基于獨(dú)立自主、流程優(yōu)化、故障診斷的實(shí)驗(yàn)方法研究

尹光明， 張 瑩

(東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110004)

0 引 言

實(shí)踐教學(xué)是人才教育的重要環(huán)節(jié)，與理論教學(xué)形成相互支撐的統(tǒng)一整體，是實(shí)踐理論、驗(yàn)證理論和發(fā)展理論的關(guān)鍵。實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，工程?shí)踐能力，掌握高新技術(shù)能力，科技創(chuàng)新能力具有關(guān)鍵作用[1-4]。只有腳踏實(shí)地，扎實(shí)推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革，才能有效解決阻礙實(shí)踐教學(xué)發(fā)展的諸多問題，穩(wěn)步提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

然而,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中僅少部分同學(xué)能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，大部分同學(xué)跟著做、抄著做，還有少部分同學(xué)基本不會(huì)做。實(shí)驗(yàn)報(bào)告類同性大,實(shí)驗(yàn)成績(jī)?nèi)狈?，?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造假等問題普遍存在。這些問題的根本原因就在于學(xué)生沒有獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。而這些問題長(zhǎng)期未能得到很好的解決，是因?yàn)閷?duì)獨(dú)立自主缺乏本質(zhì)性的了解，僅僅認(rèn)為是學(xué)生的獨(dú)立性不高，自覺性不高。其實(shí)不然，更大的原因在于實(shí)驗(yàn)教師缺乏有效的實(shí)驗(yàn)方法去疏導(dǎo)、引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的實(shí)驗(yàn)技能，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間艱苦的摸索，發(fā)現(xiàn)獨(dú)立自主(Independence)與流程優(yōu)化(Process optimization)、故障診斷(Fault diagnosis)具有緊密的內(nèi)在聯(lián)系，并據(jù)此提出了IPF實(shí)驗(yàn)方法。經(jīng)教學(xué)驗(yàn)證，該方法有效地解決了上述諸多問題，基本改變了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的面貌。

1 獨(dú)立自主是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心

1.1 要求獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生才能重視實(shí)驗(yàn)課程

長(zhǎng)期以來，相對(duì)于理論教學(xué)，學(xué)生輕視實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不爭(zhēng)的事實(shí)。究其原因是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)課程比較容易“蒙混”過關(guān)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)大體可分為預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告這3個(gè)過程。

預(yù)習(xí)，到現(xiàn)在還沒有好的方法去檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。學(xué)生寫了預(yù)習(xí)報(bào)告就算是預(yù)習(xí)了嗎？顯然不一定。預(yù)習(xí)報(bào)告可以抄寫。上課提問預(yù)習(xí)情況倒是好方法，但是時(shí)間有限，總共能提問幾個(gè)同學(xué)？而且一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能有多少個(gè)不同的問題提問學(xué)生？上課前網(wǎng)絡(luò)答題預(yù)習(xí)內(nèi)容，就能保證學(xué)生不作弊？有的學(xué)生甚至找優(yōu)秀同學(xué)替自己答題。

實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生是可以互相討論，研討的。實(shí)驗(yàn)過程中互相切磋，研究實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)是值得提倡的事情。但問題是有多少學(xué)生獨(dú)立思考，冥思苦想而解決不出來的時(shí)候與同學(xué)探討呢？經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，有不少同學(xué)具有投機(jī)心理，即投入最少的成本獲得最大的利益。稍有不懂的地方，不假思索直接求救于同學(xué)。因此，實(shí)驗(yàn)過程中人聲鼎沸，學(xué)生竄來竄去的現(xiàn)象并不少見。表面上的研討，其實(shí)是作假的溫床。有的學(xué)生大可不急，遲早會(huì)有優(yōu)秀的學(xué)生率先做出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，到時(shí)照抄著做就可以了。這樣怎能培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力？

實(shí)驗(yàn)報(bào)告，已經(jīng)是公認(rèn)的“雞肋”了。一個(gè)班的實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本上是五六個(gè)版本，很難見到每個(gè)學(xué)生個(gè)性化的分析和結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就是五六個(gè)版本，實(shí)驗(yàn)報(bào)告自然而然也就是了。其背后的含義不言而喻。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析過程，是培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論，撰寫科技論文能力的重要途徑，如果學(xué)生得不到嚴(yán)格撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的訓(xùn)練，甚至造假實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其后果不堪設(shè)想?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界造假成風(fēng)，是否與基礎(chǔ)訓(xùn)練缺乏有關(guān)？

解決上述問題的核心就是嚴(yán)格要求學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，禁止學(xué)生走動(dòng)和探討問題。因?yàn)橹荒芸孔约海瑢W(xué)生不做充分的預(yù)習(xí)是做不出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的，自然就沒有了檢不檢查預(yù)習(xí)的問題；因?yàn)楠?dú)立完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是互相獨(dú)立的，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告也是相對(duì)獨(dú)立的。隨之，學(xué)生不得不重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不投入精力去做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)是不好拿到手的。

1.2 獨(dú)立自主做實(shí)驗(yàn)，才能準(zhǔn)確評(píng)估學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

如果實(shí)驗(yàn)不是獨(dú)立完成的，是很難科學(xué)評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑｎA(yù)習(xí)很難分出層次，實(shí)驗(yàn)過程互相討論、互相傳抄，實(shí)驗(yàn)報(bào)告類同性大，怎能評(píng)出公平的分值呢？而失去了公平的教學(xué)，能引起學(xué)生的重視，引起學(xué)生的興趣嗎？對(duì)此學(xué)生也有很大的意見。因?yàn)閮?yōu)秀的學(xué)生得不到好的實(shí)驗(yàn)分值，而作弊的學(xué)生卻游刃有余。

實(shí)驗(yàn)課上要求學(xué)生獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果驗(yàn)收中可以考察每個(gè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的掌握程度、基礎(chǔ)理論的清晰程度、實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范程度、故障問題的解決能力、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，科學(xué)公平地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。?dú)立得出原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，杜絕了實(shí)驗(yàn)報(bào)告造假的可能性。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備要符合獨(dú)立自主做實(shí)驗(yàn)的要求

科學(xué)、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備[5-7]。作為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，性能優(yōu)異的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、提高工程實(shí)踐能力方面起到舉足輕重的作用[8-12]。

獨(dú)立自主做實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出了很高的要求。學(xué)生獨(dú)立做實(shí)驗(yàn)必然會(huì)有一個(gè)摸索，犯錯(cuò)，糾正，再犯錯(cuò)，再糾正這樣一個(gè)過程。這是求知中的必然過程。實(shí)驗(yàn)設(shè)備要支撐這樣的過程，并且要保證學(xué)生的人身安全和數(shù)據(jù)的精度。

電子實(shí)驗(yàn)室原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不能滿足獨(dú)立自主做實(shí)驗(yàn)的要求。2010年起，經(jīng)過3年多的研發(fā)，制備了70臺(tái)綜合電子實(shí)驗(yàn)箱。經(jīng)過幾年運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)備的適用性能,因此再增加了70臺(tái)，有力地保證了獨(dú)立自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。并根據(jù)這一過程的提煉，指出了高校購(gòu)置實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)遵守的原則即安全性、精確性、可靠性、可擴(kuò)展性[13]。

2 流程優(yōu)化是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要途徑

獨(dú)立自主做實(shí)驗(yàn)，僅要求學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是得不到很好的效果的。其中重要的一個(gè)原因是實(shí)驗(yàn)流程優(yōu)化不夠充分，學(xué)生難以用現(xiàn)有的資料獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書都以內(nèi)容為主線分塊編寫的，即實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求、預(yù)習(xí)要求為內(nèi)容編寫。這樣寫有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程是一步一步按流程完成的，是要把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按流程分散開來的。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資料，學(xué)生應(yīng)具有很好的自學(xué)能力和綜合分析能力才能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。原先一個(gè)班級(jí)只有少部分學(xué)生能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也證實(shí)了這一推斷。因此，指導(dǎo)教師應(yīng)該把實(shí)驗(yàn)流程優(yōu)化以后形成文件，提供給學(xué)生。

流程優(yōu)化應(yīng)該把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分成若干步驟，每個(gè)步驟應(yīng)包含該步驟應(yīng)完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及操作方法，應(yīng)注意的事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理分析，學(xué)生經(jīng)常碰到的故障問題及解決方法等內(nèi)容。指導(dǎo)教師要根據(jù)常年累月積累的大數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程并形成文件。流程文件要達(dá)到大部分學(xué)生根據(jù)這一文件基本上都能完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)。但也要注意不能把實(shí)驗(yàn)所有的細(xì)節(jié)、難點(diǎn)提供給學(xué)生，這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，分析問題，解決問題的能力。流程優(yōu)化文件將會(huì)體現(xiàn)指導(dǎo)教師的業(yè)務(wù)能力。

流程優(yōu)化文件有利于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的傳承。實(shí)驗(yàn)教師的素質(zhì)決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，進(jìn)而決定了所培養(yǎng)人才的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于理論教學(xué)，有其獨(dú)特的一面。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不但包含大量的理論知識(shí)，還包含指導(dǎo)教師常年累月積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。這些經(jīng)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)寶貴的技術(shù)財(cái)富。因?yàn)橹笇?dǎo)教師轉(zhuǎn)崗，退休，他們所具有的豐富的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)無(wú)形中流失，繼任的指導(dǎo)教師又得從零開始積累經(jīng)驗(yàn)。而這種經(jīng)驗(yàn)很難在短時(shí)間內(nèi)獲得。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，沒有5年以上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)歷，難說有什么經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。如果把優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)教師豐富的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)寫入到流程優(yōu)化文件，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的傳承有不可估量的積極作用。

3 故障診斷是實(shí)驗(yàn)教學(xué)必要的方法

學(xué)生不能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，另一重要的原因是學(xué)生故障診斷能力薄弱。作為初學(xué)者，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)碰到千奇百怪的故障問題，簡(jiǎn)單的故障問題或許能解決，但故障稍一復(fù)雜就無(wú)所適從，毫無(wú)辦法。這不能歸咎于學(xué)生。這種現(xiàn)象關(guān)系到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中長(zhǎng)期忽略的一個(gè)問題——故障診斷能力的培養(yǎng)問題。理論教學(xué)中不會(huì)涉及到故障診斷方面的知識(shí)，唯有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中積累經(jīng)驗(yàn)，提煉成知識(shí)體系傳授給學(xué)生，才是唯一的出路。

故障診斷需要學(xué)生精通實(shí)驗(yàn)原理。精通實(shí)驗(yàn)原理才能從紛亂的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中找到大概的解決問題的方向，不然都不知從哪里著手。熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作，才能避免低級(jí)的操作失誤。但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要很多課本以外的擴(kuò)展知識(shí)。舉一例子，數(shù)電實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)碰到競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問題，在教材中這一內(nèi)容一筆帶過，并且沒有提出很好的解決方法。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中碰到此類問題，連最優(yōu)秀的同學(xué)都毫無(wú)頭緒，一籌莫展。指導(dǎo)教師應(yīng)該把此類問題作為課題去研究，并把研究成果寫進(jìn)流程優(yōu)化文件，供學(xué)生學(xué)習(xí)、參考。涉及到模擬電子的故障診斷，比數(shù)字電子復(fù)雜得多。復(fù)雜模擬系統(tǒng)的故障診斷方法是世界性的難題[14-16]，說明實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的故障診斷方法需要實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師投入精力去研究，探索。

4 IPF實(shí)驗(yàn)方法在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

IPF實(shí)驗(yàn)方法在我校國(guó)家電工電子教學(xué)示范中心的電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了成功應(yīng)用。

首先指導(dǎo)教師根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中積累的大數(shù)據(jù)，編寫了流程優(yōu)化文件。該文件根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程的每一步驟包含了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作方法、電子器件的技術(shù)指標(biāo)，數(shù)據(jù)的精度要求，易出現(xiàn)的故障問題及解決方案等內(nèi)容。該文件要根據(jù)每一課堂出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)教師不斷加以優(yōu)化。學(xué)生在課堂上根據(jù)流程文件獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)課堂上嚴(yán)格禁止學(xué)生走動(dòng)，禁止討論問題，有問題可以跟指導(dǎo)教師直接交流。指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的問題可以判斷該學(xué)生預(yù)習(xí)沒有、對(duì)實(shí)驗(yàn)原理掌握沒有、基本操作熟悉沒有、流程文件仔細(xì)閱讀理解沒有。并且把這些反應(yīng)到實(shí)驗(yàn)成績(jī)上。完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生經(jīng)驗(yàn)收合格，應(yīng)安靜離開實(shí)驗(yàn)室，禁止指導(dǎo)其他同學(xué)做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課堂成績(jī)主要評(píng)估規(guī)定時(shí)間里完成實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，即實(shí)驗(yàn)操作科學(xué)規(guī)范、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收每個(gè)同學(xué)給一次機(jī)會(huì)，如果驗(yàn)收時(shí)實(shí)驗(yàn)有誤，該生不但要修改，而且要排到最后檢查，并且反映到實(shí)驗(yàn)成績(jī)上。這一舉措意義在于避免學(xué)生粗心大意，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、求真務(wù)實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的精神。學(xué)生重復(fù)犯錯(cuò)、重復(fù)檢查，將會(huì)大大增加指導(dǎo)教師的工作量。

剛開始，學(xué)生極不適應(yīng)。實(shí)驗(yàn)想“蒙混”過關(guān)的同學(xué)原形畢現(xiàn)。第1節(jié)課每個(gè)班大概有10名左右的同學(xué)在規(guī)定時(shí)間里完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課不得不延長(zhǎng)0.5 h。指導(dǎo)教師進(jìn)行了詳盡的解釋，并指導(dǎo)學(xué)生如何適應(yīng)這種新的實(shí)驗(yàn)方法。第2節(jié)課大概有1/2的同學(xué)符合要求，但到了第3節(jié)課以后基本上有2/3以上的同學(xué)能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。沒有完成實(shí)驗(yàn)的同學(xué)也要區(qū)別對(duì)待，有的同學(xué)實(shí)驗(yàn)原理清楚、操作規(guī)范，但遇到了學(xué)生難以解決的疑難問題；而有的同學(xué)則一竅不通。

實(shí)踐表明，用IPF實(shí)驗(yàn)方法指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生完全能夠有能力獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到了質(zhì)的改善，并取得了3方共贏的效果。學(xué)生重視起實(shí)驗(yàn)教學(xué)了，自主學(xué)習(xí)能力明顯提高，而且得到了公平合理、科學(xué)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)成績(jī)；流程文件包含了大量有效的實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)教師減少了大量的低層次、多重復(fù)的工作內(nèi)容，而專注于疑點(diǎn)、難點(diǎn)問題的解決；學(xué)校未投入多少經(jīng)費(fèi)的條件下，教學(xué)質(zhì)量得到質(zhì)的飛躍。

5 結(jié) 語(yǔ)

科學(xué)的發(fā)展依賴于獨(dú)立思考。學(xué)生不能獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)，一切實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革將顯得蒼白。IPF實(shí)驗(yàn)方法有效地解決了這一難題。經(jīng)驗(yàn)證，該方法具有良好的可操作性，并在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了成功實(shí)踐。IPF實(shí)驗(yàn)方法具有在其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣的價(jià)值。