試論實踐在電子學教學中的四大作用

李 剛， 林 凌

(天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072)

0 引言

鑒于實驗在教學中的重要作用，很多教師針對實驗教學中的實驗項目進行了探索：高翠云[1]、趙倩[2]、范迪[3]、于璐[4]和呂繼東[5]等設計了各種單項實驗，馬千里[6]、葉繼倫[7]、劉毅飛[8]、李正美[9]、沈義民[10]和趙曉明[11]等設計了多種生物醫學實驗平臺或實驗系統，這些實驗系統(平臺)有實驗種類多，涉及面廣，學生操作容易的特點，但上述的實驗無深度，很容易陷入“驗證性實驗”的怪圈，未能在更高層面考慮實驗的設計。

實際上，對于工程教育而言，實踐(實驗)絕不僅僅停留在驗證理論教學的某個知識點理解上，也不僅僅在理解某個原理上，還不僅僅停留在所謂的學習上。實踐(實驗)在教書育人、培養科學思維和學習能力上可以發揮重要的作用。本文從課程的整體、系統層面考慮實驗教學的問題，總結了十幾年來在“生物醫學電子學”課程的教學實踐中，力圖實現實驗教學的四大作用：

(1)實踐誘發學習興趣——學習的最高境界和最好狀態；

(2)實踐提供感性認識——有助于理解和避免指鹿為馬；

(3)實踐促進理論學習——書到用時方恨少！

(4)實踐檢驗學習成效——學以致用，體現學習的目的。

1 實踐(實驗)在工程教育中的四大作用

下面從一個實驗(問題)來說明實踐(實驗)在工程教育中的四大作用。

每一輪本科生“生物醫學電子學”教學的第一堂課，筆者都要向后排的學生提出這樣一個開放性的問題(每堂課向坐在最后的學生提問可以保證課堂教學的秩序)：輸入占空比為50%的方波到一個RC電路，RC電路的輸出是什么？

這個問題看似簡單，但對現在的學生來說卻是一個難度相當高的問題，幾乎沒有學生能夠全面、正確地回答這個問題。在問過十幾名學生之后，筆者作如下幾個層面的引導：

(1)即使簡單到只有兩個元件的電路，也必定能夠完成一定的信號處理功能，RC電路的正確連接也只有圖1所示的兩種形式。

(a)電容上輸出形式 (b)電阻上輸出形式圖1 RC電路

(2)電路的形式固然重要，電路的參數也很重要。如圖1(a)的電路，在其τ=RC與輸入方波周期T相對大小不同時，電路的輸出波形很不一樣(圖2)。實質上電路在起到“特定”的信號處理(運算)功能，如表1所列。

表1 τ與T相對大小不同時RC電路的功能

(3)RC電路完全可以用于正弦波信號的微、積分處理，請學生注意：所需進行微分、積分處理(計算)時信號頻率在幅頻特性曲線的位置。

(4)工程近似的“度”的概念：圖1(b)電路的傳遞函數為：

(a)1Hz(放大細節圖) (b)1Hz(縮小圖) (c)10Hz

(d)100Hz (e)300Hz (f)500Hz

(g)800Hz (h)1kHz (i)2kHz

(j)5kHz (k)10kHz (l)1MHz圖2 不同頻率輸入時圖1(a)電路的輸出波形(摘自學生的作業)(R=1k 、C=0.47μF)

(1)

或

(2)

其中：

ω0=1/RC=1/τ

(3)

①當τ<

H(jω)=jωRC

(4)

說明電路起“微分”作用。

②同樣：當τ～T，也即|jω/ω0|～1時，或者說信號頻率處于高通濾波器附近，電路容許高于截止頻率的信號通過，低于截止頻率的信號有不同程度的衰減。

③當τ>>T，也即|jω/ω0|?1時，式(1)可以近似為：

H(jω)=1

(5)

說明電路讓信號毫無衰減地通過。

工程上的“近似”是抓住關鍵的好方法：既沒有改變問題的實質，又使分析簡潔、清晰。

(5)方波信號的前、后沿既可表示信號本身的高頻成分，又可揭示系統的低通濾波器的截止頻率的粗略值；方波信號的上、下底的下降(上升)情況既可表示信號本身的低頻成分，又可揭示系統的高通濾波器的截止頻率的粗略值。

(6)其實，(5)給出的是“方波測試”原理，又稱為瞬態測量原理。在工程上，可以快速、簡便地確定系統的頻帶，甚至有的場合還非得“方波測試”方法不可，如心電放大器中的0.05Hz(3.3s)高通濾波器(又稱為“時間常數電路”)的測試。

(7)這也是理解“高速”參數及其概念的有效方法。一般而言，學生容易接受“高頻”參數及其概念，理解“高速”參數及其概念有困難。

(8)學習電子學或電子電路，必須掌握元器件的性能與參數，似乎這是一個簡單的問題，理所當然的問題。其實不然，有學生采用1支100 F的電容和1支100 Ω的電阻做圖1(a)實驗，電路輸出竟然是近乎完美的方波？！

(9)萬用表和示波器在同學們看來，除了損壞外，就是完美、理想的儀器，也是輕而易舉地可以掌握的儀器！同樣有學生做圖1(a)實驗，在輸入幾Hz方波時，示波器上顯示的波形既有前、后沿的積分現象，也有上、下底的下降(上升)情況？！

通過該問題及其實驗，讓學生

(1)領悟“不做不知道自己的不知道，要做好才知道自己差多少”；

(2)哪怕再簡單的電路，要真正掌握還需要“勇于實踐X深入思考”；

(3)既要思考3層以上的深度，又要聯系3層以上廣度(與其他課程，如數學、信號與系統等課程聯系起來)。

這樣，也就體現實踐的四大作用：

1)實踐誘發學習興趣

所提的問題極為“簡單”卻完全不能回答，這給學生以強烈的震撼，將盲目自滿甚至自傲的玻璃心打個粉碎。在實驗過程中，做得越多，想得越多，就越體會到“學習”真的不那么“簡單”。千言萬語的說教不如一個“自主性、綜合性和探索性”的實驗來得有效。同時，實驗過程中反復推進、反復受挫又反復有進展，都會給學生帶來興趣和信心。實際上，這就應該是專業課的課程思政應有之義。

2)實踐提供感性認識

本文舉例的這個問題實際上在多門課程中涉及到：“電路原理”或“電路分析”、“模擬電子基礎”、“信號與系統”，但學生們普遍掌握不好，主要原因是：

——即使課堂上能夠講述清楚、全面和細致(這幾乎做不到)學生也未必記得住。

——像這樣“簡單”的問題也幾乎不會安排寶貴的學時去做實驗，即使是安排了實驗，也難以有深入、全面的指導和要求，也近乎于沒有學生能夠主動、認真、細致地去完成。

——現有的方方面面的條件也不足以支撐學生長時間的、有思考地實驗。

綜上所述，有效的自主性、綜合性和探索性實驗可為學生提供清晰、全面、有條理、深刻的感性認識，為后續學習提供條件，很容易理解課堂上的教學內容。

3)實踐促進理論學習

在現在的教學及其管理模式下，課時短、課程多，要讓學生真正掌握課程內容和具備足夠的工程能力是不可能的。需要培養學生的綜合能力和學習能力才有可能達到讓學生真正掌握課程內容和具備足夠的工程能力的目的，而其先決條件是讓學生具有學習的主動性和了解學習的方向與目標，只有實踐才能提供這一條件，之后學生將主動地補充大量理論知識，從而促進理論學習。

4)實踐檢驗學習成效

對于工科教育，其根本目的是“學以致用”，是否學到，也只有通過實踐來檢驗而不是通過卷面考試來檢驗。實際上，很多專業課教師十分發憷出考題，指望僅靠卷面試題來測試學生掌握電子學課程內容和具備足夠的工程能力是不可能！

2 結語

本文通過一個極其“簡單”的電路實驗來說明實踐在《(生物醫學)電子學》的教學中的4大作用：這個問題看似簡單，卻蘊含豐富的、包含知識與能力的內涵，要完整、全面的理解和掌握這些內涵，只有通過實踐才能達到這個目的。