基于實踐能力培養(yǎng)的自制實驗設(shè)備教學(xué)研究

張商州， 黨楠， 張鑫， 吳曉云

(商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院， 商洛 726000)

0 引言

作為應(yīng)用型本科院校，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中如何提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實際操作能力、分析和解決問題的能力亟待解決。目前國內(nèi)大多高校工科專業(yè)實驗設(shè)備陳舊，更新?lián)Q代不及時，學(xué)生只是在現(xiàn)有的實驗設(shè)備上進行簡單的驗證性操作，對學(xué)生的各方面能力并沒有很好的進行鍛煉，很多原理性的東西在實驗操作臺上沒有很好的體現(xiàn)[1]。鑒于此，可以對課程中的個別實驗引入自制實驗設(shè)備，采用該種手段不僅有利于提高學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，還可以引入最新的實驗技術(shù)手段，提高實驗裝置的利用效率、節(jié)約實驗成本[2]。《模擬電路》是電類專業(yè)最基礎(chǔ)的專業(yè)課程，通過該課程的學(xué)習(xí)不僅要求學(xué)生掌握較強的理論知識，還要求學(xué)生具有一定的實踐創(chuàng)新能力，結(jié)合多年來對本課程的授課經(jīng)驗，以該課程為例來說明如何在教學(xué)過程中通過自制實驗設(shè)備來提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

1 自制實驗設(shè)備在教學(xué)中的必要性

近年來學(xué)校對實驗室的建設(shè)經(jīng)費投入越來越多，其中購買了很多先進的實驗設(shè)備和儀器裝置，但有些設(shè)備只能進行簡單的驗證性操作，對于高校工科實驗教學(xué)的針對性較差。同傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ较啾容^，自制實驗設(shè)備在實驗教學(xué)中具有多個優(yōu)點，在實驗教學(xué)中的使用很有必要性[3-5]。

第一，適用性強。教師可根據(jù)單門課程或者多門課程設(shè)計綜合性實驗，針對不同的專業(yè)適當(dāng)調(diào)整實驗的難易程度。

第二，成本低。學(xué)生根據(jù)教師給出的實驗要求，自行選擇元器件進行電路的焊接，同市場上現(xiàn)有的實驗電路板相比較能夠節(jié)約大量成本。

第三，可操作性強。老師可在實驗內(nèi)容中加入自己的科研內(nèi)容，既能夠鍛煉學(xué)生也能夠提高教師的科研水平。

第四，提高學(xué)生專業(yè)能力和動手能力。在實驗執(zhí)行過程中能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鞏固學(xué)生的專業(yè)知識，并把課堂學(xué)到的知識應(yīng)用到實際當(dāng)中，能培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、創(chuàng)新能力、實踐能力和動手操作能力。

商洛學(xué)院本科教育進入轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，學(xué)校以培養(yǎng)應(yīng)用型本科生為目標(biāo)，所以實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中的作用變得尤為重要。對于電類專業(yè)的課程，現(xiàn)有的教學(xué)儀器設(shè)備不能滿足教學(xué)要求，自制實驗設(shè)備可以降低教學(xué)難度、提高課堂效率、拓展學(xué)生思維，創(chuàng)造性地制作各種合適的實驗設(shè)備，因此具有提升課堂教學(xué)效果的突出作用。

2 自制實驗設(shè)備的實施

以模擬電路課程實驗中“模擬運算放大電路”實驗為例進行說明，該實驗屬于設(shè)計性實驗，以往實驗要求學(xué)生從電路設(shè)計和電路驗證兩方面進行，但是實驗結(jié)果并不能使每個學(xué)生都能達到預(yù)期的教學(xué)目的，自制實驗設(shè)備將從電路設(shè)計、仿真、焊接、調(diào)試、驗證等幾方面進行實施，以此來提高學(xué)生的電路設(shè)計能力、分析能力和動手能力。具體的研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路

2.1 電路設(shè)計與仿真

此階段主要考察學(xué)生對理論知識的綜合應(yīng)用能力，通過對電路的設(shè)計、元器件的選擇拓展學(xué)生知識面。根據(jù)“模擬電路實驗”教學(xué)大綱給出電路設(shè)計的要求，要求學(xué)生熟悉放大電路的原理，進行電路設(shè)計以及電路中元件參數(shù)的確定，并提交最終的設(shè)計結(jié)果。

以反相比例運算電路為例，要求設(shè)計電路的放大倍數(shù)為(-10)倍。學(xué)生首先要鞏固反向比例運算電路的原理進行電路的設(shè)計，再進行電路的仿真，仿真電路如圖2所示。

圖2 反向比例運算電路仿真圖

如圖2所示為反相比例運算電路，根據(jù)電路設(shè)計要求放大倍數(shù)為(-10)倍，又因為考慮集成運放兩輸入回路參數(shù)對稱，即RN=RP，綜合考慮，電路中電阻R3=100 kΩ，R1=10 kΩ，R2=9.1 kΩ。其次為了保護集成運放，在電源端分別接兩個二極管以防止電源反接損壞集成運放。通過電路的設(shè)計與仿真，對輸入波形和輸出波形進行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 反向比例運算電路仿真結(jié)果

輸入信號ui設(shè)置為1 kHz，峰值為100 mV的正弦波，由仿真結(jié)果可看出，此時輸入信號與輸出信號反相，電壓放大倍數(shù)為10，且未出現(xiàn)失真，達到了設(shè)計的要求可以進行下一步的電路焊接與測試。

2.2 電路焊接與測試

上節(jié)以反相比例運算電路為例進行了設(shè)計說明，在實驗過程中為了增加實驗內(nèi)容要求學(xué)生對同相比例運算電路、加法運算電路、減法運算電路、微積分電路等都進行設(shè)計與仿真。設(shè)計完成后列出實驗器件清單進行電路的焊接，在焊接的過程中一方面可以提高學(xué)生的動手能力，另一方面也有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。電路板焊接結(jié)果如圖4所示。

圖4 實驗電路板

在該電路板上學(xué)生可以通過選擇相應(yīng)的器件來實現(xiàn)各類運算電路的測試。

同樣對反相比例運算電路進行測試，輸入信號ui設(shè)置為1 kHz，有效值為100 mV的正弦波，為電路接入正負電源，根據(jù)電路設(shè)計圖連接各個電阻，接入信號函數(shù)發(fā)生器和示波器，觀察輸入輸出波形，波形圖如圖5所示。

圖5 電路測試波形圖

通過示波器測試可看出，輸出電壓幅值為987 mV，輸入電壓幅值為97.2 mV，所得有效值放大倍數(shù)約為10倍左右，且輸入與輸出波形方向相反，即達到反相放大的目的。

2.3 實驗考核

實驗考核是檢驗學(xué)生實驗效果最有效的手段，對于自制實驗設(shè)備的實驗項目考核要區(qū)別于一般驗證性實驗，首先要求學(xué)生提交設(shè)計說明、仿真結(jié)果、實驗心得，并對學(xué)生的作品進行現(xiàn)場的測試，其次在整個實驗成績中加大該類實驗所占的比例，這樣既能夠減輕學(xué)生負擔(dān)、調(diào)動學(xué)生的積極性，又可以保證實驗課程的完整性，也杜絕了學(xué)生抄襲實驗報告的現(xiàn)象。

本文僅對反相比例運算電路進行了設(shè)計說明，對于“模擬運算放大電路”實驗中的同相比例電路、加法電路、積分電路等均可以采取以上的教學(xué)方法，既能夠使學(xué)生對理論知識有一個清楚的認識，也鍛煉了學(xué)生設(shè)計電路、焊接電路、調(diào)試電路的能力，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)有很大的好處。

3 實驗改革的效果

為了檢驗實驗改革的效果，首先在一個班級進行了試驗，主要通過實驗報告、電路設(shè)計與仿真、測試效果、期末考核等方式進行改革效果分析，主要取得以下幾方面的成果。

(1) 大部分學(xué)生能夠按照要求完成最終電路的測試，個別學(xué)生在電路焊接環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

(2) 提高了學(xué)生對電路的綜合設(shè)計與應(yīng)用能力，通過自制實驗設(shè)備完成實驗的學(xué)生在電路設(shè)計和焊接方面明顯優(yōu)于其他學(xué)生。

(3) 實驗報告相比以前更加規(guī)范，設(shè)計過程、仿真結(jié)果、測試結(jié)果更加的詳細，抄襲現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。

(4) 通過期末考核，學(xué)生對模擬運算電路這部分的理論知識掌握的比較扎實，對知識能夠靈活應(yīng)用。

(5) 實驗教師的各方面能力也得到了鍛煉，在實踐中增長才干，提高自己的理論水平的技術(shù)水平。

4 總結(jié)

自制實驗設(shè)備大大的促進了實驗教學(xué)的效果，學(xué)生通過“理論+實踐”的實驗?zāi)Ｊ讲粌H能夠鞏固所學(xué)的理論知識，而且也提高了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時對教師的業(yè)務(wù)能力也有所提高。高校自制實驗設(shè)備，將彌補傳統(tǒng)實驗的不足，對大學(xué)生的各方面能力產(chǎn)生積極的影響。