基于實踐能力培養的自制實驗設備教學研究

張商州， 黨楠， 張鑫， 吳曉云

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院， 商洛 726000)

0 引言

作為應用型本科院校，在實踐教學環節中如何提高學生的創新能力、實際操作能力、分析和解決問題的能力亟待解決。目前國內大多高校工科專業實驗設備陳舊，更新換代不及時，學生只是在現有的實驗設備上進行簡單的驗證性操作，對學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[1]。鑒于此，可以對課程中的個別實驗引入自制實驗設備，采用該種手段不僅有利于提高學生創新能力的培養，還可以引入最新的實驗技術手段，提高實驗裝置的利用效率、節約實驗成本[2]。《模擬電路》是電類專業最基礎的專業課程，通過該課程的學習不僅要求學生掌握較強的理論知識，還要求學生具有一定的實踐創新能力，結合多年來對本課程的授課經驗，以該課程為例來說明如何在教學過程中通過自制實驗設備來提高學生的創新應用能力。

1 自制實驗設備在教學中的必要性

近年來學校對實驗室的建設經費投入越來越多，其中購買了很多先進的實驗設備和儀器裝置，但有些設備只能進行簡單的驗證性操作，對于高校工科實驗教學的針對性較差。同傳統的實驗模式相比較，自制實驗設備在實驗教學中具有多個優點，在實驗教學中的使用很有必要性[3-5]。

第一，適用性強。教師可根據單門課程或者多門課程設計綜合性實驗，針對不同的專業適當調整實驗的難易程度。

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

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

第四，提高學生專業能力和動手能力。在實驗執行過程中能夠激發學生的學習興趣、鞏固學生的專業知識，并把課堂學到的知識應用到實際當中，能培養學生的設計能力、創新能力、實踐能力和動手操作能力。

商洛學院本科教育進入轉型發展階段，學校以培養應用型本科生為目標，所以實踐教學環節在課程教學中的作用變得尤為重要。對于電類專業的課程，現有的教學儀器設備不能滿足教學要求，自制實驗設備可以降低教學難度、提高課堂效率、拓展學生思維，創造性地制作各種合適的實驗設備，因此具有提升課堂教學效果的突出作用。

2 自制實驗設備的實施

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，該實驗屬于設計性實驗，以往實驗要求學生從電路設計和電路驗證兩方面進行，但是實驗結果并不能使每個學生都能達到預期的教學目的，自制實驗設備將從電路設計、仿真、焊接、調試、驗證等幾方面進行實施，以此來提高學生的電路設計能力、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 電路設計與仿真

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

以反相比例運算電路為例，要求設計電路的放大倍數為(-10)倍。學生首先要鞏固反向比例運算電路的原理進行電路的設計，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，根據電路設計要求放大倍數為(-10)倍，又因為考慮集成運放兩輸入回路參數對稱，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。通過電路的設計與仿真，對輸入波形和輸出波形進行對比，結果如圖3所示。

圖3 反向比例運算電路仿真結果

輸入信號ui設置為1 kHz，峰值為100 mV的正弦波，由仿真結果可看出，此時輸入信號與輸出信號反相，電壓放大倍數為10，且未出現失真，達到了設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

上節以反相比例運算電路為例進行了設計說明，在實驗過程中為了增加實驗內容要求學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計與仿真。設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生的動手能力，另一方面也有利于培養學生發現問題解決問題的能力。電路板焊接結果如圖4所示。

圖4 實驗電路板

在該電路板上學生可以通過選擇相應的器件來實現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，根據電路設計圖連接各個電阻，接入信號函數發生器和示波器，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

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

本文僅對反相比例運算電路進行了設計說明，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方法，既能夠使學生對理論知識有一個清楚的認識，也鍛煉了學生設計電路、焊接電路、調試電路的能力，對學生綜合能力的培養有很大的好處。

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) 大部分學生能夠按照要求完成最終電路的測試，個別學生在電路焊接環節出現問題。

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

(3) 實驗報告相比以前更加規范，設計過程、仿真結果、測試結果更加的詳細，抄襲現象明顯好轉。

(4) 通過期末考核，學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水平。

4 總結

自制實驗設備大大的促進了實驗教學的效果，學生通過“理論+實踐”的實驗模式不僅能夠鞏固所學的理論知識，而且也提高了學生的實踐創新能力，增加了學生學習的積極性，同時對教師的業務能力也有所提高。高校自制實驗設備，將彌補傳統實驗的不足，對大學生的各方面能力產生積極的影響。