12-15]。

2 實驗設備自修對學生能力的培養效果

(1) 應用技術能力培養效果。馬溪遙、王斐、吳浪隊獲2014年湖南省大學生電子設計競賽一等獎。

彭偉強、劉明旗、謝云隊獲2014年湖南省大學生電子設計競賽三等獎。

(2) 科學創新能力培養效果。王斐，張超，夏煒杰等學生獲批國家實用新型專利“一種基于MSP430G2553的自動增益放大器”(專利號：ZL2015206979627)。

駱嬌項目組獲批國家級大學生創新訓練項目立項——天煌DZX-3電子學綜合實驗裝置模電部分改進設計與實現(201611535004)。

肖剛毅項目組獲批國家級大學生創新訓練項目立項--多通道參數采集智能空氣凈化器(201611535005)。

(3) 實際工程能力培養效果。近2年內，完成校內實驗設備多批次自修220臺(套)。

3 結 語

高校實驗設備自修是工程型教學方法創新的一種有效范式，對實現高校應用人才培養的質量、水平的提高有顯著的促進與借鑒意義。其中，靜態參數重在培養學生對理論的融會貫通、基本分析方法的掌握，為應用技術能力、科學創新能力的提升儲備理論基礎；動態參數重在培養學生實驗設備應用能力、數據分析能力；為應用技術能力、科學創新能力的提升儲備實驗基礎；故障分析則重在培養學生在現有知識儲備上，綜合理論基礎、實踐經驗探索符合實際的最佳解決方法，以達到實際工程能力的全面提升。高校實驗設備自修的具體應用，是工程型教學手段提高培養學生實際工程能力的有益嘗試。

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