實驗教學(xué)中不斷改造和創(chuàng)新實驗設(shè)備

尹光明， 肖 軍， 江彬慧

(東北大學(xué) a. 信息科學(xué)與工程學(xué)院; b. 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110004)

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·儀器設(shè)備供應(yīng)與管理·

實驗教學(xué)中不斷改造和創(chuàng)新實驗設(shè)備

尹光明a， 肖 軍a， 江彬慧b

(東北大學(xué) a. 信息科學(xué)與工程學(xué)院; b. 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110004)

實驗設(shè)備是實驗教學(xué)的物質(zhì)保障。性能優(yōu)異的實驗設(shè)備在科學(xué)實驗、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、提高工程實踐能力方面起到舉足輕重的作用。高校在購置設(shè)備時設(shè)備指標(biāo)設(shè)定過高，導(dǎo)致實驗設(shè)備很多高端功能閑置不用，以致浪費大量經(jīng)費的現(xiàn)象比較普遍。又因為設(shè)備指標(biāo)設(shè)定過低或不合理，導(dǎo)致產(chǎn)生人身事故、實驗數(shù)據(jù)誤差過大、設(shè)備故障頻發(fā)等現(xiàn)象。在長期的實驗教學(xué)中根據(jù)安全性、可靠性、精確性、可擴展性的原則改造和創(chuàng)新實驗設(shè)備，逐步建立實驗設(shè)備合理的技術(shù)指標(biāo)是切實可行的解決方案。東北大學(xué)國家電工電子教學(xué)示范中心經(jīng)過3年時間的跟蹤研究，制備的第5代電子技術(shù)綜合實驗箱在安全性、可靠性、精確性、可擴展性上得到了顯著提高，受到了師生廣泛好評。

實驗設(shè)備; 技術(shù)指標(biāo); 實驗教學(xué)

0 引 言

實驗教學(xué)作為培養(yǎng)優(yōu)秀工程師的重要環(huán)節(jié)，受到教育界廣泛重視。而科學(xué)、規(guī)范的實驗教學(xué)離不開高質(zhì)量的實驗教學(xué)設(shè)備[1-3]。作為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，性能優(yōu)異的實驗設(shè)備在科學(xué)實驗、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、提高工程實踐能力方面起到舉足輕重的作用[4-8]。而優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)設(shè)備需要經(jīng)過長期的實驗教學(xué)中改進和創(chuàng)新才能逐步成型。

實驗設(shè)備一般分為兩種類型，① 通用型實驗設(shè)備如示波器、信號發(fā)生器等。這一類設(shè)備有嚴格的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，知名廠家的產(chǎn)品又大多通過CE,UL等質(zhì)量認證，所以只要品牌選擇得當(dāng)產(chǎn)品的安全和性能是得到保證的。② 定制型實驗設(shè)備。這一類設(shè)備主要是實驗設(shè)備廠商根據(jù)客戶的需求自行設(shè)計和制造。實驗室經(jīng)常用到的各類實驗箱和實驗臺屬于這一類設(shè)備。因為產(chǎn)量不大，又是短時間內(nèi)自行設(shè)計制造，如果技術(shù)層面把關(guān)不嚴很容易產(chǎn)生質(zhì)量問題。全國頻發(fā)的實驗事故多與此類設(shè)備有關(guān)。因為實驗教學(xué)的多樣性，現(xiàn)行的《實驗室教學(xué)儀器設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)》很難把安全、性能、結(jié)構(gòu)等要求全部囊括進來。因此，在實驗教學(xué)中逐步改造和創(chuàng)新實驗教學(xué)設(shè)備，并不斷在教學(xué)實踐中進行驗證，逐步積累實驗設(shè)備的各項技術(shù)指標(biāo)是制備高質(zhì)量的實驗設(shè)備的必經(jīng)之路。

東北大學(xué)國家電工電子教學(xué)示范中心使用的電子技術(shù)綜合實驗箱已發(fā)展到第4代，2009年起，針對實驗教學(xué)中產(chǎn)生的各種問題，先后進行了50多項的改造和創(chuàng)新，并不斷在教學(xué)中驗證了改造和創(chuàng)新的合理性，使設(shè)備在安全性、可靠性、精確性、擴展性等方面得到了顯著提高，為課程實驗、課程設(shè)計、創(chuàng)新性設(shè)計、工程實踐奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)長期、廣泛的實踐驗證基礎(chǔ)上，2012年定制了70臺第5代電子技術(shù)綜合實驗箱，獲得了實驗教師和學(xué)生的一致好評。

1 基于安全性的實驗設(shè)備改造

實驗教學(xué)中保證學(xué)生的人身安全是最基本的訴求。電氣設(shè)備雖然有各種國家安全標(biāo)準(zhǔn)，但大部分為通用要求，并不適應(yīng)特定的教學(xué)設(shè)備。又因為實驗設(shè)備的操作者大部分為初學(xué)者，所以對設(shè)備的安全提出了更苛刻的要求[9-10]。針對各種類型的定制型實驗設(shè)備，只有一線實驗教師不斷地在實踐中摸索和研究，才能逐步提高設(shè)備的安全性能。

電解電容設(shè)置不當(dāng)將引發(fā)爆炸，危及人身安全。有一次做模擬電子《集成穩(wěn)壓器》實驗時，濾波電容突然爆炸，爆炸物直接打到學(xué)生眼鏡上，非常危險。雖然這樣的事情極其罕見，但引起了我們高度重視。經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)是學(xué)生接反了電解電容的極性。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，實驗要求學(xué)生自行設(shè)計并且自行連接電路。為提高實驗設(shè)備的安全系數(shù)，在排除安全隱患的前提下容許學(xué)生犯錯誤是唯一可行的方法。這也是研制實驗教學(xué)設(shè)備的難點。經(jīng)過反復(fù)的實驗，發(fā)現(xiàn)電解電容爆炸時，電解液從兩端排出，器件圓柱體基本不受損，并且電解電容的耐壓值提高到原值的兩倍以后，即使爆炸電容兩端只是微微鼓起，不至于有電解液爆出。因此根據(jù)實驗數(shù)據(jù)提高了電解電容的耐壓值到50 V，放置器件時電解電容端口平行于電路板而不是朝向操作者。經(jīng)過兩項改進，至今未發(fā)現(xiàn)類似安全隱患。

機械結(jié)構(gòu)設(shè)置不當(dāng)，將引發(fā)安全事故。電子技術(shù)實驗箱為上下箱體用活頁連接起來的箱體結(jié)構(gòu)，打開以后上部箱體可以做模擬實驗，下部箱體可以做數(shù)字實驗。這樣設(shè)計既節(jié)省了空間，又可以做數(shù)電模電混合實驗，不失為一個好的構(gòu)想。問題是學(xué)生做完模擬實驗以后拆除連接線時，因為自鎖緊插孔連接非常緊密，上部箱體突然倒下極易導(dǎo)致學(xué)生手指受傷。學(xué)生也認識到了這個問題，拆線時一只手扶著上部箱體另一只手拔出連接線，極不方便。實驗箱既要保證打開方便，又要保證打開以后堅固可靠。經(jīng)過各種機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗證，圓滿地解決了該項問題?，F(xiàn)在的實驗箱打開以后，不經(jīng)過特殊處理想合上是不可能的。

獨立變壓器應(yīng)配置過流保護裝置。電源實驗中各種器件都是單獨提供的，學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計用導(dǎo)線連接成系統(tǒng)。因此變壓器本身不帶過流保護裝置。學(xué)生如果設(shè)計不當(dāng)或者接線錯誤將產(chǎn)生過流現(xiàn)象，導(dǎo)致箱體發(fā)熱，線路燒毀等現(xiàn)象。在變壓器輸出端子設(shè)置自恢復(fù)保險絲，就能很好地解決該問題。

此外，模電箱體和數(shù)電箱體各用獨立電源，學(xué)生實驗時經(jīng)常要插拔電源線；箱體配重不合理導(dǎo)致實驗箱容易翻倒等諸多安全隱患得到了較好的改進。

2 基于可靠性的實驗設(shè)備改造

產(chǎn)品、系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力稱為可靠性?？煽啃园四途眯?、可維修性、設(shè)計可靠性三大要素[11-13]。有的實驗設(shè)備用了10年以上性能還是有很好的保證，而有的設(shè)備用了1年以后性能急劇下降，產(chǎn)品的可靠性差別由此可見。而這些差別在產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)上是看不出來的，只有通過長期的使用經(jīng)驗才能辨別出來。

電路板長期震動幅度過大，將會導(dǎo)致焊點產(chǎn)生裂縫，造成虛連現(xiàn)象。電子技術(shù)綜合實驗箱剛制作出來時，只要連線沒有問題一般都能做出實驗結(jié)果。但是使用年限一長，即便實驗設(shè)計得當(dāng)接線無誤，也未必能做出實驗結(jié)果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，實驗箱電路板產(chǎn)生了虛連現(xiàn)象。電子設(shè)備的檢修中這一類問題是很難發(fā)現(xiàn)的，實驗課時內(nèi)馬上解決這些問題時間上也是不允許的。因為這些故障時好時壞，不是固定地表現(xiàn)一種現(xiàn)象。此類故障嚴重影響實驗教學(xué)質(zhì)量。經(jīng)過大量的維修經(jīng)驗的積累，確定實驗中反復(fù)插拔連接線造成實驗電路板持續(xù)震動是產(chǎn)生虛連的根本原因。實驗箱的電路板尺寸為33 cm × 40 cm,如果增加厚度成本成倍增加，后期元器件焊接時也會碰到很多工程問題。增加電路板支撐立柱，能較好地解決這一問題，但是增加幾個，在哪個位置上增加又跟整個電路系統(tǒng)有關(guān)系。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和驗證，確定了支撐立柱的個數(shù)和位置，較好地解決了線路虛連問題。

單次脈沖要符合各種芯片的觸發(fā)要求。單次脈沖在計數(shù)器，觸發(fā)器，可編程邏輯器件等實驗中廣泛應(yīng)用，是一個既簡單又實用的設(shè)備單元。實驗教學(xué)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)單次脈沖反應(yīng)不一的情況，有時記1個脈沖，有時記2或3個脈沖，很容易造成實驗結(jié)果的混亂。每按一次按鈕，發(fā)出1個標(biāo)準(zhǔn)脈沖是基本要求。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)按鈕質(zhì)量不過關(guān)，扛抖設(shè)計不合理是問題的原因。

此外，接線插孔容易脫落；芯片插座長時間使用容易產(chǎn)生松脫；數(shù)碼管顯示譯碼器選擇不當(dāng)?shù)葐栴}都得到了良好的解決，實驗箱的可靠性得到了大幅提高。

3 基于精確性的實驗設(shè)備改造

實驗結(jié)果的精確性是實驗科學(xué)的生命。實驗設(shè)備應(yīng)為實驗結(jié)果的精度提供設(shè)備保障[14-16]。實驗結(jié)果的分析中可以發(fā)現(xiàn)很多影響精度的實驗設(shè)備問題。

模電實驗箱中各種分立器件設(shè)置不當(dāng)造成實驗數(shù)據(jù)誤差過大。模電實驗中電阻、電容、二極管、三極管等分立器件裝在材料盒提供給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計把相應(yīng)的器件插入到模電電路板上做實驗。這樣做可以培養(yǎng)學(xué)生認識器件、鑒別器件、設(shè)計靈活等優(yōu)點。問題是模電電路板上設(shè)置的插孔很難與器件緊密連接，導(dǎo)致線間電阻增大，嚴重影響了實驗數(shù)據(jù)的精度。有的實驗數(shù)據(jù)誤差甚至達到50%以上，問題非常嚴重。不但要保證原設(shè)計的優(yōu)點，又要保證實驗精度是改造的難點。元器件焊接在電路板上能保證實驗精度，但有些器件極易損壞，實驗中經(jīng)常要更換，焊接在板上顯然是不合適的。另外分立器件數(shù)量眾多無法全部焊接到模電電路板上。經(jīng)過對所有模擬實驗的分析，優(yōu)化了分立器件的標(biāo)稱值和數(shù)量。確定可調(diào)電阻為14個，定阻電阻為60個，電容為30個，二極管為6個，其他器件若干個。而這些器件又分類成易損器件和不易損器件，不易損器件直接焊接在電路板上，易損器件用德國菲尼克斯接線端子緊固地連接到電路板上，完美地解決了長期困擾實驗教學(xué)的老大難問題。學(xué)生對改造后的實驗設(shè)備反響熱烈，實驗好做了，實驗結(jié)果也好處理了。

4 基于擴展性的實驗設(shè)備改造

實驗設(shè)備的改造要充分考慮今后課程的發(fā)展，綜合設(shè)計性實驗的需求，課程設(shè)計的改革。因為一旦設(shè)備設(shè)計成型制造出來，在實驗室里一般要用到5～10年時間。

根據(jù)實驗教學(xué)的發(fā)展，增設(shè)必要單元。第4代電子技術(shù)實驗箱所設(shè)置的芯片座，可調(diào)電阻，數(shù)據(jù)開關(guān)、數(shù)碼管數(shù)量已無法滿足教學(xué)需求。根據(jù)不同的實驗，實驗教師一次要更換上百個芯片、電阻等器件才能保證正常的教學(xué)進程。為了解決這一問題，又配置了不少實驗子板。隨之又帶來了諸多安全隱患。因此，對實驗課程深入研究，合理規(guī)劃器件配置才能根本性地解決上述問題。第5代電子技術(shù)實驗箱上設(shè)置了22個芯片座、14個可調(diào)電阻、60個定阻電阻、30個電容和諸多器件，淘汰了一切實驗子板。經(jīng)驗證，大幅降低了實驗教師的勞動強度，提高了學(xué)生綜合設(shè)計性實驗的自由度。

5 創(chuàng)新實驗教學(xué)設(shè)備

工程技術(shù)的發(fā)展日新月異，課程改革隨之不斷進展。開發(fā)適合于課程改革的實驗項目，創(chuàng)新相應(yīng)的實驗教學(xué)設(shè)備是實驗改革的新課題。

根據(jù)課程需求創(chuàng)新了通用可編程邏輯器件實驗設(shè)備?？删幊踢壿嬈骷嚓P(guān)課程內(nèi)容的發(fā)展，要求開發(fā)相應(yīng)的實驗項目。根據(jù)廣泛的調(diào)研，確定了LATICE公司的開發(fā)平臺和GAL22V10C器件，并制成了實驗板。實驗內(nèi)容的編寫，實驗課件的制作，參考資料的選定，實驗板的可靠性驗證等相關(guān)工作是必不可少的。剛開始作為實驗子板在第4代電子技術(shù)實驗箱上配套使用，發(fā)展到第5代時直接嵌入到數(shù)電電路板上，提高了安全性、可靠性。因此，創(chuàng)新的實驗設(shè)備也需要在實驗教學(xué)過程中不斷改進和完善?？删幊踢壿嬈骷嶒炇箤W(xué)生了解到了器件的整個開發(fā)過程和驗證過程，產(chǎn)生了很好的教學(xué)效果。

6 改造和創(chuàng)新的實驗設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

(1) 實驗設(shè)備的安全性能得到了大幅提高，有效保障了學(xué)生的人身安全。

(2) 模擬電子實驗的實驗精度得到了有效改善，實驗數(shù)據(jù)基本吻合理論計算。

(3) 實驗教師的工作強度得到了有效改善。因為改造后的實驗平臺上不需要更換芯片、電阻等器件也能完成所有實驗。

(4) 學(xué)生可以在實驗箱上做驗證性實驗、綜合設(shè)計性實驗、課程設(shè)計，有效提高了工程實踐能力。

(5) 長期的實驗教學(xué)中逐步積累了實驗設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，在定制第五代電子技術(shù)綜合實驗箱的招投標(biāo)談判過程中，占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，不但為學(xué)校采購了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)設(shè)備，保障了實驗教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，而且節(jié)省了大量設(shè)備購置費。

7 結(jié) 語

特定的實驗教學(xué)設(shè)備只有教學(xué)一線的實驗教師不斷在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、驗證結(jié)果，才能逐步建立起完備的技術(shù)體系。實驗設(shè)備的改造過程中如果按照安全性、可靠性、精確性、擴展性的原則去改進，將會得到更好的效果。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，實驗設(shè)備也應(yīng)該不斷改進、完善，才能提高實驗教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的工程實踐能力。

[1] 井 巖，馬秀娟，徐 慧. 基于教學(xué)范式的電工學(xué)實踐教學(xué)改革研究[J]. 實驗技術(shù)與管理,2013,30(6):139-142.

[2] 李 錫，林連山，麻志濱，等.加強實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新，推動電工電子實驗中心建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理,2012,29(7):118-119.

[3] 李 琰，吳建強，齊鳳艷.開放與自主學(xué)習(xí)模式下的實驗教學(xué)體系[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(1):134-136.

[4] 粱 宏.搭建實驗實踐一體化平臺深化實驗[J].實驗技術(shù)管理,2013,30(5):1-3.

[5] 周勇義.以人為本科學(xué)統(tǒng)籌全面提升實驗室建設(shè)與管理水平[J].實驗室研究與探索,2012,31(11):160-162.

[6] 鐘洪聲.實驗在電路理論教學(xué)中的重要意義[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2012,58(2):194-196.

[7] 吳建強，李 琰．全開放、自主學(xué)習(xí)模式下實驗教學(xué)考核方式的探索與實踐[J]．中國大學(xué)教學(xué)，2011(4)：70-72．

[8] 陳艾華，李 嵐，傅戈雁，等．實驗教學(xué)與創(chuàng)新教育并行培養(yǎng)模式的探索[J]．實驗室研究與探索，2004，23(3)：46-48．

[9] 陳鵬勇．創(chuàng)新實踐教學(xué)模式培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才[J]．中國大學(xué)教學(xué)，2010(5)：83-85．

[10] 姜麗偉.加強高校實驗技術(shù)隊伍建設(shè)的探析[J]．實驗室研究與探索,2012, 31(3):194-196.

[11] 連 可.基于狀態(tài)監(jiān)測的復(fù)雜電子系統(tǒng)故障診斷方法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[12] 楊士元．?dāng)?shù)字系統(tǒng)的故障診斷與可靠性設(shè)計[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[13] 劉 巖，白 燕，李 靜. 邏輯模擬驗證中波形離散化及冒險問題研究[J], 計算機工程與設(shè)計,2008，29(1):178-180.

[14] 生建友，翟助群.電子設(shè)備基于PDCA 循環(huán)的可靠性設(shè)計[J],電訊技術(shù)，2014,54(1)：97-101.

[15] 扈 曼，鄧北星，馬曉紅,等. 科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容的探索與實踐[J], 實驗技術(shù)管理,2012,29(10):21-23.

[16] 劉大力，呂 宏，王立峰, 等. 高校電子技術(shù)實驗教學(xué)改革的探索[J],教育探索，2014,2:29-30.

The Improvement and Creation of Laboratory Equipment in Experimental Teaching

YINGuang-minga,XIAOJuna,JIANGBin-huib

(a. College of Information Science and Engineering; b. College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Laboratory equipment is the material security in experimental teaching. High performance laboratory equipment plays an important role in scientific experiments, improvement of the creativity of the students and engineering practice ability. When universities buy their equipments, the indicators are set too high. It may lead to a lot of advanced features of the experiments to be not used, hence, many funding is wasted. On the other hand, if the indicators are set too low, it may lead to personal accidents, more errors in the experiment, and the high frequency of the experiment failure. The solution of this problem is to establish reasonable indicators of the laboratory equipment by the long-term experimental teaching under the principle of safety, reliability, accuracy, scalability, reform and creation of the laboratory equipment. Through three years tracking research, the fifth generation electronic technical comprehensive experiment box prepared by Northeastern University national electrical and electronic teaching demonstration center has been improved in safety, reliability, accuracy, scalability, and praised by all teachers and students.

laboratory equipment; technical indicators; experimental teaching

2014-12-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278090); 東北大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究項目(201406b)

尹光明(1972-)，男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與研究。

Tel.：024-83678458; E-mail：1140345664@qq.com

G 642.0

A

1006-7167(2015)10-0267-03