設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要： 針對(duì)高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的情況，本文以微積分電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例提出了綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)實(shí)踐證明此改革對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、分析解決問(wèn)題的能力具有明顯作用。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 微分電路

前言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有特殊的不可替代的作用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低。我院電工電子實(shí)驗(yàn)室改革了實(shí)驗(yàn)室管理體制，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)室布局結(jié)構(gòu)，多渠道籌資改善了基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，修訂了教學(xué)計(jì)劃，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)課程體系，更新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)出了綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放也逐步實(shí)現(xiàn)并取得了良好的效果，在2007年被評(píng)為陜西省省級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。筆者在此談?wù)剬?shí)驗(yàn)教學(xué)改革中設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的方法和效果。

電路分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程沒(méi)有獨(dú)立設(shè)課，它與相應(yīng)的課程內(nèi)容密切相關(guān)，其特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多而廣，主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，所以在實(shí)驗(yàn)課程中主要是把課本中學(xué)到的理論知識(shí)搬到實(shí)驗(yàn)課上，按照實(shí)驗(yàn)講義中給出的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生雖然動(dòng)手做了實(shí)驗(yàn)，但只是“被動(dòng)實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生的創(chuàng)新能力沒(méi)有得到充分發(fā)揮，教學(xué)效果不盡如人意。因此本實(shí)驗(yàn)課采取強(qiáng)化基本技能訓(xùn)練，增加綜合性實(shí)驗(yàn)，增設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以進(jìn)一步深化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。同時(shí)，在基本技能扎實(shí)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的改革主要確定學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主體地位，這樣更加體現(xiàn)了學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的重要性，學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)原理后，設(shè)計(jì)屬于自己的實(shí)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟，計(jì)算實(shí)驗(yàn)元器件參數(shù)，到使用實(shí)驗(yàn)器材都是由學(xué)生自行完成，充分激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和創(chuàng)新思維，學(xué)生自己完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，讓學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力得到了發(fā)揮。下面以微積分電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例論述。

1.微積分電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)述

1.1微分電路設(shè)計(jì)原理

微分電路是RC充放電電路，但微分電路必須滿足兩個(gè)條件：

a.輸出電壓必須從電阻兩端取出。

b.時(shí)間常數(shù)τ=RC?塏t ，t 為方波脈沖脈寬，即 T=t 。通常應(yīng)使脈沖脈寬t 至少比時(shí)間常數(shù)τ大5倍以上，即5τ=5RC≤t 。

若取R=R ，則C≤t /5R ，u =u =i#8226;R≈RC 。

表明輸出電壓u 與輸入電壓u 對(duì)時(shí)間的微分成正比，電路稱之為微分電路。

1.2積分電路設(shè)計(jì)原理

積分電路也是RC充放電電路，積分電路也必須滿足兩個(gè)條件：

a.輸出電壓必須從電容兩端取出。

b.時(shí)間常數(shù)τ=RC?垌t ，t 為方波脈沖脈寬，即 T=t 。通常應(yīng)使時(shí)間常數(shù)τ至少比脈沖脈寬t 大5倍以上，即τ=RC≥5t 。

若取R=R ，則C≥5t /R ，u =u = ?蘩idt≈ ?蘩u dt。

可見(jiàn)輸出電壓和輸入電壓成積分關(guān)系，因此稱這種電路為積分電路。

2.實(shí)驗(yàn)要求

做實(shí)驗(yàn)前復(fù)習(xí)微分電路和積分電路的有關(guān)內(nèi)容，熟悉響應(yīng)的性質(zhì)、響應(yīng)曲線的畫(huà)法。在做本次實(shí)驗(yàn)前必須有完整的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)設(shè)計(jì)報(bào)告，清楚地寫(xiě)出本次實(shí)驗(yàn)的原理內(nèi)容，有關(guān)電子元件在直流狀態(tài)、交流狀態(tài)的工作情況，熟悉常用實(shí)驗(yàn)儀器的作用和使用方法及注意事項(xiàng)，提出實(shí)驗(yàn)中所需設(shè)備、用途、數(shù)量，簡(jiǎn)述測(cè)試原理。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)的測(cè)試及分析過(guò)程（用流程框圖說(shuō)明元器件的辨別過(guò)程），繪出電路原理圖，列出參數(shù)的計(jì)算過(guò)程，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)中所觀察到的波形，并和預(yù)習(xí)報(bào)告中的波形作比較。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中注意用電安全，實(shí)驗(yàn)教師為學(xué)生提供所需的儀器和元件，實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成。

3.設(shè)計(jì)任務(wù)

3.1設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的RC微分電路，將方波變換成尖脈沖波。設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的RC積分電路，將方波變換成三角波。

3.2設(shè)計(jì)條件

3.2.1輸入信號(hào)頻率為1kHz、輸入信號(hào)電壓U 為1.6V的方波信號(hào)。

3.2.2給定元件參數(shù)范圍（從下列參數(shù)中選擇滿足實(shí)驗(yàn)條件的一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。

電阻：功率1/8W阻值1K5.1K10K100K1MΩ

功率1/4W阻值1K5.1K10K100K1MΩ

功率1/2W阻值1K5.1K10K100K1MΩ

電容：耐壓值1.6V容量1000P3300P0.01μF0.1μF1μF

耐壓值4V容量1000P3300P0.01μF0.1μF1μF

耐壓值6.3V容量1000P3300P0.01μF0.1μF1μF

微分電路實(shí)現(xiàn)條件，確定電阻的阻值大小，電容的容量大小。

根據(jù)以上所給出的條件學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，下列為其中一組參考值，

f=1kHz?圯T=0.001s?圯t = =0.0005s

τ=RC?塏t

5RC≤t ，5RC≤0.0005s

從參數(shù)表中取定R值或C值求另一參數(shù)。

說(shuō)明電阻的功率和電容的耐壓要求或電阻的功率為1/8W，電容的耐壓值為4V。

依據(jù)積分電路實(shí)現(xiàn)條件，確定電阻的阻值大小，電容的容量大小。

下列為參考值：

f=2kHz?圯T=0.005s?圯t =0.00025s

τ=RCk?垌t

RC≥5t ，RC≥5×0.0005s

從參數(shù)表中選取R值或C值，求另一參數(shù)。說(shuō)明電阻的功率和電容的耐壓要求或電阻的功率為1/8W，電容的耐壓值為6.3V。

學(xué)生設(shè)定好參數(shù)后，就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理選擇實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

學(xué)生在做此類實(shí)驗(yàn)前要做好設(shè)計(jì)工作，實(shí)驗(yàn)前指導(dǎo)教師要仔細(xì)檢查學(xué)生設(shè)計(jì)報(bào)告的合理性，指出方案中的不足、缺陷與錯(cuò)誤，并提出修改意見(jiàn)，然后分組組織學(xué)生討論，交流設(shè)計(jì)方案，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，集思廣益，開(kāi)拓思路。

4.經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，能增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和工程設(shè)計(jì)能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和選擇實(shí)驗(yàn)儀器，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，掌握常用實(shí)驗(yàn)儀器的使用。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)正從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)渡到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以利用實(shí)驗(yàn)課程充分使學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力上一個(gè)新水平。我實(shí)驗(yàn)室結(jié)合我校的實(shí)際情況，已經(jīng)在兩屆學(xué)生中實(shí)施了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生的反映良好，對(duì)電路分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的興趣很高，受到了學(xué)生普遍歡迎，也收到了良好的教學(xué)效果。實(shí)踐證明，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是成功的，它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：學(xué)生對(duì)于這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式感興趣，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；學(xué)生要設(shè)完成設(shè)計(jì)任務(wù)就必須復(fù)習(xí)課本中的理論知識(shí)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解；能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的能力，使學(xué)生的個(gè)性得到充分的展示。

結(jié)語(yǔ)

本文為立足電路分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程改革，以微分電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例，討論了設(shè)計(jì)方案、思路，目的是提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。希望能和廣大實(shí)驗(yàn)教師交流此類實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的目的。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”