以廢舊儀器為載體的電子技術實踐教學改革

劉復玉, 郝憲鋒, 陳 璨, 李 林

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

近年來我國許多高校進行工程教育專業認證,這不僅是工程教育改革的必然趨勢和內在要求,也是各高校促進專業建設、提高人才培養質量的契機[1-2]。我國的大學教育現在正從精英教育向大眾教育轉變,換句話說也就是從知識型人才培養向工程應用型人才培養的轉變,只有培養更多“能解決實際問題,具有較強的實踐動手能力”的人才才能符合時代特色和社會需求。我校信息與控制工程學院從2014年開始進行工程教育專業認證,為了改善實驗室硬件條件和環境,先后投資數百萬元更新實驗儀器和設備,與此同時也有相應數量的廢舊設備和儀器需要報廢和處理。這些廢舊儀器和設備品種眾多,如果僅僅按照過去的設備報廢和處理程序,交給相應的回收企業簡單處理,這些廢舊設備和儀器殘值很少。這些設備因為年限和更新換代等原因退出正常教學,但是并不意味著這些廢舊設備毫無再利用的價值，相反在提高學生動手能力,增強系統意識和工程意識方面還大有用處?；诖?課題組圍繞著報廢設備和儀器做了一些嘗試[3-5]。

1 儀器和設備實物展示

因電子技術發展設備需要更新換代,或者儀器設備到了需要報廢的年限,實驗教學中心需要定期購入新設備,淘汰廢舊的老設備。以2014年為例,實驗教學中心共有數十種儀器和設備退出了正常的教學和科研進行報廢處理。這些儀器設備品種多、門類齊全,例如有示波器、直流電源、信號發生器等,而這些儀器設備有些型號或者種類因課程的改革或者技術的進步等,在今后的實驗教學中不再使用。如果這些報廢的設備只是簡單地全部交給回收企業處理掉,新入校的學生就很少有機會再看到以前舊型號設備的實物了,失去了歷史傳承,不能從電子儀器和設備的更新換代了解電子技術發展歷程[6-7]。因此在實驗室專門留出空間,把部分典型的廢舊儀器設備樣品進行實物展示,如圖1所示。

圖1 儀器設備實物展示圖

通過把不同時代的實驗儀器、設備、電子產品等進行系列展示,學生既了解了電子技術的發展,又感受到了實驗室硬件條件的不斷改善。例如把大家都非常熟悉的示波器按照年代進行集中展示,既有報廢的老式的模擬示波器又有較新的數字示波器；把歷屆學生的實習作品收音機進行展示,有電子管的、晶體管的,還有集成電路的,這樣的展示不但對現在的學生是啟迪和教育,同時對完成這些作品的已畢業的學生也留下了一份情懷和紀念。

2 報廢實驗設備和認識實習

依據多年的教學經驗,很多學生對自己所用的實驗儀器和實驗箱內部的結構很感興趣,希望打開實驗箱了解一下內部的結構和所用器件,然而,常規的教學主要是傳授學生如何使用這些儀器設備進行相關的實驗,而對這些儀器設備本身的工作原理和內部結構關注很少,甚至直接忽略。這既有主觀原因也有客觀原因,主要還是這些儀器設備價值不菲,不可能讓學生隨便拆卸,研究內部的結構和功能。而對于報廢的設備來說就不存在這個問題,實驗中心設立了專門的認識實習實驗室,把歷年來淘汰下來的廢舊實驗儀器和設備創造性地轉化為學生可以隨便拆卸的實習工具和認識載體,不用擔心損壞設備或者不能恢復等問題造成心理壓力,學生可以放開手腳大膽嘗試[8]。在這一過程中,學生除了鍛煉了動手能力外,還收獲了很多常規實驗學不到的知識和能力:

(1) 通過打開設備外殼,可以認識具體的器件,把一個一個電子器件的符號具體化。例如以前學習示波器的工作原理時,內部結構只能通過圖片和文字抽象學習,學生根本沒有具體的概念,只能憑空想象。通過拆解報廢的示波器,學生可以很清楚地看到示波管及其顯示電路、垂直偏轉電路、水平偏轉電路、標準信號發生器、穩壓電源等器件的實物,這是任何文字和圖片無法替代的。

(2) 通過打開設備外殼,可以了解一個設備的布局、功能單元的劃分、具體功能的實現。以電子技術實驗箱為例:首先是電源模塊,電源模塊又分正負12 V和正負5 V,然后是過流保護模塊以及其他功能模塊等。過流保護模塊是防止學生做實驗過程中電源短路損壞電源。實際上實驗箱的很多功能就是學生在模擬電路、數字電路理論課正在學習的知識,例如數字電路實驗箱的信號源產生電路就是數字電子技術理論課必講的555典型電路,以及電路實驗里的恒壓源、恒流源等都是模擬電路中的運放電路的典型應用。以前學生只知道如何使用,卻不知道是如何產生的,即使理論課講到這方面的內容,卻很少有機會看到實物和具體應用,而這些就在學生的身邊,只需要打開設備的后蓋即可。引入廢舊儀器和設備到學生的認識實習,學生可以通過具體的實物,不僅更好地了解和掌握了正在學習的相關專業知識,還能比較實際應用的成熟產品和實驗室所做的簡單實驗的區別,在今后的學習和設計時考慮得會更全面、更合理。

3 儀器設備的典型電路分析和綜合實驗

傳統電子技術教學中,常常存在理論課講解很多,但實驗課因為限于經費等客觀條件,大多數實驗仍然是驗證性實驗,缺少與實際工程背景相關聯的實驗,同時實驗內容一再簡化和縮水,所實現的功能常常都是理想化的、最簡化的,理論與實際脫節,學生思路簡單、考慮問題不全面,缺乏現代工程設計思想和方法,很多具體問題都沒有考慮,學生應用專業知識能力不強,所設計的電路與實際需求有很大的距離,例如過壓、過流、抗干擾等實際問題，學生很少考慮到,這一點在電子競賽、課程設計、畢業設計中有集中體現[9-10]。

每一臺報廢的設備和儀器實際上都是一個有具體功能的系統,雖然因為使用壽命等原因需要退出日常教學,但是儀器里的電路設計、功能實現、結構布局、焊接工藝等很多是值得學生學習的,為學生提供了一個難得的學習平臺和實訓機會,尤其是一些經典的電路和設計是不會過時的,可以作為學習目標,引導學生盡量貼近實際,考慮問題更加全面,而不是僅僅限于做個簡單的課內實驗。

利用報廢的100多臺學生做實驗用的直流電源,創造性地開設了有關電源設計的綜合性實驗。教師事先把設備的經典電路的原理圖畫出來,首先在理論課上進行講解,使學生明白電源的工作原理,理解和掌握電源設計的理論知識,然后在實驗室里進行實物學習和實驗操作。學生可以看到具體的實物,積極性很高,同時允許學生動手操作。因為是已經報廢的設備,所以在安全的前提下,學生可以放開手腳操作,例如對電路中某個器件的作用不是很清楚,教師首先進行講解,然后進行實物驗證,例如去掉一個電阻電容,加上一個電感等,判斷電源的特性是否有明顯的改變,以及實用電源這樣設計的原因等。這些遠遠不是常規的電源實驗所能涉及到的,學生學到的知識更加實用,更加貼近實際。

4 儀器設備的功能改進與畢業設計

畢業設計是高等學校應屆畢業生的總結性獨立作業,要求學生針對某一課題,綜合運用有關課程的理論和技術,做出解決實際問題的設計。我院每年畢業學生眾多,時間段相對集中,造成無論是實驗設備、實驗器材、實驗經費還是實驗場地都非常緊張,正因為客觀條件的限制,難免出現設計題目與往屆雷同、相似、難度區別不大等問題,有時候甚至只能通過計算機仿真,這與培養學生動手能力、提高綜合素質的初衷相去甚遠。

廢舊實驗儀器和設備的引入,給學生提供了難得的研究條件和機會,學生可以照貓畫虎,由淺入深,每一個廢舊儀器都是一個現成的老師,通過這種方式縮小了理論與實際應用的距離,學生不知不覺中克服了畏難心理[11-12]。針對不同類型的廢舊儀器和設備,設計了一系列有針對性的設計題目。如針對報廢的穩壓源,要求學生分析穩壓源每部分的功能、查出所用的器件的具體型號和功能、分析穩壓源設計的優點和缺點,在此基礎上抽取電路原理圖,自己制版,分塊實現其功能，又如針對電子技術實驗箱,要求學生在搞明白實驗箱每部分功能的基礎上,結合自己過去做實驗使用實驗箱的體會,提出自己的合理化建議和改進意見,以便在今后自制實驗箱的過程中使其功能更加完善,更適應本實驗室和專業實訓的需要。因此部分學生就提出并實現了對現有廢舊電子技術實驗箱的改進,在原有實驗箱的功能基礎上,增加單片機和部分必要的外圍電路,實現實驗箱功能的智能化。通過為實驗箱添加無線通信模塊,利用遠端的計算機實時采集實驗箱的狀態信息,隨時掌握學生實驗的進度,實現對學生實驗過程的監測。系統的總框圖如圖2所示。

圖2 智能實驗箱系統總框圖

5 結語

實驗儀器和設備是學生實驗和實踐的硬件基礎,貫穿于學生的整個學習過程中,學生對其功能和使用方法都比較熟悉,但因為種種原因限制,很少有學生了解其內部的結構和原理。通過創造性引入廢舊的實驗儀器和設備,打開儀器設備后蓋,為學生提供了一個嶄新的學習平臺和實訓機會。從對儀器和設備外觀的簡單認識、內部電路功能的分析到功能的完善和豐富,由淺入深,消除了學生對實驗設備的神秘感,克服了畏難心理,同時實現了廢物利用,節約了成本。