從故障排除實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)看優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)過程的打造

賴麗娟,李 磊,甘偉明,呂念玲

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院,廣東 廣州 510640)

工程教育是我國高等教育的主要組成部分,2003年我國開始試行工程教育認(rèn)證，并于2016年6月正式加入國際工程教育認(rèn)證組織——華盛頓協(xié)議,確定了以學(xué)生能力成長為宗旨的工程教育目標(biāo),明晰了12項(xiàng)工程專業(yè)教育畢業(yè)達(dá)成指標(biāo)[1-3]。實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)是工程教育中不可或缺的重要教育教學(xué)環(huán)節(jié)[4-6],科學(xué)有效地實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)是保障工程專業(yè)人才培養(yǎng)畢業(yè)達(dá)成的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。實(shí)驗(yàn)課的根本目標(biāo)是以成熟的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體,訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立從事實(shí)驗(yàn)研究的技能。實(shí)驗(yàn)技能是通過在實(shí)驗(yàn)課上應(yīng)對不同實(shí)驗(yàn)問題,一次次歷經(jīng)模仿、練習(xí)、內(nèi)化及提升的往復(fù)循環(huán)而獲得的。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程,比實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加重要[7-8]。

優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品,需要工匠精神的打造；優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,需要教學(xué)過程設(shè)計(jì)的精益求精。本文以面向電類專業(yè)學(xué)生開出的故障排查實(shí)驗(yàn)為例,提出優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)過程“打造”的理念。

1 明確過程要素,做好統(tǒng)籌安排

廣義的實(shí)驗(yàn)過程是從實(shí)驗(yàn)課開課,到該門實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束的一個(gè)完整訓(xùn)練周期；狹義的實(shí)驗(yàn)過程,通常是指學(xué)生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里完成一個(gè)計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程,或稱為一次實(shí)驗(yàn)課。實(shí)驗(yàn)課上,學(xué)生可以獲得實(shí)驗(yàn)教師的及時(shí)輔導(dǎo),有充足的設(shè)備條件給予支撐,同時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間得以保證,所以實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程是提升學(xué)生實(shí)踐能力最有效的一環(huán)。實(shí)驗(yàn)課的主體是學(xué)生,但是完全讓學(xué)生自由摸索,難以達(dá)到好的教學(xué)效果。優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其過程設(shè)計(jì)在學(xué)生進(jìn)入課堂前就應(yīng)該開始(預(yù)習(xí)準(zhǔn)備),且其影響持續(xù)到學(xué)生離開實(shí)驗(yàn)課堂之后(實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告)。實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)與實(shí)施體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟實(shí)力,這就是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以拷貝,但教學(xué)效果無法復(fù)制的原因所在。實(shí)驗(yàn)教學(xué),是內(nèi)容、資源和過程三位一體協(xié)調(diào)運(yùn)作的過程。針對具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,要依據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和課程要求,做好具體的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

1.1 預(yù)習(xí)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是否到位,直接決定實(shí)驗(yàn)的效率與質(zhì)量。由于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的涉面寬廣,包括專業(yè)理論、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、軟件工具、實(shí)驗(yàn)步驟等,以及在基于上述學(xué)習(xí)與了解的基礎(chǔ)上撰寫的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。而且,實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是學(xué)生在課外自主完成的,每個(gè)學(xué)生投入的時(shí)間與精力都不一樣,為了推動(dòng)深度預(yù)習(xí),提出了“兩松一嚴(yán)”。

把實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求閱讀、瀏覽或準(zhǔn)備的內(nèi)容明確寫在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上,由學(xué)生根據(jù)個(gè)人知識(shí)儲(chǔ)備的具體情況,自主完成(松)。不贊成學(xué)生把實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的內(nèi)容長篇地抄到預(yù)習(xí)報(bào)告上,相反,鼓勵(lì)學(xué)生撰寫簡單、凝練的預(yù)習(xí)報(bào)告,除了必需的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目信息外,對原理、步驟都是簡述(松)。對于預(yù)習(xí)報(bào)告上記錄的思考痕跡,如預(yù)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題、對于操作難點(diǎn)的理解、個(gè)性化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等,都可獲得3～10分不等的加分。上述的目的就是引導(dǎo)學(xué)生從“預(yù)習(xí)就是把實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟抄一遍”的誤區(qū)里走出來。每次實(shí)驗(yàn)前,學(xué)生必須參加在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行的在線預(yù)習(xí)檢測,3次檢測均沒過60分,則實(shí)驗(yàn)臺(tái)無法上電,不能參與此次實(shí)驗(yàn)(嚴(yán))。

1.2 時(shí)間分配

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)分配,保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間充裕,留有思考、探究和反復(fù)練習(xí)的機(jī)會(huì),使學(xué)生能把一個(gè)實(shí)驗(yàn)做懂、做透,這是規(guī)劃實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的基本原則。在有限學(xué)時(shí)里因追求實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)多而讓學(xué)生囫圇吞棗地完成實(shí)驗(yàn),或是碎片化安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,使學(xué)生忙著把數(shù)據(jù)測出來交差,都是為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)的走過場。給予實(shí)驗(yàn)課充分的時(shí)間,是實(shí)施實(shí)驗(yàn)過程管理、充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目載體功能的重要保障。

實(shí)驗(yàn)課上由于擔(dān)心學(xué)生犯錯(cuò),教師“不放心”而大講特講,占用了大量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。但是教師講得越多,學(xué)生依賴性越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)是無法由別人替代的成長過程。堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)課集中講授時(shí)間不超過20 min,把動(dòng)手操作的時(shí)間最大限度地留給學(xué)生。

1.3 條件支撐

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對資源的依賴性比較強(qiáng),尤其是實(shí)物實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件和實(shí)驗(yàn)裝置配備有要求。實(shí)驗(yàn)是訓(xùn)練動(dòng)手能力的過程,智能化儀器提供的便捷測試手段不適于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué),尤其是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)過程中測試工具的選擇應(yīng)遵循2個(gè)原則:第一,物盡其用，對于新開的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,非迫不得已不購置專門的測試儀器,優(yōu)先考慮充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件解決測試需求；第二,引導(dǎo)學(xué)生用簡單的儀器解決復(fù)雜的測試問題,這是對學(xué)生實(shí)驗(yàn)技術(shù)與能力的鍛煉。

1.4 教學(xué)輔導(dǎo)

一個(gè)實(shí)驗(yàn)的故障現(xiàn)象可能有多個(gè)致障可能性,有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教師善于發(fā)現(xiàn)與挖掘故障背后的各種因素,啟發(fā)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)的方法研究問題所在。實(shí)驗(yàn)過程中,各種不可預(yù)知的實(shí)驗(yàn)問題是實(shí)驗(yàn)教師剖析、分享的鮮活素材。每個(gè)班級(jí)的水平不一樣,問題也不一樣,要善于利用實(shí)驗(yàn)情境做適時(shí)的提點(diǎn),令每堂實(shí)驗(yàn)課都是獨(dú)一無二的“定制版”。

鑒于實(shí)驗(yàn)情境的多樣性,教學(xué)的方式也有多種,除了課前集中講授外,講、做同時(shí)進(jìn)行的“同步操作”,遇到難點(diǎn)時(shí)組織“分組討論”集體攻堅(jiān),或就實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的共性問題和典型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“現(xiàn)場講評(píng)”。 有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是難以復(fù)制的,實(shí)驗(yàn)的問題要在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)下解決才有效果。

1.5 驗(yàn)收評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)的過程比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更加重要,實(shí)驗(yàn)考評(píng)應(yīng)與過程對接。但現(xiàn)狀是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)果檢測往往比過程檢測容易,這就造成了重結(jié)果輕過程的現(xiàn)狀,使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)常常走過場、效率低。傳統(tǒng)的、依靠教師人力承擔(dān)的過程管理顯然無法在評(píng)價(jià)的公平、公正方面有所突破,對此可以借助技術(shù)信息化與智能化手段,制定以實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程控制為目標(biāo)的監(jiān)測機(jī)制,建立以實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)體系,對教學(xué)全過程實(shí)施有效控制,保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)高效實(shí)施。

2 分析項(xiàng)目特點(diǎn),做過程對接

電路故障診斷和修復(fù)能力,是從事電子技術(shù)研究的基本技能之一,也是促進(jìn)學(xué)生能力成長的重要組成部分[9-13]。在電類專業(yè)本科生的理論課教學(xué)環(huán)節(jié),對該項(xiàng)能力的培養(yǎng)是缺失的。

2.1 電子線路故障排除實(shí)驗(yàn)

基于APM理論的電子線路故障排查系列實(shí)驗(yàn),就是“電路分析與電子線路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程中專為提高學(xué)生電子線路故障排查能力而設(shè)計(jì)的。該實(shí)驗(yàn)引入了APM故障排查和修復(fù)理論,由美國弗洛伊德(Tomas L.Floyed)和布奇勒(David M.Buchla)于2013年在其編著的《交直流電路基礎(chǔ)系統(tǒng)方法》一書中提出[14],該理論指出，針對故障電路的處理流程包括3個(gè)步驟:

(1) analysis：首先分析故障的線索和征兆；

(2) plan：進(jìn)而制定一個(gè)排除的邏輯計(jì)劃,熟知電路的工作原理,在電路原理圖上標(biāo)記各個(gè)測試點(diǎn)正確電壓值,對排除故障特別有用；

(3) measure：實(shí)施深思熟慮的測量,不斷縮小可能出現(xiàn)故障的范圍。

2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施難點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)以學(xué)生在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場完成若干個(gè)硬件電路的故障檢測為主要評(píng)價(jià)依據(jù),雖然該實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)計(jì)劃僅4學(xué)時(shí),但該實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施存在以下難點(diǎn):

(1) 這是一個(gè)集電路理論、模擬電路理論、APM排障理論、儀器使用及測量技巧于一體的綜合實(shí)驗(yàn),在有限學(xué)時(shí)里完成硬件檢測,要有一定的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

(2) 38個(gè)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),滿足人手一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的需求,這對故障的類型、重復(fù)率、隱蔽性都提出很高要求,實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作是一個(gè)難題。

(3) 每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)裝置上的故障不完全一樣,檢測方法和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度不一樣,教學(xué)輔導(dǎo)也要一對一跟進(jìn)。

(4) 同樣的故障現(xiàn)象,可能致障因素不同,確認(rèn)故障所在必須要用數(shù)據(jù)說話。

2.3 充分的熱身準(zhǔn)備

(1) 提早安排實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)前2周就把實(shí)驗(yàn)任務(wù)安排給學(xué)生,說明預(yù)習(xí)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)實(shí)施的目標(biāo)和過程,提醒學(xué)生提前準(zhǔn)備。

(2) 提供實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)材料。在《實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》中補(bǔ)充“故障排查”一章,提供基于APM理論的故障排查流程和APM應(yīng)用舉例等具有針對性與實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)。

(3) 完成仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生必須使用Multisim仿真工具,完成11個(gè)虛擬電路故障的檢測,逐一填寫“APM記錄表”,并提交仿真作業(yè)。通過該過程,學(xué)生認(rèn)識(shí)了各種簡單故障現(xiàn)象,并熟悉APM實(shí)施的基本方法。

(4) 確認(rèn)硬件實(shí)驗(yàn)資格。教師檢查仿真作業(yè),做對80%以上的學(xué)生才有資格進(jìn)入硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

(5) 硬件實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。要求學(xué)生撰寫“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告”,對硬件實(shí)驗(yàn)電路原理進(jìn)行分析,并對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的電壓電流參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算,獲取電路正常工作的一手材料。

至此,實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備告一段落。

2.4 獨(dú)特的硬件設(shè)備支持

故障設(shè)置多樣才能拓展知識(shí)面、引發(fā)學(xué)生興趣、活躍實(shí)驗(yàn)課堂。設(shè)計(jì)開發(fā)了2個(gè)用于故障排查的實(shí)驗(yàn)裝置(實(shí)驗(yàn)板),如圖1所示。一號(hào)板以串、并聯(lián)電路和R、L、C元件故障為主；二號(hào)板以二極管、三極管及集成運(yùn)放為主的功能電路為主,故障點(diǎn)多、難度增大。通過布放“短路子”并配合獨(dú)特的PBC設(shè)計(jì),使得電路中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)置通、斷2種狀態(tài),電路中的每一個(gè)元、器件的參數(shù)都可以調(diào)整甚至更換。這樣,故障設(shè)置的靈活性大大增強(qiáng),可以做到每塊實(shí)驗(yàn)板的故障都不完全一樣。

圖1 基于APM理論的電子線路故障排查系列實(shí)驗(yàn)裝置

2.5 “雙盲的”故障設(shè)計(jì)

考慮到每次實(shí)驗(yàn)課的工作量,設(shè)計(jì)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)板上都有3個(gè)不一樣的實(shí)驗(yàn)電路,每個(gè)電路有1～2個(gè)故障點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)課前,由幾位教師背靠背進(jìn)行故障設(shè)置,并且不做任何記錄與標(biāo)記。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場,學(xué)生和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師都不知道面前實(shí)驗(yàn)板上故障電路的真正問題所在,師生都要按照APM步驟一步一步進(jìn)行測量與確認(rèn)。

人為設(shè)置的故障要找出來,而且故障的電路實(shí)際工作時(shí),故障范圍有隨時(shí)擴(kuò)大的可能性,種種不確定因素都對輔導(dǎo)教師的技術(shù)能力提出挑戰(zhàn)。事實(shí)證明,經(jīng)過1～2次課的熟悉后,教師普遍認(rèn)為這種不預(yù)知結(jié)果的實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo),令師生在同一起跑線上,沒有先入為主的影響,也沒有走捷徑的便利,每一個(gè)故障甄別都富有新鮮感,每一次測試結(jié)果都有可能出乎意料,在分析、規(guī)劃與測量的一次次循環(huán)中,師生的能力都得到提升。同時(shí),雙盲設(shè)計(jì)令“同一故障現(xiàn)象,有N種致障可能性”規(guī)律完美體現(xiàn)。巧妙利用“故障擴(kuò)大”這一工程現(xiàn)象,成為實(shí)驗(yàn)課隨機(jī)出現(xiàn)的趣味因素,并有效杜絕抄襲現(xiàn)象。

2.6 配套的教學(xué)與輔導(dǎo)

(1) 講授重點(diǎn)難點(diǎn)。與雙盲故障設(shè)置方式相配套,在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場不再重復(fù)APM排障的基本要領(lǐng),轉(zhuǎn)而將講解的側(cè)重點(diǎn)放在思維拓展和技巧應(yīng)用上,集中講授時(shí)間控制在20 min以內(nèi)。

(2) 啟發(fā)式輔導(dǎo)。2名教師在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場巡回指導(dǎo),隨時(shí)回答疑問。針對學(xué)生在硬件排障過程中思維簡單、狹隘的共性問題,整個(gè)輔導(dǎo)的重點(diǎn)放到啟發(fā)、鼓勵(lì)學(xué)生打開思維,最大限度地挖掘并逐一排除導(dǎo)致故障的可能因素,改變他們遇到電路故障就只懷疑元、器件問題的思維方式,培養(yǎng)學(xué)生挖掘所有故障可能性的能力與習(xí)慣。

2.7 驗(yàn)收較真兒

學(xué)生完成一個(gè)故障診斷流程后,可向教師申請驗(yàn)收。驗(yàn)收過程是嚴(yán)格的:

(1) 排障邏輯要正確。現(xiàn)場查閱學(xué)生記錄故障診斷過程的“APM記錄表”,并向?qū)W生提問,了解排障過程的規(guī)范性。

(2) 要準(zhǔn)確找到故障“點(diǎn)”。教師驗(yàn)收故障細(xì)致到電路最小組成部分,即找到存在故障的節(jié)點(diǎn)、連線或元器件。關(guān)鍵是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)找到故障支路不算完,一定要將故障落實(shí)到有問題的元件和節(jié)點(diǎn),不錯(cuò)過任何一種可能性。

(3) 用實(shí)證說話。教師與學(xué)生使用現(xiàn)場儀器對關(guān)鍵測試點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行復(fù)測,一起分析、判斷故障定位的結(jié)論正確與否。學(xué)生診斷和教師確認(rèn)都以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為依據(jù),實(shí)證精神得以彰顯。

實(shí)驗(yàn)成績評(píng)價(jià)包括5方面的內(nèi)容:仿真作業(yè)檢查與驗(yàn)收、課堂上排查出故障的數(shù)量、實(shí)驗(yàn)質(zhì)量、自主創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)過程,是詮釋教學(xué)理念的出發(fā)點(diǎn),也是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的落腳點(diǎn),是內(nèi)容、資源、技術(shù)與管理等多因素共同影響的結(jié)果。當(dāng)下的教學(xué)實(shí)驗(yàn),不缺對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的大額投入,唯少針對教學(xué)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)。本文所述的基于APM理論的電子線路故障排查系列實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)板,每塊成本僅70元,而且可以無限次設(shè)計(jì)并重復(fù)使用,以此為載體,該實(shí)驗(yàn)達(dá)成了以下的效果:

(1) 對故障排查能力進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)練,彌補(bǔ)課程教學(xué)的不足,是工程能力培養(yǎng)理念的創(chuàng)新。

(2) 電路是電子技術(shù)入門課程,以故障電路為載體,強(qiáng)化電路理論與實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合,令抽象的電路理論有了踏實(shí)的落腳點(diǎn)。

(3) 將APM理論導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)課堂,為學(xué)生故障排查能力的培養(yǎng)提供一種可實(shí)施的手段和正確的方法。

該實(shí)驗(yàn)在2017年5月舉行的“鼎陽杯”全國電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)案例競賽中獲獎(jiǎng),也是低成本實(shí)驗(yàn)的成功范例。

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