設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位和作用

封利君+王方連

摘 要：實(shí)驗(yàn)包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)旨在加深學(xué)生對(duì)課堂基礎(chǔ)知識(shí)的理解，而設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有著極其重要的作用。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；集成運(yùn)放

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.230

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)的教學(xué)形式。其主要目的是讓學(xué)生在獲取或鞏固理論知識(shí)的過(guò)程中，掌握和利用實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力和實(shí)踐操作能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神。

在長(zhǎng)期的實(shí)踐教學(xué)中，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，大多的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)并沒人給學(xué)生留下很深的印象，學(xué)生僅僅是將它當(dāng)作一項(xiàng)“任務(wù)”去完成，而設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則完全不同，學(xué)生的興趣濃厚，會(huì)主動(dòng)地去查閱一些相關(guān)資料，進(jìn)行方案的選擇與設(shè)計(jì)，主動(dòng)來(lái)實(shí)驗(yàn)室的人多了，一些學(xué)生連下課后都不愿意離去。疑慮、喜悅交織在孩子們的臉上、卻深深地印在我的腦海中。通過(guò)與學(xué)生的交談，他們表示，通過(guò)這種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，才真正理解所學(xué)相關(guān)知識(shí)的用途和作用，從而激發(fā)了他們對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

在學(xué)到集成運(yùn)算放大器的理論知識(shí)后，我們開設(shè)了相關(guān)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在做集成運(yùn)放的加、減法運(yùn)算、積分運(yùn)算、微分運(yùn)算等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往是按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的實(shí)驗(yàn)線路圖接好、驗(yàn)證、走人，大家都沒問(wèn)題，很少有人去思考“為什么”？但在隨后開設(shè)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，情形則完全不同。我們要求學(xué)生用集成運(yùn)放和實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的毫安表表頭設(shè)計(jì)一個(gè)電子溫度計(jì)，這時(shí)各種各樣的問(wèn)題都出現(xiàn)了，“集成運(yùn)放還有這用途？”“電流表不是測(cè)電流的嗎，怎么還能測(cè)溫？”帶著種種疑問(wèn)，學(xué)生們會(huì)開始在圖書館或互聯(lián)網(wǎng)上查閱各種相關(guān)資料，一有時(shí)間就來(lái)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這也是一種學(xué)習(xí)啊，而且是主動(dòng)性的學(xué)習(xí)！

1 下面是一個(gè)學(xué)生的部分實(shí)驗(yàn)報(bào)告

集成運(yùn)放實(shí)際上是一個(gè)高增益的多級(jí)直接耦合放大器，由于它通用性強(qiáng)，有“萬(wàn)用半導(dǎo)體器件”之稱，目前已廣泛應(yīng)用于檢測(cè)控制、儀表的通信等諸多領(lǐng)域。

2 集成運(yùn)放的應(yīng)用——溫度檢測(cè)

溫度檢測(cè)的原理圖見圖1，方框圖見圖2

2.1 特點(diǎn)

它具有測(cè)溫范圍寬（-50～+50℃）、精度高的特點(diǎn)

2.2 原理

圖中二極管V1為溫度傳感器，將它的集電極和基極短接，接成二極管，由于二極管PN結(jié)的正向電壓的大小隨溫度而變化，所以u(píng)i的大小可反映被測(cè)溫度的高低；當(dāng)然PN結(jié)的電壓ui通常很小，它無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)后續(xù)的指示儀表，為此，由集成運(yùn)放A1組成放大電路對(duì)ui進(jìn)行放大，由A2組成的顯示電路來(lái)顯示溫度的高低。

2.3 分析

（1）溫度轉(zhuǎn)換。二極管V1由9V直流電源通過(guò)R1使其正向偏置，其正向電壓隨溫度的升高而下降，其規(guī)律是溫度升高1℃，ui下降2.5mV；

（2）放大電路。由集成運(yùn)放A1構(gòu)成同相輸入放大電路，其電壓放大倍數(shù)Au1=1+R4/R3 將輸入信號(hào)ui放大；

（3）溫度顯示電路。由集成運(yùn)放A2構(gòu)成反向輸入放大電路，用滿量程為1mA的電流表A指示被測(cè)溫度，圖中的R5和Rp用作調(diào)節(jié).其測(cè)量范圍為-50～+50℃，調(diào)節(jié)Rp使電流表的分度值為0.01mA/℃，即溫度變化1℃對(duì)應(yīng)電流表的電流變化0.01mA。其具體調(diào)節(jié)可這樣進(jìn)行：當(dāng)溫度為-50℃時(shí)，調(diào)節(jié)Rp使I5= I6，則IA=0，即電流表的零刻度處刻為-50℃，當(dāng)溫度升高時(shí)， ui減少， I5亦相應(yīng)減少，而I6不變，根據(jù)基爾霍夫電流定律知IA增大電流表指針偏轉(zhuǎn)角增大，且偏轉(zhuǎn)角與溫度成線性變化，這樣被測(cè)溫度的高低與電流表的刻度一一對(duì)應(yīng)。例如電流表電流為0.5mA的刻度線對(duì)應(yīng)溫度為0℃，1mA刻度線對(duì)應(yīng)溫度為50℃等，當(dāng)被測(cè)溫度低于-50℃時(shí)， IA電流方向相反，使二極管截止，電流表不指示，避免電流表指針反偏打彎。

我永遠(yuǎn)也忘不了，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)用他自制的溫度計(jì)測(cè)試的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)試的溫度相差無(wú)幾時(shí)，那種激動(dòng)、興奮的表情，他說(shuō)：“老師，我想利用集成運(yùn)放的非線性特性做一個(gè)溫控器。”顯然，他對(duì)集成運(yùn)放的理解已不再是停留在原有層面上，這種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚧钴S學(xué)生的思維、激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造欲，對(duì)提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有著極其重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳俊明.高校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境建設(shè)與管理問(wèn)題[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013（04）：46-47.

[2]李紅艷.改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，營(yíng)造育人的良好氛圍[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（08）：56-57.

作者簡(jiǎn)介：封利君（1966-），女，實(shí)驗(yàn)師。endprint