本科實驗教學中常規儀器設備的應用實踐

摘要：實驗教學儀器設備是高等學校本科實驗教學的重要保障條件，如何充分發揮實驗教學儀器設備在高校本科實驗教學中的作用一直是實驗教學工作的一項重點課題。利用實驗教學儀器提高學生的實踐能力和問題處理能力是衡量一所學校辦學實力的重要標志。該文闡述了實驗教學儀器設備在本科階段人才培養中的作用和意義，舉例分析了實驗儀器設備在本科實驗教學中的具體應用實踐。通過對實驗教學儀器設備的充分使用，可以不斷提高高校的本科實驗教學質量，增強學生的綜合能力。

關鍵詞： 實驗教學;儀器設備;應用實踐;實踐能力

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0259-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of Conventional Instruments and Equipment to Undergraduate in Experimental Teaching

YU Jian

（Nanjing Tech University， Nanjing 211816， China）

Abstract： Experimental teaching instruments and equipment is an important guarantee for undergraduate experimental teaching in colleges and universities. How to give full play to the role of experimental teaching instruments and equipment in undergraduate experimental teaching has always been a key project of experimental teaching. Making full use of experimental teaching instruments to improve students' practical ability and problem-solving ability is an important symbol to measure the quality of a school. This paper explains the role and significance of experimental teaching instruments and equipment in undergraduate talent training， and analyzes the specific application of experimental instruments and equipment in undergraduate experimental teaching with examples. Through the full use of experimental teaching instruments and equipment， the quality of undergraduate experimental teaching and the comprehensive ability of students can be improved continuously.

Key words：experimental teaching; instruments and equipment; application practice; practice ability

1 引言

實驗教學儀器設備在高等院校本科教學活動中起著非常重要的作用，是培養學生實踐操作、動手能力、應用能力、綜合素質的重要載體和途徑。雖然現在有很多高等院校利用虛擬仿真實驗項目[1]來替代傳統的實驗教學，但是，在培養學生的綜合能力方面，實驗教學仍然占據主要的地位。

近些年來，為了改善和提高高等院校的辦學條件，高等院校對本科教學的投入很大，尤其是在本科的實驗教學儀器設備方面，每年都投入大量資金新購或是更新實驗教學儀器設備。甚至有些高校把大型的科研儀器設備應用到本科階段的實驗教學中[2-5]來提高本科生的實踐能力。但是，隨著科學技術的發展，新購或是更新的實驗教學儀器設備的功能也在不斷完善，如何充分發揮實驗教學儀器設備在高校本科實驗教學中的作用一直是實驗教學工作的一項重點課題。

電工電子實驗教學中心在2015年新建了電子仿真開放實驗[6]，配備了一套先進的實驗教學儀器設備——數字示波器、直流穩壓電源、函數/任意波形發生器、數字萬用表等，總資產達百萬。經過近5年的實驗室開放可以發現，雖然電子信息類學生在大學的第二學年期間通過模擬電子技術、數字電子技術、電路分析等實驗操作過儀器設備，但都是一些皮毛操作，機械性地通過儀器設備上的幾個按鈕來完成具體的實驗內容，而不知這些儀器設備具有哪些功能，能夠完成什么工作等。因此，如何使用這些儀器設備來完成一些特定的實驗教學內容。

為了更好地發揮實驗教學儀器設備在本科教學中的作用，本文將通過幾個實驗教學儀器設備的案例來具體說明儀器設備在實驗教學中應用。

2 直流穩壓電源應用實踐介紹

直流穩壓電源（DC Power Supply Unit）是能為負載提供穩定直流電源的電子設備，如圖1所示。大部分實驗室中使用直流穩壓電源為恒壓源，即為負載提供恒定電壓。通過圖1中的電壓旋鈕調節電壓到合適的電壓值，再通過CH1和CH2的一個或兩個通道輸出到負載端。但是，學生甚至老師在實驗教學進行中，從來都不對直流穩壓電源的電流進行限定，即沒有考慮電流過大是否會對所設計或實驗電路造成損害。因此，我們在設置輸出電壓時應關注其對應的電流應設置多大為宜。這時，直流穩壓電源的電流限值應該如何設置呢？如圖1所示，以通道CH1為例來設置直流穩壓電源輸出的電流值。此時，應把通道1（CH1）的“+Vcc”端與“-Vcc”端連在一起（短接），通道2（CH2）的“+Vcc”端與“-Vcc”端不連在一起（斷開），接好后，打開輸出通道“output”，這時可以發現，通道2（CH2）的“C.V./C.C.”指示燈為綠燈，即顯示此時電壓可調，電流顯示為0;而通道1（CH1）的“C.V./C.C.”指示燈為紅燈，即顯示此時電流可調，電壓顯示為0。所以，在實驗教學中，如果實驗要求直流穩壓電源輸出的電壓限定的電流值為何值時，即可通過把一個通道的正負端（“+Vcc”端與“-Vcc”端）短接來實現電流的設置。

在實驗、實習中，除了要求輸出的電流恒定，實驗電路中還會要求提供負電壓來為電路供電，那么，直流穩壓電源的負電壓如何提供呢？如圖2所示，一個直流穩壓電源通常由三個輸出通道，分別是兩個可調通道CH1、CH2和一個電壓、電流固定的通道CH3（5V，3A）。要實現負電壓輸出需要把CH1的“+Vcc”端與CH2的“-Vcc”端相連，同時把兩個通道的“TRACKING”設置為“INDEP”。這時，CH2的“+Vcc”端為正電壓，而CH1的“-Vcc”端為負電壓，中間相連的兩個端口為接地端。直流穩壓電源如此的連接設置就可在實驗中實現正負電壓輸出。

在高等院校本科階段的實驗教學中，尤其是電子信息類的課程設計、實習課程中，上述直流穩壓電源的使用非常廣泛，而且也非常重要的。設置合適的電流限值對整個電路意義非凡，可以很好地保護所設計的電路中元器件不因電流過大而被擊穿燒壞。

3 數字示波器+函數/任意波形信號發生器應用實踐介紹

示波器簡單地說就是把肉眼看不見的電信號變換成看得見圖像并呈現出來的電子測量儀器。而函數/任意波形信號發生器則是能提供某些特定周期性時間函數波形（正弦波、方波、三角波和脈沖波等）的電子信號發生設備。只有在數字示波器和函數/任意波形信號發生器兩者的內阻匹配的情況下，數字示波器上顯示的數值才能與函數/任意波形信號發生器上設置的數值一致。

在高等院校的本科實驗教學中，函數/任意波形信號發生器都是用來當做測試設計電路的信號源。而數字示波器則是用來觀測所設計電路輸出信號的。在這兩個儀器設備的使用中，需要特別注意的是數字示波器和函數/任意波形信號發生器各自的內阻是否匹配，若不匹配，如何設置可以是兩個設備的內阻達到匹配狀態。接下來，我們來測試數字示波器和函數/任意波形信號發生器內阻不匹配時會對測量結果造成什么影響。如圖3（a）所示，當把函數/任意波形信號發生器的輸出波形設為正弦波、頻率為1KHz、幅度為100mVpp、阻抗設為50歐姆，通過數字示波器觀測函數/任意波形信號發生器輸出的正弦波波形，并對其進行測量，通過測量正弦波的峰峰值可以發現，此時測得的正弦波的峰峰值為200 mVpp。而把輸出阻抗設為高阻（High Z）、其他參數不變時（如圖3（b）所示），再次用數字示波器對其進行測量，通過測量正弦波的峰峰值可以發現，這時測得的正弦波的峰峰值變為100 mVpp。這一現象說明，當函數/任意波形信號發生器的輸出阻抗設為50歐姆時，其50歐姆內阻與數字示波器的內阻不匹配，造成測量的幅度值是設定的幅度值的兩倍;而當函數/任意波形信號發生器的輸出阻抗設為5高阻（High Z）時，其高阻狀態與數字示波器的內阻相匹配，則測量的幅度值與函數/任意波形信號發生器中設定的幅度值是相等的。

4 結束語

通過上述三種儀器設備的操作實例可以看出，在電子信息類本科課程的實驗、實踐教學環節中，除了教授學生電子類基本實驗儀器設備的常規使用之外，更深入地講授實驗儀器設備的使用可以更好地幫助學生提高其在具體實踐操作中的動手能力及問題分析能力。同時，也可以提高實驗、實踐教學的效率和實驗儀器設備的利用率，減少因儀器設備不會使用而造成的時間浪費和對電子電路、甚至對所選專業的興趣。

通過多年的電子信息類實驗、實踐教學可以發現，一大部分學生剛入學時的實踐操作能力很差，而實驗、實踐活動則是學生在本科期間能夠直接接觸儀器設備的最直接手段，所以更好、更深入地教授儀器設備的使用很有必要。正確地使用儀器設備可以直觀地觀察到實驗結果和現象，完成實驗、實踐也能讓學生有一種成就感，并建立起自信，從而也會對以后的就業方向產生影響。從大的方面來看，很大程度上可能會影響一所高等院校整體的本科教學質量。

參考文獻：

[1] 郁劍，朱家樂，陶方琪.微波技術與天線的仿真實踐教學[J].電腦知識與技術，2020，16（30）：109-111.

[2] 夏燎原，胡云楚，吳義強.開放大型儀器設備對提高本科實驗教學質量之思考[J].中南林業科技大學學報（社會科學版），2012，6（5）：160-162.

[3] 李旭凱，郭杏妹，朱錫淼，等.本科實驗教學中大型儀器設備的應用實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（7）：296-298.

[4] 辛艷青，王昆侖，宋淑梅，等.大型儀器設備實驗教學的幾點思考[J].教育教學論壇，2018（35）：279-280.

[5] 陳秀麗，朱文風，胡長征，等.高校大型儀器設備用于本科教學的幾點思考[J].教育現代化，2019，6（14）：27-29.

[6] 郁劍，帥仁俊，何霄鵬，等.電子仿真開放實驗室的探索[J].中國科技信息，2017（22）：56-57.

【通聯編輯：王力】