在實驗中設置陷阱提高工程實踐能力

朱 武， 薛 亮， 李高芳， 魏春娟， 胡安鐸， 卞正蘭

（上海電力大學電子與信息工程學院，上海200090）

0 引 言

近年來國家對高等教育十分重視，教育部先后提出了“卓越工程師教育培養計劃”和“應用型本科培養計劃”，旨在提升學生工程實踐能力和創新能力，為用人單位培養出具有較強工程實踐能力、創新能力的優秀工程應用型人才［1-4］。我校作為地方應用型大學，提出了立足電力、立足應用和立足一線的辦學理念，培養學生具備工程實踐能力、生產一線操作能力和基本的理論聯系實際解決工程實際問題的能力是學校人才培養的最根本的出發點。然而，用人單位對畢業生的反饋情況不盡人意，主要表現為理論知識尚可，開拓創新能力和實際操作能力相對不足，說明在實踐教學環節存在不足。因此，如何在實踐教學過程中培養工程實踐能力是需要探討的問題。

1 實踐教學存在的問題

實驗課作為實踐教學的重要組成部分，在應用型高校整體辦學水平中起著舉足輕重的作用［5-8］，尤其是電子信息類專業，市場對相關人才需求量大，技術更新較快，為了滿足社會對人才需求的要求，高校十分重視學生的工程實踐能力的培養。近年來，在培養方案的修訂過程中，實驗課的比例也是逐年提高。然而實驗課程開設方式上與理論授課不同，提高實驗課程質量的難度較大。如何在實驗教學中培養學生設計能力、常用工具的使用能力、調試排錯能力和理論聯系實際解決問題的能力的措施不得力，造成了學生的動手實驗能力和工程素養達不到用人單位的要求，出現了理論與實踐相結合解決實際問題的能力不足。通過對多年的課堂實踐教學指導過程中反映的情況和用人單位反饋情況的反思，發現傳統的實驗教學存在如下不足。

1.1 實驗教學類型設置不足

實驗教學包括課內實驗與課外實驗，實驗類型包括驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗與創新性實驗等［9］。在實驗內容設置方面，雖然實驗教學安排占總學時數的比例提高了，但是基礎性實驗教學內容占絕大多數，大多是驗證性實驗，而綜合性、設計性和創新型實驗偏少［10-12］。受實驗室資源和學時數的限制，相當比例的驗證實驗采用軟件仿真，仿真系統上的連線、測試工具、電源、信號以及電子器件都是處于正確狀態，這種環境與真實實驗場景情況不一樣。所以，仿真只能幫助學生理解驗證理論知識，實際動手操作能力卻被大大弱化，導致部分學生不能熟練使用電子實驗的常用工具，如示波器、電源、數字萬用表等，印象深刻的是部分學生分不清電源的公共端（COM）與地的關系，不能正確將電源接入實驗系統，不能夠熟練使用測試工具進行排錯和糾錯。對于大學本科生來說，在沒有熟練使用常規的電子系統測試工具之前，采用軟件仿真的驗證實驗，這種實驗教學模式將不利于學生工程實踐能力的提高。

1.2 實驗教學缺乏“準現場”環境

對于電子信息類本科生來說，實踐教學意旨培養學生的工程實踐能力，畢業后能夠獨立從事基本的電子系統設計、生產調試、運行維護等工作。傳統的實驗教學實施過程是由實驗員直接準備好實驗設備、材料，實驗設備與備件，并在實驗前由實驗員進行檢查，實驗設備都處于良好工作狀態，電子器件都功能正常，學生上課僅需按照教師制定的操作方法直接進行實驗驗證即可，實驗過程順利，沒有遇到任何困難，但實驗過程中的排錯能力和理論聯系實際的能力沒有得到鍛煉，這對學生工程實踐能力培養效果并不好。分析其原因，主要是這種驗證性實驗過程缺乏“準現場”環境，這與以后獨立進行研發工作所出現的困難環境相差甚遠，將來真實現場環境可能出現很多種干擾因素，如實驗設備是否工作正常、實驗設備選擇是否合理、示波器探頭是否工作正常、測試系統連接是否正確以及電子元器件是否功能正常等。在平時的實驗過程中沒有排除這些干擾因素的經驗，就會出現有理論知識，無實踐經驗，一遇到問題就無從著手解決的情況。

1.3 綜合實驗內容的綜合性不夠

綜合性實驗是專業人才培養的重要組成部分，是培養學生的創新思維和創新能力的重要教學環節。綜合性實驗教學不同于傳統的實驗教學模式，傳統的教學實驗大多數是驗證性的簡單實驗，內容單一死板，各個實驗之間的聯系較少，缺乏系統性和綜合性。由于高校普遍存在重科研輕教學的情況［13］，沒有多少老師愿意花大量的時間來開發綜合性的實驗項目，或者將科研的相關內容通過簡化或提煉用于綜合實踐教學，導致綜合實驗的綜合性不足，缺乏專業模塊課程之間的內容關聯和知識聯系。

2 在實驗中設置陷阱提高實驗能力

高校的實驗教學，是學生自己通過實驗手段認識客觀世界，增長知識，提高能力，全面發展心理素質和品質的過程。主要目的是幫助學生進一步掌握重要的基礎理論，并能靈活運用，活躍思維，發展智能；培養學生具有高級科技人才所必需的科學實驗能力和素質。如何能夠達到該目的？關鍵在于學生在實驗過程中獲得什么樣的親身體驗，在多年的實驗教學過程中發現，順利完成實驗的學生收獲小，實驗受挫的學生收獲卻較大。因此，在實驗中有計劃地設計陷阱，模擬可能出現的各種干擾因素，通過學生自己查錯和糾錯得到增強學生實驗經驗，從而達到提高學生工程實踐能力的目的。設置的常見陷阱例如：在電子信息類實驗中，示波器，信號發生器和萬用表等常規測試工具廣泛使用，示波器的探頭和信號發生器信號輸出線損壞率較高，而學生往往認為實驗工具及配件是理想或處于正常使用狀態，造成實驗失敗而不知的情況普遍存在。針對這種情況，在實驗中人為地提供壞的示波器探頭或信號輸出線，增加實驗干擾因素，培養學生在實驗過程中要有判斷測試設備是否正常的基本技能和良好習慣，具備排除外界干擾的糾錯能力。

對于在電路板上焊接調試的實驗，人為漏掉某些特定的連線，表現出確定的實驗現象，讓學生通過萬用表、示波器和信號源等常用工具測試，設計小的測試實驗，觀測波形和分析實驗數據，根據電路的基本理論知識判斷電路連線故障，培養學生理論指導實踐的能力。

對于理論知識認識不足，不能很好指導實踐，造成實驗失敗，要有意識地將這種情況引入到實驗中來，通過實驗的檢驗，不斷提高理論知識認識水平，使學生更加牢固掌握這一知識點。

3 設置陷阱實驗案例

二進制移頻鍵控（2FSK）過零檢測實驗，其解調原理如圖1 所示，各單元輸出波形如圖2 所示。2FSK過零檢測電路輸入信號是雙頻正弦波，首先通過帶通濾波器讓雙頻信號通過，如圖2（a）所示，提高信號的信噪比，限幅放大把正弦波變成方波，如圖2（b）所示，方波信號通過微分電路，得到如圖2（c）所示的波形，通過整流電路得到圖2（d）所示的波形，通過脈寬觸發電路得到圖2（e）所示的波形，最后通過低通濾波得到的波形如圖2（f）所示，對f波形進行抽樣判決就可以實現信號的解調。這個實驗有一定的綜合性，包括帶通濾波器、低通濾波器、定脈寬觸發電路、全波整流電路和微分電路設計等內容，是一個跨課程的實驗，包含了模擬電子技術、數字電子技術和通信原理課程的內容。在這個實驗中，要求采用有源微分電路，并要求比較微分器在放大器輸出方波與信號發生器輸出方波兩種輸入信號下的工作情況。微分電路是一個常見的電路，同學們在模擬電子技術這門課上已經學過［14］，教科書上的電路，覺得很簡單。由于學生缺乏對放大器穩定性判斷的有效方法，或者在放大器穩定性判斷的相關理論知識方面有盲區，導致實驗調試不成功，這就實驗教師人為地在實驗中設置的“陷阱”。微分電路如圖3所示［14］。

圖1 2FSK過零檢測電路

圖2 過零檢測法各點波形

圖3 微分電路

當采用放大器輸出方波作為微分器輸入時，系統不穩定，電路不能實現微分功能；當采用信號發生器輸出方波作為微分器輸入信號時，電路能夠實現微分功能。分析如下：

當采用放大器輸出方波作為微分器輸入時，放大器輸出阻抗近似為零，設微分器電路的反饋系數為F，則由圖3 可知：

1 / F的幅頻特性曲線與放大器開環幅頻特性曲線相交情況如圖4 所示。

根據反饋放大器理論，當反饋系數的倒數曲線與放大器開環特性曲線相交速率為40 dB時，系統不穩定，反饋系數的倒數曲線與開環特性曲線相交速率為20 dB時系統穩定［15］。由圖4 可知，系統是不穩定的，不能實現微分功能。

圖4 放大器閉環相交特性曲線

當采用信號發生器輸出方波作為微分器輸入信號時，由于信號發生器內部有串聯保護電阻，其輸出阻抗不為零，其等效電路如圖5 所示，Rs為信號源的內阻。

圖5 信號源內阻不為零的微分電路

圖5 所示微分電路的反饋系數為F1，則：

1 / F1的幅頻特性曲線與放大器開環特性曲線相交情況如圖6 所示。

圖6 微分器閉環相交特性曲線

根據反饋放大器理論，當反饋系數的倒數曲線與開環特性曲線相交速率為40 dB時，系統不穩定，反饋系數的倒數曲線與開環特性曲線相交速率為20 dB時系統穩定。當微分電路輸入信號源沒有內阻時，系統只有一個零點，不存在極點，反饋系數倒數曲線與放大器開環曲線相交速率為40 dB，系統不穩定；當輸入信號源有內阻時，系統有一個零點和一個極點，反饋系數的倒數曲線與放大器開環曲線相交速率為20 dB，系統穩定。放大器閉環相交特性曲線如圖6 所示，保證了前置放大器的穩定性。

這種不穩定問題在實驗中使學生束手無策，無法解決，打擊之大，印象深刻，會引起學生高度重視。這種通過設置“陷阱”的方法，讓學生對放大器的穩定性有更深刻的認識，通過老師對放大器穩定性判斷方法的講解，使學生掌握了比教科書上更好的判別方法，在以后的畢業設計中和其他綜合實驗中能夠熟練運用這一方法，為學生以后從事科研解決放大器穩定性這一大類問題打下基礎，取得了很好的教學效果。

4 結 語

通過幾年教學探索與實踐，通過人為設置“陷阱”，增加實驗干擾因素，使學生對實驗測試工具有進一步的認識，能夠熟練檢驗工具的工作狀態，使學生產生了實踐興趣和熱情，為以后的工程實踐打下了很好的基礎；通過對“陷阱”的排錯和糾錯，培養了學生良好的實驗習慣，避免了不必要的干擾因素，提高了工作效率；通過人為設置“陷阱”，使學生對克服困難的過程獲得充分體驗，印象深刻，收獲大，會在以后的科研中自覺使用，對提高學生分析問題和解決問題的能力大有幫助。