提高實驗教學質量的探討與實踐

摘要：實驗教學是高等院校教學必不可少的重要組成部分，實驗教學的質量直接影響到學生的實踐能力與綜合素質的提高和創新意識與創新能力的培養。基于信號與系統實驗教學的實踐，從多方面對如何提高實驗教學質量進行探討。

關鍵詞：信號與系統；實驗教學；質量；實踐

中圖分類號：G642文獻標志碼：A文章編號：1001-7836（2018）10-0038-03

一個全日制理工科大學生在大學四年的學習中，接受到的實踐教學應包括：基礎實驗教學、專業實驗教學、課程設計、科研訓練、畢業設計、生產實習等，可相當一部分學生在進行畢業設計時，不知道如何進行設計工作，或對所設計的電路不知如何去進行調試、修改，缺乏科學實驗的方法和分析問題、解決問題的能力，更談不上具有創新意識。面對這樣的情況，我們不禁自問，如何才能培養出具有開拓精神和創新能力，滿足當今社會需求的學生呢？在畢業設計之前，學生已經經歷過很多的實踐訓練尤其是實驗教學的訓練，這些實驗教學的目的正是為了培養學生的基本實驗技能，培養他們的實踐及綜合應用能力，培養他們分析問題、解決問題的能力和創新精神。但現狀卻是非常令人不滿意的，因此，提高實驗教學的質量是我們亟待解決的課題。

1創造良好的實驗教學環境

1.1重視實驗教學工作

實驗教學是高等院校教學體系的一部分，是培養學生科學實驗方法和技能、分析問題與解決問題的能力、理論聯系實際的學風和實事求是的科學態度的手段，實驗教學相對于理論教學更具有直觀性、實踐性、綜合性的特點，在高素質創新型人才的培養中具有理論教學不可替代的地位與作用，實驗教學與理論教學不是主從、依附的關系，而是辯證統一的關系，只有重視實驗教學才能有效地提高實驗教學質量。所以理論課教師必須同時承擔實驗教學任務，這樣才能充分了解學生實驗課的表現及學生的實踐能力，更好地將理論與實踐相結合。

1.2創造滿足實驗教學的必備條件

實驗教學不同于課堂理論教學之處就在于實驗教學必須依靠一定的實驗裝置和儀器、儀表。適當的實驗場地，合理的、先進的實驗設備是保證實驗教學質量必備的硬件條件，此外，制定與課程教學計劃相符合的、合理的實驗教學計劃與大綱，具有先進性、適用性的教材均是保證實驗教學質量的必要條件。為此，我們適時地修改了實驗教學大綱，增加了新的實驗裝置，實驗指導教材的修訂正在編寫中。

1.3提高教師隊伍的素質

教學由兩方面因素構成：教與學，而教的主體是教師，教師的素質會直接影響到教學質量。從事實驗教學的教師首先應該嚴格要求自己，不斷學習、更新知識、提高自己的工程素質和業務水平，這樣才有可能用自己的知識去為學生答疑、解惑，去啟發和吸引學生，提高學生對實驗教學的興趣[1]；其次，應該充分認識實驗教學的重要作用，認識自己肩負的重任，全身心地投入到實驗教學中，才能把這項工作做得更好。新任實驗指導教師必須在老教師的指導下完成一到兩期的指導之后才能獨立上崗，以保證師資隊伍的素質。

2充分發揮教師的主導作用，啟迪學生智慧

2.1循循善誘，開拓學生的思維

實驗教學重在過程，在大學基礎實驗教學過程中，首先要培養學生實驗的基本技能，指導學生掌握常規儀器的基本原理及使用方法。學生所做的往往是一些驗證型實驗，在教學過程中，首先提出具有代表性的問題，引導學生對所學相關理論進行回顧，再從理論入手啟發學生積極思考實驗方案。在進行信號與系統實驗中“系統的頻率響應特性測量”這一實驗項目時，告訴學生：實驗室提供給同學們的是一個未知特性的系統，要求大家測出該系統的頻率響應特性。那么，學生們首先必須知道什么是系統的頻率響應特性，其次是如何去測量。此時不是直接告訴學生測量的原理及方法，而是要求學生回顧，一個穩定的系統在正弦信號激勵下系統的穩態響應（輸出）是什么，輸出信號與輸入信號有何異同，這些不同與輸入信號的頻率之間是否存在關系。由此一番引導之后，學生應該非常清楚，系統的頻率響應特性，就是指響應的幅度與相位隨激勵信號頻率改變的情況；頻率響應特性的測量就是測出在不同頻率激勵信號作用下輸出信號與輸入信號的幅度比和相位差。如何測出輸入、輸出信號的幅度比對于大多數學生來說都容易想到，但如何借助于常規儀器測出對于輸入、輸出信號的相位差學生們普遍不清楚，于是可以啟發學生將頻率相同但幅度、相位不同的兩個正弦信號畫在同一坐標系中，在頻率已知的情況下從圖上的坐標系中就可以確定相位差，在實驗室則可以將雙蹤示波器當作坐標紙，將輸入、輸出處信號同時顯示在示波器上即可測出相位差[2]。最后，只要將測量的數據描成曲線即可分別得出幅頻特性曲線與相頻特性曲線。這就是頻率響應特性的逐點測量法。這樣一來學生不僅知其然，而且知其所以然。

2.2讓學生學會理論聯系實際

實驗過程中，一旦出現了與理論不相符合的實驗現象，要啟發學生從不同的角度去分析這一實驗現象的形成原因，讓學生體會到理論來源于實踐，但實踐受客觀因素的影響有時與理想狀況是有區別的。應該在理論指導下進行實踐，在實踐中豐富理論知識，培養學生理論聯系實際的學風。譬如在做不同頻率的方波通過低通濾波器的實驗時，要求學生觀察下列三種情況下的輸出波形：fi

2.3培養學生分析問題、解決問題的能力

實驗教學教的是方法。在教學過程中，當學生提出問題時教師不要急于回答，首先應引導學生自己去分析可能產生問題的原因，然后再指導學生去逐項排查，并找出解決問題的方法。在實驗教學中經常會遇到這一類現象，學生會突然提出，剛才實驗還是好好的可現在示波器上什么波形都沒了，這時教師不能馬上告訴學生問題出在何處，而是提示學生出現這一現象的原因可能有：電源故障，用于觀察輸出信號的示波器或連接線有故障，信號源或輸入端的連接線有故障，實驗中用到的其他儀器故障，實驗電路由于虛焊、脫焊等造成的故障等；首先指導學生先逐一排查電路以外的儀器、儀表的故障，再排查電路的故障。這樣一步一步查找的過程既是學生對常規儀器、儀表使用的熟悉過程，也是對學生分析問題能力的一種培養，找到故障后排除故障的過程則是對學生解決問題能力的培養和鍛煉。

2.4重視實驗結果的真實性

培養學生以誠實的態度對待科學實驗，以實事求是的態度對待實驗結果是高校實驗教學的重要目的。教學過程中通過典型的例子讓學生懂得，不能為了自己所要說明的問題而隨意更改、增減數據，更不能嫁接別人的數據或偽造數據[3]。因為只有在真實的各組數據之間才能找到事物內在的本質，雖然有時也會出現不符合規律的數據，但只要找到不符合規律數據出現的原因，就會有所發現，甚至是重要的新發現。在觀察10KHz與12KHz，幅值均為5V的兩路正弦信號疊加時，要求學生測出疊加后信號的頻譜。一些學生測出的頻率成分為（2KHz，-42dB），（10KHz，5dB），（12KHz，5dB），（22KHz，-43dB），并得出結論，兩路正弦信號疊加之后的頻譜中包含四個諧波分量。事實上，這個結論是錯誤的，學生為了證明疊加之后的信號中包含10KHz與12KHz的和頻（22KHz）與差頻（2KHz）成分，找出了本不屬于疊加后信號的兩個頻率成分2KHz，22KHz。但實驗中的確會出現這兩組數，從幅值的大小亦可看出2KHz，22KHz的幅值還不到10KHz，12KHz幅值的1%，已大大低于我們所用選頻電頻表的測量范圍（-20dB），與2KHz，22KHz幅值大小相近的頻率成分還有好多，只是學生們認為不是正確數據沒記錄，這是一些干擾信號。所以對實驗結果的真實性進行分析去偽存真是正確結論的關鍵因素之一。

2.5注重實驗結果的分析與總結

高等學校擔負著培養開拓型、創新型人才的重任，而創新的學術思想、科學的實驗方法、嫻熟的實驗技能是開拓型、創新型人才必備的素質。實驗教學中不僅要重視學生實驗技能和科學的實驗方法的培養，還要注重培養學生的創新精神。理論來源于實踐，且理論的發展遵循螺旋式上升的規律：理論—實踐—理論，即在理論指導下進行實踐，將實踐的結果進行分析、總結上升為新的理論（結論）。倘若只重視實驗過程不注意實驗結果的分析與總結，就相當于只播種不收獲。對實驗結果棄之不顧就不可能有新的認識和發現，也就談不上創新。實驗教學中應要求學生認真觀察每一個現象，實驗結束后及時地整理、分析實驗數據，對于驗證型實驗，要求將實驗數據與理論值進行比較，判斷實驗結果是否與理論規律相符合，若不符合或誤差較大則要分析原因；對于設計型實驗應分析實驗結果是否滿足設計的指標要求；對于綜合型實驗，應要求學生根據實驗數據和現象得出相關的結論。在做信號頻譜分析的實驗時，要求學生將實驗中測得的數據整理后畫成頻譜圖，并將數據與理論值進行比較，從而加深對典型信號的頻譜的印象；在觀察兩個不同頻率的正弦信號的疊加時，則要求學生根據實驗數據和觀察到的波形得出一般性的結論，兩個不同頻率的正弦疊加后信號包含哪些頻率分量，疊加后的信號是否為周期性信號，兩正弦信號頻率相差較大或較小時的輸出信號波形有何特點，與實驗之前用MATLAB仿真的結果是否相同[4]。若不要求學生得出這樣的結論，那么學生的認知只能停留在觀察到的波形上，根本不會上升為一般性的理論，今后若遇到類似的問題依然不知道正解是什么。

3調動學生的實驗興趣和積極性

3.1設計合理的實驗項目

我們的學生在學習的過程中，往往只重視理論教學而忽視實驗教學的重要性。對于信號與系統這樣理論性、邏輯性較強的課程，如果單純只從理論上灌輸給學生一些知識，學生會覺得很這門課公式多、較抽象、難理解，因此就會產生畏難情緒，自然也就不會有好的學習效果。所以在介紹理論知識的同時，設計一些合理的實驗項目，讓學生通過直觀的實驗現象理解相應的理論知識，這不僅對理論知識的理解會起到促進作用，還會讓學生通過實驗了解和掌握一些實驗的方法、實驗的手段，提高學生的實驗技能，培養學生在實踐中求知的積極性。譬如：在信號與系統課程中我們會講到周期信號的頻譜的概念，一個周期為T1的矩形脈沖，可用傅里葉級數將其展開成三角形式或指數形式的無窮級數，其展開式中的系數表示了各諧波分量的幅值的大小，因此我們說周期矩形脈沖包含了若干個頻率成分。學生一開始總是不明白，周期矩形脈沖信號既然周期為T1其頻率就應該是1/T1啊，怎么會有其他的頻率呢，為此，我們設計了周期信號頻譜的測試實驗，讓學生通過逐點測量的方法找出信號包含的一些頻率成分；同時我們還設計了方波的合成實驗，讓學生觀察一次諧波，然后一次與三次諧波疊加，再將一、三、五諧波進行疊加，逐步增加疊加的諧波次數合成的波形，通過觀察合成的波形學生會發現，疊加的諧波次數越多，合成的波形就越接近原來的矩形脈沖，從而理解周期矩形脈沖是由若干個不同的頻率成分（諧波分量）組合而成的。這種建立在測量數據、圖形上的實驗結果學生非常容易接受、理解，因此調動了學生參與實驗的積極性[5]。

3.2增加設計型實驗

為了增加學生的參與性，鍛煉學生的設計與創造能力，我們改變了過去教師設計好實驗電路，學生只按照實驗指導書按部就班操作的模式，增加了設計型實驗。我們在實驗課之前一周通知學生要做的內容，并讓學生自己提供實驗方案。譬如，要做濾波器特性測量時，將學生分成若干組，每一組設計一個濾波器，并從理論上畫出系統的頻率響應特性，并要求分析用方波作為輸入時，理論上的輸出波形。實驗前，教師確認理論設計正確后，學生進入實驗室來完成自己設計的電路并測量其特性、分析實驗結果與理論是否一致；再譬如，在做兩個正弦信號相加的實驗之前要求學生用MATLAB進行仿真，根據仿真的結果了解疊加后波形特點，然后再來實驗室通過實驗電路進行相加，從而可以更好地認識系統對信號的作用。這樣讓學生自己參與設計就會克服完全依賴教師的指導和實驗指導書，既培養了學生的分析、設計的能力，又大大調動了學生的積極性和興趣，有效提高了實驗教學的質量。

3.3增加實驗成績的比例，考核內容多元化

信號與系統實驗屬于課內實驗，過去實驗成績只由考勤、實驗報告兩項組成，占總成績的20%，為了調動學生的積極性，更好地培養學生的實踐和創新能力，考核內容增加了MATLAB上機和設計方案兩項，實驗成績的比例提高為總成績的30%。

4結束語

教學質量是高等學校的生命線，實驗教學是高校教學的重要組成部分，提高實驗教學質量是鍛煉學生實踐能力，提高學生綜合素質，培養學生科學的實驗方法和創新精神與創新能力的重要手段。實驗教學質量的提高與良好的實驗教學環境，教師的指導方式和方法，學生的學習態度有著密不可分的關系。

參考文獻：

[1]李進.實驗教學重在過程[J].實驗室研究與探索，2009，28（9）：1—4.

[2]李進.實驗教學重在過程（續）[J].實驗室研究與探索，2009，28（10）：1—4.

[3]林健.注重卓越工程教育本質，創新工程人才培養模式[J].中國高等教育，2011（6）：19—21.

[4]錢玲，虞粉英，李彧晟.信號分析與處理實驗指導書[M].北京：科學出版社，2012.

[5]盧季霞.高校人才培養模式與實驗教學改革的探索[J].科教文匯，2015（2）：40—42.

Abstract：Experimental teaching is an important part of teaching contents in colleges and universities. The improvement of students practical ability and comprehensive quality， and the cultivation of innovative consciousness and innovative ability are all influenced directly by the quality of experimental teaching. This paper discusses how to improve the quality of experimental teaching based on the practice of signal and system experiment teaching.

Key words：signal and system； experimental teaching； quality； practice

（責任編輯：侯秀梅）