引入故障調試的實驗教學內容改革

鄭勁松，翁曉紅，秦春節

（浙江工業大學機械工程學院，杭州 310023）

0 引言

高校的實驗教學，不是簡單的理論驗證，而是要使學生在實驗過程中對理論加以理解、消化和吸收；不是簡單的實驗儀器操作，而是要使學生了解儀器功能，掌握儀器操作，鍛煉學生選擇實驗儀器解決實際問題；也不是根據實驗步驟按部就班地實驗模仿的過程，而是要使學生運用掌握的知識自主發現問題，分析查找原因，解決問題，是學生自主學習、自主實踐的過程。

1 設置實驗故障的意義

20 世紀80 年代，HenriHolec 提出了“自主學習”概念，21 世紀初，Littlewood 將自主學習分為前瞻性自主學習（proactive autonomy）和反應性自主學習（reactive autonomy）兩種運行模式，前者是指學習者能獨立管理自己學習任務、學習目標，自主學習完成目標，后者是指學習者不能獨立確立學習目標，但目標一旦確立即能自主學習以完成目標［1-3］。實驗教學中，學生的自主學習非常重要。因為在實驗教學過程中，實驗教師只做指導，實驗內容需要學生積極探索，自主完成。“自主學習”里最關鍵的就是確立一個合適的學習目標。實驗教學中，大部分實驗項目的實驗教學學時是2～3 節課，時間比較短，因此，需要確立合適的學習目標。驗證性實驗項目，實驗指導書都明確告知實驗步驟和所用儀器，學生只要根據實驗步驟按部就班去做，一定能得到預期的結果，從而驗證實驗目標。而且驗證性實驗項目，為了提高驗證正確率和可靠性，實驗教學儀器，普遍存在模塊封裝過度、實驗設備操作過于簡單，只注重實驗數據和實驗結論，忽視實驗過程和細節。所以在實驗過程中，學生只管實驗操作，不重視實驗原理和實驗現象，有些甚至不需要懂實驗原理和觀察并分析實驗現象，只要學會實驗裝備的操作方法，按既定流程就能輕易得到正確的實驗數據和實驗結論。這樣的一種實驗教學過程，實驗過程中沒有合適的學習目標或學習目標過于簡單，無法激發學習積極性和主動性，能力鍛煉不足，達不到應有的實驗目的。

如果教師在實驗項目中引入一些實驗故障，讓學生的實驗過程不順利，提高實驗難度，豐富實驗內容。引入實驗故障，學生在實驗過程中必須深入細節，選擇不同實驗儀器，逐個模塊調試，逐個故障排除。引入實驗故障，必然會涉及更廣的知識點，更不確定的知識內容。這樣才能讓學生為了能完成實驗，必須在實驗前好好預習，實驗過程變成一個充滿挑戰的過程，激發學生自主學習，解決問題。

在實驗項目中引入的故障，按來源途徑，可分為主動型故障和被動型故障；從故障性質來分又可以分為硬件和軟件兩方面的故障。前者是指實驗器材引起的故障，而后者是指計算機程序引起的故障，通常分為錯誤和異常，在實驗項目中需要編程的，才涉及此類故障。所謂主動型故障，是指在實驗之前，由教師根據自己的實踐經驗主動設計的一些故障，根據學生實驗過程中存在的普遍性和典型性問題上主動設計的一些故障。所謂的被動型故障是指學生在實驗過程中由于自己的原因（自己認識理解錯誤，自己的疏忽大意）產生的故障，這類故障具有隨機性，若學生能自主排除，必將印象深刻。實驗項目中引入的故障，最好能做到大部分故障都具有隨機性。做到不同組的學生應對的故障類型都是不一樣的，這樣可以避免不同組和不同批次的學生相互抄襲，需要獨立完成整個實驗項目。

2 根據實驗目的，設計實驗故障

下面通過我校的自動控制原理實驗2——二階系統瞬態響應和穩定性實驗項目為例，針對性來說明如何在實驗項目中設計主動型實驗故障和被動型實驗故障。

2.1 主動型故障設計（教師層面）

主動型故障，主要針對硬件類型的故障，這類故障可以在現有的實驗器材基礎上，稍作改變就可以實現。為了讓故障設置靈活，操作簡便，可能需要對現有儀器設備進行改造。主動型故障的設計應根據實驗目的及對學生能力培養要求出發，設置不同的故障。

二階系統瞬態響應和穩定性實驗用到的器材主要包括：一個實驗箱，是愛迪克上海埃威航空電子有限公司的自控/計控實驗系統；連接電路的導線和短接套若干；一只萬用表；一臺電腦和一條接口為RS-232 的串口通信線［4］。針對實驗用到的器材，可設計的實驗故障見表1。

表1 主動型故障設計

如表1 所示，針對導線，實驗教師可以事先制作一些外部看上去完好無損，內部斷路的電源導線，也可以制作一些內部不斷路，但是兩端插頭小一號的導線（這類導線，學生插入插槽后，連接不穩定，很容易產生斷路，但是用萬用表無法檢測導線存在的問題）；針對短接套，可以制作一些內部銅片損壞或丟失，外表看上去完整的短接套。把這些不好的導線和短接套與好的導線和短接套混雜在一起供學生使用。對于RS-232 通信線也可以設計多種故障，比如通信線內部斷路，通信線信號線故意接錯等。對于實驗箱，其中有很多電阻，電容，三極管等電子元器件，對于一個實驗有很多冗余，可以把某些電子元器件設置故障或某些模塊設置故障，這里可能需要對實驗箱進行改造，適應故障設置靈活，設置操作方便，實驗教師移除故障簡單方便（移除故障僅對教師有權限）。學生發現此類故障并要排除，需要利用冗余的電子元器件和冗余的模塊來排除。圖1 所示是實驗項目2 中的Ⅰ型二階閉環系統的模擬電路圖，該系統是由實驗項目一中的兩個典型環節組成的Ⅰ型二階閉環系統，即M1 的積分環節和M2 的慣性環節，前后兩個運放器起到反向器的作用。在模擬電路中的所有連接導線都可以隨機設置斷路或接觸故障，所有的電容和電阻元器件設置“損壞”故障，或4 個運放模塊設置故障。另外在M1 環節的電阻R1可以設置電阻標注值和實際電阻值不一致故障，電容C1也一樣設置故障。M2 環節也一樣。周期性矩形波信號源也可以設置故障。這樣學生即使根據模擬電路圖，在實驗箱上連接正確，由于那么多的故障存在，也得不到正確的實驗結果。

圖1 Ⅰ型二階閉環系統模擬電路

目前很多高校自動控制原理主要實驗項目依次包括：典型環節的動態性能實驗，二階系統瞬態響應和穩定性實驗，二階閉環系統的頻率特性實驗和閉環系統校正實驗共4 個實驗8 學時。這些實驗項目從基礎到高級，對于第1 個實驗項目典型環節的動態性能實驗是自動控制原理實驗中的基礎，這個實驗可以不設置故障或盡量少設置故障，或者故障也要盡可能的簡單易發現，因為這個實驗項目是后續實驗的基礎，也是后續實驗故障調試排除的基礎信息。對于4 個實驗項目設置故障的數量和難度也要循序漸進，讓學生在這個過程中故障的調試和排除能力逐步提高。隨著故障數量和難度的提高，實驗的時間可能變得不可控，所以有些實驗可以考慮開放性實驗，讓學生利用課外時間來完成［5-8］。

2.2 被動型故障制造（學生層面）

被動型故障是指學生在正常的實驗過程中由于自己的疏忽大意或實驗預習不充分或實驗指導書提高難度等原因導致產生的一類故障。這里能做的就是提高實驗指導書的難度，讓學生在實驗過程中更容易出現錯誤。目前廠家提供的實驗指導書參考，對于實驗操作步驟寫得非常詳細，考慮非常周全，以致學生可以不懂實驗原理，不理解實驗內容，不加思考，依樣畫葫蘆就能完成實驗內容，獲得正確的實驗數據和結論。因此，需要改變現有的實驗指導書，把實驗目的、實驗原理和實驗內容寫得盡量具體和清晰，但是實驗步驟寫得盡量概要和籠統，隱藏具體實驗操作細節。實驗用到的儀器設備結構原理，用途和安全操作寫得盡量具體和清晰，但是儀器設備的具體操作寫得概要和籠統。實驗教師在指導學生的實驗問題時的講解也要按照如圖2 所示要求執行。只有這樣，學生在做實驗過程中，不能生搬硬套，實驗儀器設備的操作使用也不會千篇一律。同樣的實驗過程，學生根據目的針對性選擇操作儀器設備，每個學生都有不一樣的思路，完成任務會產生不同的執行路徑，同時也會產生不同的被動型故障［9-10］。

圖2 實驗指導書和實驗儀器設備講解要求

2.3 對學生能力的要求

在引入故障后的實驗項目中，故障調試并排除故障成為實驗的主要內容，故障調試部分也是最鍛煉學生的綜合能力，即學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。這就要求學生首先要掌握基本能力（正確的實驗操作或實驗步驟）；能分析當前獲得的實驗數據或實驗現象是否正常，如判斷存在故障，則需利用示波器，萬用表等其他檢測儀器，逐個點、逐個模塊地排查故障，定位故障；根據故障現象找出故障原因，并排除故障，得到正確的實驗數據或實驗結論。

在自動控制原理第2 個實驗項目二階系統瞬態響應和穩定性實驗中，其實驗用模擬電路圖如圖1 所示，假如把標注為500 kΩ 電阻R1，實際換成200 kΩ 電阻，學生按照電路圖在實驗箱上正確無誤地連好電路圖，也無法得到正確的實驗響應曲線，此時就需要學生首先要能發現問題，即此處故障引起二階系統瞬態響應最大超調量Mp的實驗測量值（55%）與理論計算值（35.1%）差別很大。知道實驗電路圖有錯誤后，學生就要利用已有測量儀器去排查故障并排除。正確的做法就是用示波器測量M1 模塊的OUTA 點輸出信號，得到的響應曲線如圖3（a）［正確的響應曲線如圖3（b）］所示（假定輸入的階躍信號幅值為3 V）。學生需要對前面做過的實驗1 的知識（M1 模塊是一個積分環節，積分環節的積分時間常數的理論計算方法和根據響應曲線的積分時間常數實驗測量方法）已熟練掌握，這樣，學生能通過圖1 的響應曲線（即OUTA 點的輸出信號）可以測量出實際積分時間常數t=0.4 s，根據積分環節的理論時間常數計算公式計算出t=R1C1=500 ×0.002=1 s。兩者數值存在很大的差異，判斷出不是誤差因素造成而應該是電路中存在錯誤。首先斷開OUTA 點之后的電路連接，示波器測量A1運放模塊輸出點的信號，如果正常，即如圖4 所示（這里學生就能了解A1 模塊的作用了，即是一個比例系數K=1 的反向模塊）。用示波器再測OUTA 點的信號，還是如圖1 所示響應曲線，即找到故障位置在M1積分環節模塊。根據實驗一掌握的知識判斷出電阻R1或電容C1存在問題，找到問題原因，也就很容易排除這個故障了。

圖3 Ⅰ型二階閉環系統模擬電路中OUTA點輸出信號

圖4 Ⅰ型二階閉環系統模擬電路A1模塊輸出信號

對于其他主動型故障和學生自己實驗過程中生成的被動型故障，故障調試過程都是一樣的：學生首先能自己發現實驗現象異常或實驗結果不對的問題所在，然后借助實驗檢測儀器設備自主設計調試排除故障的路徑，根據中間檢測結果情況，排查故障大概位置，逐個分析故障原因，排除全部故障，得到正確的實驗結果。

3 在實驗項目中引入實驗故障的教學成效

在實驗項目中引入實驗故障，實現一個發現問題—分析問題—解決問題的過程［11-14］，在這個過程中的不同階段，需要學生不同的能力。學生只有在深入理解并完全掌握實驗內容和相關知識后，具有較強的實驗現象觀察能力，才能發現問題；學生需要熟練掌握并能運用相關的已學知識，具有一定的經驗和深入分析問題的能力，才能對發現的問題深入分析原因，找到問題解決辦法；學生需要熟練掌握使用常用的檢測工具和具有很強的調試能力，才能迅速排除故障，解決問題。

（1）故障調試能激發學生的學習興趣。簡單、枯燥的實驗內容很難激發學生的學習興趣，具有一定的探索性、未知性的實驗內容才能激發學生動手做實驗的興趣。通過掌握的知識和積極的思考，學生能不斷發現實驗故障，不斷排除故障，內心一定有成就感，學習的興趣油然而生。

在實驗項目中引入實驗故障，使得實驗過程的主要任務變成了發現問題并解決問題，使得實驗不會過于簡單，枯燥乏味。這樣整個實驗過程難度提高了，但是學生也在不斷地自己解決問題的過程中獲得快樂，也在解決問題的過程中對掌握知識進行了實際運用，深刻體會學以致用，學有所用的道理，將大大地激發起學生學習新知識的興趣［15-17］。

（2）故障調試能深入掌握并運用知識。課堂上教師通過講授理論知識，很多學生只能達到了解熟悉知識的程度。尤其是對于象自動控制理論這類課程，比較抽象，也比較難學會的理論知識，很多學生感覺聽不懂，課程結束后，都不知道學了這些知識有什么用，知識與實踐脫鉤，沒有真正為學生解惑，在現實中碰到問題時，就難以運用理論知識去解決問題。理論知識很多都是從長期實踐中探索出來的，理論知識學習要與實踐結合起來，課堂上學習理論知識，在實踐中學習運用所學知識去解決實際問題。脫離實踐的教學是很難讓學生達到深入掌握知識的程度，要運用知識去解決問題就更難了。

在一些實驗項目中引入故障調試，就為學生提供了運用知識解決實際問題的途徑。故障調試是一個發現問題，解決問題的過程，是一個理論知識運用到實踐中，并發揮解決問題能力的過程。在這個過程中，讓學生明白自己學會了什么知識，更讓他們明白這些知識有什么用，怎么用。在運用知識解決問題的過程中，允許了學生更多的自主性，不同的學生有不同的認識理解，解決同樣的問題就會用不同的方法，不同的技術手段，創新就有可能，因為思想火花，靈光一現是需要實踐基礎的。

（3）故障調試能鍛煉并提高學生綜合能力。故障調試首先需要學生已深入理解并完全掌握本實驗內容和相關知識，需要很細致地觀察發現問題的能力；還要能熟練運用已學知識和一定的經驗，深入地分析問題的能力；最后要能用掌握的理論知識和借助現有的檢測儀器設備，做好故障的調試并排除故障。在故障調試的過程中，往往需要同組幾個同學各自發揮自己的特長，團結合作，才能完成任務。故障調試是運用知識解決實際問題的過程，對問題，不同的學生有不同的見解，大家相互討論，找出解決問題的最優方法。

一個實驗故障，就是一個實際的小問題。一個工程，就是一個實際的大問題，或者是由許多小問題綜合而成。完成一個工程項目的核心就是解決一個一個出現的問題，在這個過程中，需要發揮其中每一個人的完全作用，也就鍛煉了其中每一個人的綜合能力。

4 結語

故障調試在實驗項目教學中的運用，是突出問題核心，發現問題—分析問題—解決問題，全過程都需要學生專注分析，分析不是簡單的思考，而是結合現象和結果，輸出解決問題的方案。實踐證明，引入故障調試模式后，學生實驗過程中，思維更積極，實驗興趣更大，同學間的討論更熱烈。這樣的實驗過程，提高了學生學習的主動性，鍛煉了學生創新實踐能力，同時，對實驗教師也提高了要求，促使實驗教師不斷學習，深入掌握，更新實驗資源，形成一個良性循環。