從故障排除實驗設計看優(yōu)質(zhì)實驗過程的打造

賴麗娟,李 磊,甘偉明,呂念玲

(華南理工大學 電子與信息學院,廣東 廣州 510640)

工程教育是我國高等教育的主要組成部分,2003年我國開始試行工程教育認證，并于2016年6月正式加入國際工程教育認證組織——華盛頓協(xié)議,確定了以學生能力成長為宗旨的工程教育目標,明晰了12項工程專業(yè)教育畢業(yè)達成指標[1-3]。實驗與實踐教學是工程教育中不可或缺的重要教育教學環(huán)節(jié)[4-6],科學有效地實施實驗教學是保障工程專業(yè)人才培養(yǎng)畢業(yè)達成的一項關(guān)鍵任務。實驗課的根本目標是以成熟的實驗項目為載體,訓練學生獨立從事實驗研究的技能。實驗技能是通過在實驗課上應對不同實驗問題,一次次歷經(jīng)模仿、練習、內(nèi)化及提升的往復循環(huán)而獲得的。所以實驗教學的過程,比實驗結(jié)果更加重要[7-8]。

優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品,需要工匠精神的打造；優(yōu)良的實驗教學效果,需要教學過程設計的精益求精。本文以面向電類專業(yè)學生開出的故障排查實驗為例,提出優(yōu)質(zhì)實驗過程“打造”的理念。

1 明確過程要素,做好統(tǒng)籌安排

廣義的實驗過程是從實驗課開課,到該門實驗課程結(jié)束的一個完整訓練周期；狹義的實驗過程,通常是指學生在教學實驗室里完成一個計劃內(nèi)實驗項目的過程,或稱為一次實驗課。實驗課上,學生可以獲得實驗教師的及時輔導,有充足的設備條件給予支撐,同時實驗時間得以保證,所以實驗課教學過程是提升學生實踐能力最有效的一環(huán)。實驗課的主體是學生,但是完全讓學生自由摸索,難以達到好的教學效果。優(yōu)秀的實驗項目,其過程設計在學生進入課堂前就應該開始(預習準備),且其影響持續(xù)到學生離開實驗課堂之后(實驗分析報告)。實驗過程的設計與實施體現(xiàn)實驗教學的軟實力,這就是實驗項目可以拷貝,但教學效果無法復制的原因所在。實驗教學,是內(nèi)容、資源和過程三位一體協(xié)調(diào)運作的過程。針對具體的實驗項目,要依據(jù)培養(yǎng)目標和課程要求,做好具體的規(guī)劃與設計。

1.1 預習準備

實驗預習是否到位,直接決定實驗的效率與質(zhì)量。由于實驗預習的涉面寬廣,包括專業(yè)理論、實驗原理、實驗設備、軟件工具、實驗步驟等,以及在基于上述學習與了解的基礎上撰寫的實驗預習報告。而且,實驗預習是學生在課外自主完成的,每個學生投入的時間與精力都不一樣,為了推動深度預習,提出了“兩松一嚴”。

把實驗預習要求閱讀、瀏覽或準備的內(nèi)容明確寫在實驗指導書上,由學生根據(jù)個人知識儲備的具體情況,自主完成(松)。不贊成學生把實驗指導書上的內(nèi)容長篇地抄到預習報告上,相反,鼓勵學生撰寫簡單、凝練的預習報告,除了必需的實驗項目信息外,對原理、步驟都是簡述(松)。對于預習報告上記錄的思考痕跡,如預習中發(fā)現(xiàn)的問題、對于操作難點的理解、個性化實驗設計等,都可獲得3～10分不等的加分。上述的目的就是引導學生從“預習就是把實驗指導書上的步驟抄一遍”的誤區(qū)里走出來。每次實驗前,學生必須參加在實驗現(xiàn)場進行的在線預習檢測,3次檢測均沒過60分,則實驗臺無法上電,不能參與此次實驗(嚴)。

1.2 時間分配

根據(jù)實驗內(nèi)容確定實驗學時數(shù)分配,保證每次實驗時間充裕,留有思考、探究和反復練習的機會,使學生能把一個實驗做懂、做透,這是規(guī)劃實驗學時的基本原則。在有限學時里因追求實驗個數(shù)多而讓學生囫圇吞棗地完成實驗,或是碎片化安排實驗時間,使學生忙著把數(shù)據(jù)測出來交差,都是為了實驗而實驗的走過場。給予實驗課充分的時間,是實施實驗過程管理、充分發(fā)揮實驗項目載體功能的重要保障。

實驗課上由于擔心學生犯錯,教師“不放心”而大講特講,占用了大量的實驗時間。但是教師講得越多,學生依賴性越強。實驗學習是無法由別人替代的成長過程。堅持實驗課集中講授時間不超過20 min,把動手操作的時間最大限度地留給學生。

1.3 條件支撐

實驗教學對資源的依賴性比較強,尤其是實物實驗,對實驗室的設備條件和實驗裝置配備有要求。實驗是訓練動手能力的過程,智能化儀器提供的便捷測試手段不適于高校實驗教學,尤其是基礎實驗訓練。實驗過程中測試工具的選擇應遵循2個原則:第一,物盡其用，對于新開的實驗項目,非迫不得已不購置專門的測試儀器,優(yōu)先考慮充分利用現(xiàn)有實驗室設備條件解決測試需求；第二,引導學生用簡單的儀器解決復雜的測試問題,這是對學生實驗技術(shù)與能力的鍛煉。

1.4 教學輔導

一個實驗的故障現(xiàn)象可能有多個致障可能性,有經(jīng)驗的實驗教師善于發(fā)現(xiàn)與挖掘故障背后的各種因素,啟發(fā)學生以實驗的方法研究問題所在。實驗過程中,各種不可預知的實驗問題是實驗教師剖析、分享的鮮活素材。每個班級的水平不一樣,問題也不一樣,要善于利用實驗情境做適時的提點,令每堂實驗課都是獨一無二的“定制版”。

鑒于實驗情境的多樣性,教學的方式也有多種,除了課前集中講授外,講、做同時進行的“同步操作”,遇到難點時組織“分組討論”集體攻堅,或就實驗過程出現(xiàn)的共性問題和典型的實驗現(xiàn)象“現(xiàn)場講評”。 有些實驗現(xiàn)象是難以復制的,實驗的問題要在實驗過程當下解決才有效果。

1.5 驗收評價

實驗的過程比實驗的結(jié)果更加重要,實驗考評應與過程對接。但現(xiàn)狀是實驗教學中結(jié)果檢測往往比過程檢測容易,這就造成了重結(jié)果輕過程的現(xiàn)狀,使得實驗教學常常走過場、效率低。傳統(tǒng)的、依靠教師人力承擔的過程管理顯然無法在評價的公平、公正方面有所突破,對此可以借助技術(shù)信息化與智能化手段,制定以實驗教學全過程控制為目標的監(jiān)測機制,建立以實驗教學內(nèi)涵為導向的評價體系,對教學全過程實施有效控制,保障實驗教學高效實施。

2 分析項目特點,做過程對接

電路故障診斷和修復能力,是從事電子技術(shù)研究的基本技能之一,也是促進學生能力成長的重要組成部分[9-13]。在電類專業(yè)本科生的理論課教學環(huán)節(jié),對該項能力的培養(yǎng)是缺失的。

2.1 電子線路故障排除實驗

基于APM理論的電子線路故障排查系列實驗,就是“電路分析與電子線路基礎實驗”課程中專為提高學生電子線路故障排查能力而設計的。該實驗引入了APM故障排查和修復理論,由美國弗洛伊德(Tomas L.Floyed)和布奇勒(David M.Buchla)于2013年在其編著的《交直流電路基礎系統(tǒng)方法》一書中提出[14],該理論指出，針對故障電路的處理流程包括3個步驟:

(1) analysis：首先分析故障的線索和征兆；

(2) plan：進而制定一個排除的邏輯計劃,熟知電路的工作原理,在電路原理圖上標記各個測試點正確電壓值,對排除故障特別有用；

(3) measure：實施深思熟慮的測量,不斷縮小可能出現(xiàn)故障的范圍。

2.2 實驗實施難點

該實驗以學生在實驗現(xiàn)場完成若干個硬件電路的故障檢測為主要評價依據(jù),雖然該實驗的課堂教學計劃僅4學時,但該實驗的具體實施存在以下難點:

(1) 這是一個集電路理論、模擬電路理論、APM排障理論、儀器使用及測量技巧于一體的綜合實驗,在有限學時里完成硬件檢測,要有一定的理論與實踐基礎。

(2) 38個學生同時進行實驗,滿足人手一個實驗裝置的需求,這對故障的類型、重復率、隱蔽性都提出很高要求,實驗裝置的設計與制作是一個難題。

(3) 每個學生實驗裝置上的故障不完全一樣,檢測方法和實驗進度不一樣,教學輔導也要一對一跟進。

(4) 同樣的故障現(xiàn)象,可能致障因素不同,確認故障所在必須要用數(shù)據(jù)說話。

2.3 充分的熱身準備

(1) 提早安排實驗任務。在學生進入實驗室進行硬件實驗前2周就把實驗任務安排給學生,說明預習準備和實驗實施的目標和過程,提醒學生提前準備。

(2) 提供實驗理論指導材料。在《實驗指導書》中補充“故障排查”一章,提供基于APM理論的故障排查流程和APM應用舉例等具有針對性與實用性的實驗理論指導。

(3) 完成仿真實驗。學生必須使用Multisim仿真工具,完成11個虛擬電路故障的檢測,逐一填寫“APM記錄表”,并提交仿真作業(yè)。通過該過程,學生認識了各種簡單故障現(xiàn)象,并熟悉APM實施的基本方法。

(4) 確認硬件實驗資格。教師檢查仿真作業(yè),做對80%以上的學生才有資格進入硬件實驗環(huán)節(jié)。

(5) 硬件實驗準備。要求學生撰寫“實驗預習報告”,對硬件實驗電路原理進行分析,并對關(guān)鍵節(jié)點上的電壓電流參數(shù)進行理論計算,獲取電路正常工作的一手材料。

至此,實驗準備告一段落。

2.4 獨特的硬件設備支持

故障設置多樣才能拓展知識面、引發(fā)學生興趣、活躍實驗課堂。設計開發(fā)了2個用于故障排查的實驗裝置(實驗板),如圖1所示。一號板以串、并聯(lián)電路和R、L、C元件故障為主；二號板以二極管、三極管及集成運放為主的功能電路為主,故障點多、難度增大。通過布放“短路子”并配合獨特的PBC設計,使得電路中的每一個節(jié)點都可以設置通、斷2種狀態(tài),電路中的每一個元、器件的參數(shù)都可以調(diào)整甚至更換。這樣,故障設置的靈活性大大增強,可以做到每塊實驗板的故障都不完全一樣。

圖1 基于APM理論的電子線路故障排查系列實驗裝置

2.5 “雙盲的”故障設計

考慮到每次實驗課的工作量,設計的每個實驗板上都有3個不一樣的實驗電路,每個電路有1～2個故障點。實驗課前,由幾位教師背靠背進行故障設置,并且不做任何記錄與標記。在實驗現(xiàn)場,學生和實驗指導教師都不知道面前實驗板上故障電路的真正問題所在,師生都要按照APM步驟一步一步進行測量與確認。

人為設置的故障要找出來,而且故障的電路實際工作時,故障范圍有隨時擴大的可能性,種種不確定因素都對輔導教師的技術(shù)能力提出挑戰(zhàn)。事實證明,經(jīng)過1～2次課的熟悉后,教師普遍認為這種不預知結(jié)果的實驗輔導,令師生在同一起跑線上,沒有先入為主的影響,也沒有走捷徑的便利,每一個故障甄別都富有新鮮感,每一次測試結(jié)果都有可能出乎意料,在分析、規(guī)劃與測量的一次次循環(huán)中,師生的能力都得到提升。同時,雙盲設計令“同一故障現(xiàn)象,有N種致障可能性”規(guī)律完美體現(xiàn)。巧妙利用“故障擴大”這一工程現(xiàn)象,成為實驗課隨機出現(xiàn)的趣味因素,并有效杜絕抄襲現(xiàn)象。

2.6 配套的教學與輔導

(1) 講授重點難點。與雙盲故障設置方式相配套,在實驗現(xiàn)場不再重復APM排障的基本要領,轉(zhuǎn)而將講解的側(cè)重點放在思維拓展和技巧應用上,集中講授時間控制在20 min以內(nèi)。

(2) 啟發(fā)式輔導。2名教師在實驗現(xiàn)場巡回指導,隨時回答疑問。針對學生在硬件排障過程中思維簡單、狹隘的共性問題,整個輔導的重點放到啟發(fā)、鼓勵學生打開思維,最大限度地挖掘并逐一排除導致故障的可能因素,改變他們遇到電路故障就只懷疑元、器件問題的思維方式,培養(yǎng)學生挖掘所有故障可能性的能力與習慣。

2.7 驗收較真兒

學生完成一個故障診斷流程后,可向教師申請驗收。驗收過程是嚴格的:

(1) 排障邏輯要正確?，F(xiàn)場查閱學生記錄故障診斷過程的“APM記錄表”,并向?qū)W生提問,了解排障過程的規(guī)范性。

(2) 要準確找到故障“點”。教師驗收故障細致到電路最小組成部分,即找到存在故障的節(jié)點、連線或元器件。關(guān)鍵是引導學生認識找到故障支路不算完,一定要將故障落實到有問題的元件和節(jié)點,不錯過任何一種可能性。

(3) 用實證說話。教師與學生使用現(xiàn)場儀器對關(guān)鍵測試點參數(shù)進行復測,一起分析、判斷故障定位的結(jié)論正確與否。學生診斷和教師確認都以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為依據(jù),實證精神得以彰顯。

實驗成績評價包括5方面的內(nèi)容:仿真作業(yè)檢查與驗收、課堂上排查出故障的數(shù)量、實驗質(zhì)量、自主創(chuàng)新、實驗報告。

3 結(jié)語

實驗過程,是詮釋教學理念的出發(fā)點,也是實現(xiàn)教學目標的落腳點,是內(nèi)容、資源、技術(shù)與管理等多因素共同影響的結(jié)果。當下的教學實驗,不缺對實驗設備的大額投入,唯少針對教學目標的實驗過程設計。本文所述的基于APM理論的電子線路故障排查系列實驗所用的實驗板,每塊成本僅70元,而且可以無限次設計并重復使用,以此為載體,該實驗達成了以下的效果:

(1) 對故障排查能力進行專項訓練,彌補課程教學的不足,是工程能力培養(yǎng)理念的創(chuàng)新。

(2) 電路是電子技術(shù)入門課程,以故障電路為載體,強化電路理論與實踐應用的結(jié)合,令抽象的電路理論有了踏實的落腳點。

(3) 將APM理論導入實驗課堂,為學生故障排查能力的培養(yǎng)提供一種可實施的手段和正確的方法。

該實驗在2017年5月舉行的“鼎陽杯”全國電工電子基礎實驗課程教學案例競賽中獲獎,也是低成本實驗的成功范例。

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