電 工 學(xué) 中 驗(yàn) 證 性 實(shí) 驗(yàn) 的 設(shè) 計(jì)

王翠霞， 余有靈， 周 偉， 吳 堅(jiān)

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 上海 200092)

0 引 言

1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)地位

經(jīng)典的理論知識(shí)如果不經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的鞏固，學(xué)生就不易清晰地印記在腦海里。事實(shí)證明，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合獲得的記憶強(qiáng)度比單獨(dú)接受理論教學(xué)知識(shí)獲得的記憶強(qiáng)度要高20%[6]。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)雖然結(jié)論已知，但其操作過程對(duì)于學(xué)生而言仍是未知的, 過分強(qiáng)調(diào)它對(duì)結(jié)論的驗(yàn)證,而不去體會(huì)過程中學(xué)生的感受,那就嚴(yán)重局限了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的功能。學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題可以培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂蒲兴仞B(yǎng), 有助于學(xué)生后續(xù)綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的操作能力的積累。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是連接基礎(chǔ)理論和創(chuàng)新性研究的橋梁，所以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的地位在教學(xué)中是無可替代的，屬必修內(nèi)容。其次綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的難度大，并不適合所有的學(xué)生，且實(shí)驗(yàn)占用的課時(shí)較多，而目前高校實(shí)驗(yàn)課時(shí)緊張,尤其是在大學(xué)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)階段，實(shí)驗(yàn)課仍應(yīng)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。

2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較單一，僅是驗(yàn)證某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或是練習(xí)單一的基本操作，學(xué)生的主動(dòng)參與性不強(qiáng)，不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)[7-8]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)挖掘驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，避免學(xué)生僅是枯燥的“唯驗(yàn)性”實(shí)驗(yàn)的操作。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上要講究邏輯性，逐步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)驗(yàn)證知識(shí)的理解，并且設(shè)計(jì)對(duì)比組實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中主動(dòng)思考，改變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中常見的“機(jī)械式模仿”[9]，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決具體問題，增加實(shí)驗(yàn)的沉浸性和趣味性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，使之符合實(shí)踐教學(xué)的最終培養(yǎng)目標(biāo)。以電工學(xué)實(shí)驗(yàn)“二端元件的伏安特性”為例，來介紹該思想在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改進(jìn)方面的實(shí)現(xiàn)。

伏安特性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生接觸電工學(xué)實(shí)驗(yàn)課的首次實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)既要驗(yàn)證伏安特性，又要讓學(xué)生多操作熟悉儀器，更重要的通過挖掘驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵[3，10]，引導(dǎo)學(xué)生思考測(cè)量數(shù)據(jù)，建立起實(shí)際測(cè)試環(huán)境存在測(cè)量誤差的意識(shí)。依據(jù)以上思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為以下5個(gè)部分。

(1) 采用萬用表直接測(cè)量二端元件的電阻[11]。電阻的測(cè)量方法通常有直接測(cè)量法和伏安特性法兩種，分別對(duì)電阻和燈泡采用直接測(cè)量法得出電阻值。該組數(shù)據(jù)將為后續(xù)伏安法計(jì)算出的電阻值提供對(duì)照數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)試過程也積累了學(xué)生使用萬用表的能力。

(2) 采用圖1電路分別測(cè)量電阻的伏安特性。圖1中自耦調(diào)壓器輸入電壓為220 V，輸出電壓的范圍為0～250 V。將插孔板串入線路中方便接入或者摘除電流表。圖1(a)采用電流表內(nèi)接法，圖1(b)采用電流表外接法，圖1(c)測(cè)量電阻的電壓時(shí)電壓表采用點(diǎn)觸式接入電路。將這三組測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直接測(cè)量法得出的電阻值進(jìn)行對(duì)比，研究儀表內(nèi)阻對(duì)電路的影響,并且分析什么情況下適宜采用哪種測(cè)試方法。

(a) 電流表內(nèi)接法

(b) 電流表外接法

(c) 電壓表點(diǎn)觸法

圖1 電流電壓表的不同接法對(duì)電阻伏安特性的影響

(3) 采用電壓表點(diǎn)觸式測(cè)量不同電壓下的電流參數(shù)。負(fù)載分別為電阻、燈泡和電容，如圖2所示，通過該實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解不同電子元器件的伏安特性曲線。

該部分內(nèi)容旨在對(duì)比不同類型元件的伏安特性，分析線性電阻和非線性電阻的伏安特性，并了解影響電容的電抗值大小的因素。

如果要追溯技術(shù)傳播研究的歷史，1903年法國社會(huì)學(xué)家塔爾德出版的《模仿律》成為不可忽略的內(nèi)容，盡管此書不能算作專門研究技術(shù)傳播的著作，但模仿擴(kuò)散的觀點(diǎn)對(duì)后來擴(kuò)散研究產(chǎn)生了較為深遠(yuǎn)的影響。創(chuàng)新理論鼻祖熊彼特曾將技術(shù)創(chuàng)新的擴(kuò)散界定為創(chuàng)新的大面積或大規(guī)模的“模仿”。1962年傳播學(xué)家埃弗雷特·羅杰斯出版了《創(chuàng)新的擴(kuò)散》一書，提出了著名的創(chuàng)新擴(kuò)散理論。羅杰斯的理論對(duì)后續(xù)的創(chuàng)新擴(kuò)散研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。雖然高科技在奧林匹克賽場內(nèi)外都產(chǎn)生了巨大影響，但從奧林匹克傳播的角度來看，技術(shù)傳播主要體現(xiàn)為對(duì)奧運(yùn)會(huì)的宣傳與推廣上，傳播技術(shù)用于奧運(yùn)賽事是一部電子傳播技術(shù)發(fā)展史的濃縮。

(4) 保持電壓源的電壓不變，測(cè)試電壓源的伏安特性。按照?qǐng)D3所示，接入滑線變阻器改變電路的外部阻值，測(cè)量出相應(yīng)的電流和端電壓，從而得出電壓源的伏安特性。

圖2 電阻、燈泡，電容的伏安特性測(cè)試電路圖

圖3 測(cè)試電壓源的伏安特性電路圖

該內(nèi)容設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電壓源或者電流源非理想電源，其存在的內(nèi)阻會(huì)影響電路的性能。

(5) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)量圖1(c)中電阻的伏安特性。對(duì)比實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)和(2)得到的電阻值，可以發(fā)現(xiàn)是存在偏差的，在討論引起偏差的原因后，可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，精確測(cè)量電阻的伏安特性。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容改進(jìn)后，涵蓋知識(shí)豐富，不單是驗(yàn)證了不同類型元件的伏安特性，還讓學(xué)生學(xué)會(huì)了萬用表、電壓表，電流表的使用；意識(shí)到實(shí)際測(cè)試環(huán)境非理想狀態(tài)，儀表存在內(nèi)阻，電源也存在內(nèi)阻；測(cè)試方法不同會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，研究中要根據(jù)測(cè)試的精度要求設(shè)計(jì)合適的測(cè)試方法等。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改進(jìn)后融入小部分創(chuàng)新元素，具備一定難度，可以激發(fā)學(xué)生更多的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的研究探索能力。

2.2 教學(xué)原則

教師講解為主的教學(xué)方式增加了學(xué)生的依賴心理，學(xué)生遵照教師的講解按部就班的完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這樣學(xué)生缺失了思考環(huán)節(jié)[12-13]，真正學(xué)到的知識(shí)量打折扣。要想學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握更多的知識(shí)，就要把實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)權(quán)交還給學(xué)生，教學(xué)中堅(jiān)持學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師輔助指導(dǎo)的原則。該原則具體由以下2點(diǎn)來保證。

(1) 要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前必須認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書, 理解實(shí)驗(yàn)原理, 明確實(shí)驗(yàn)要求, 熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟, 完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。提前預(yù)習(xí)讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和需要解決的問題，提高了學(xué)生的主動(dòng)參與性，確保順利高效地完成驗(yàn)證部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將更多的時(shí)間放在問題的思考和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，這樣學(xué)生可以深層次地進(jìn)行思考。為確保學(xué)生獨(dú)立做到實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)前需要上交實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，而且教師還要設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)檢查題，對(duì)本次課的實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)步驟，注意事項(xiàng)等進(jìn)行抽查。

該實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)如下的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)檢查題：自耦調(diào)壓器的原副邊的接法；萬用表、電壓表和電流表的使用方法及量程選擇；接線規(guī)則；實(shí)驗(yàn)電路及電壓范圍，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟，這些抽查題對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全方位的檢查，督促學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)工作，并且指出了本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(2) 教師不做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解，引導(dǎo)學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。教師提供實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)材料, 檢查學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)后,讓學(xué)生直接開始實(shí)驗(yàn)，教師僅適當(dāng)?shù)慕o予指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)過程中沒有教師的講解環(huán)節(jié)，迫使學(xué)生要完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須提前預(yù)習(xí)，否則無法按時(shí)順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這種模式結(jié)合檢查預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，可以督促學(xué)生預(yù)習(xí)，主動(dòng)思考，提升實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性；學(xué)生真正遇到問題時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生去思考，啟發(fā)學(xué)生解決問題，而非簡單地直接排除問題；記錄每組學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況，有針對(duì)性的檢查易產(chǎn)生問題的組，并對(duì)完成比較好的組進(jìn)行更深一步的引導(dǎo)思考。

執(zhí)行該實(shí)驗(yàn)原則需要教師更多的時(shí)間去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和教會(huì)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)故障，而且要應(yīng)對(duì)未深入預(yù)習(xí)的學(xué)生操作不當(dāng)損壞儀器和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不熟悉拖延實(shí)驗(yàn)時(shí)間。但是, 授人以魚不如授人以漁, 只有讓學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)去認(rèn)知、思考的習(xí)慣， 學(xué)生才能更好地掌握和理解知識(shí)。

2.3 教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)中改變教師的一貫主導(dǎo)地位，① 借用回答問題模式換學(xué)生講解，教師對(duì)遺漏之處進(jìn)行補(bǔ)充；② 提出啟發(fā)性問題[14]，引導(dǎo)學(xué)生思考；③ 結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組織小組討論，不留知識(shí)死角。通過該3種教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，使他們?nèi)硇牡赝度氲綄?shí)驗(yàn)中，最大化地接受知識(shí)[15]。

(1) 抽查預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中提出問題由學(xué)生回答講解，教師根據(jù)預(yù)習(xí)情況及時(shí)地對(duì)遺漏部分進(jìn)行補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)僅抽查學(xué)生的預(yù)習(xí)是不能保證順利完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的，因?yàn)樽詫W(xué)能力略弱的學(xué)生會(huì)存在知識(shí)死角，所以借助抽查了解學(xué)生預(yù)習(xí)的程度，繼而針對(duì)學(xué)生的遺漏點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)教師再做補(bǔ)充，這樣既督促了學(xué)生預(yù)習(xí)，又保證了知識(shí)的覆蓋率。要全面掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，篩出學(xué)生的遺漏點(diǎn)，必須精心設(shè)計(jì)抽查問題，這些問題包括實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和易犯錯(cuò)誤，通過提問，可以引起學(xué)生在這個(gè)事項(xiàng)上的思考和注意，能采用正確的實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)，盡量避免實(shí)驗(yàn)中的誤操作導(dǎo)致安全隱患或損壞儀器，從而提高實(shí)驗(yàn)效率和效果。

該實(shí)驗(yàn)中除了考查實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)原理，一些易犯錯(cuò)誤的也要以問題的形式引起學(xué)生的注意：如儀表選用的量程、電路中插孔板的作用。

采用的這種以提問抽查學(xué)生預(yù)習(xí)情況和引起注意的形式，可以讓學(xué)生親自參與知識(shí)的建構(gòu)，改變了“教師傳授—學(xué)生聆聽”的傳統(tǒng)傳遞活動(dòng)，增加了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，能更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。

(2) 提出啟發(fā)性問題，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中思考，發(fā)揮探索精神。實(shí)驗(yàn)一開始可以拋出問題，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的思考探索積極性。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)問題：① 圖1(b)中電壓表分別采用150 V量程和300 V量程時(shí)電流表讀數(shù)是否一致；② 額定功率為220 V/40 W的燈泡在110 V下工作時(shí)，功率是否為220 V時(shí)的1/4；③ 電容的電抗大小是否隨電壓的變化，具體都與哪些參數(shù)有關(guān)系。學(xué)生帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)解決問題，測(cè)試數(shù)據(jù)直接給出了答案，深層次的原因引導(dǎo)他們會(huì)對(duì)知識(shí)點(diǎn)有更深刻的理解。

實(shí)驗(yàn)中，給出問題，引導(dǎo)學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立思考，解決問題。本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)燈泡兩端電壓增加時(shí)，流過的電流增大，但是增大的幅度逐漸變小，即電阻逐漸增大?？梢越o出問題什么引起了燈泡的電阻變化，如果先把燈泡兩端的電壓加大，亮一段時(shí)間等燈泡比較熱時(shí)，然后將電壓減小，此時(shí)測(cè)出的燈泡的電阻是否和前面逐步加電壓時(shí)測(cè)出的電阻一樣大，然后可以讓學(xué)生去做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出正確答案，討論原因。

“學(xué)起于思，思源于疑”。學(xué)生有了疑問才會(huì)去進(jìn)一步思考問題，學(xué)生帶著問題做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己的想法，得到正確的答案，這種教學(xué)模式使學(xué)生由機(jī)械接受向主動(dòng)探索發(fā)展，讓學(xué)生在親自“研究”“思索”中領(lǐng)悟知識(shí)，有利于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造個(gè)性。

(3) 結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展開自由討論，不留知識(shí)死角。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出問題，展開討論。對(duì)比理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的差別，討論差別的原因。自由討論環(huán)節(jié)還可以由學(xué)生提出問題，展開討論，這樣可以將本次實(shí)驗(yàn)中疑惑部分解決了，不留知識(shí)死角。

本實(shí)驗(yàn)中可以設(shè)置如下問題。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中剛開始加低電壓時(shí)計(jì)算出的電阻數(shù)變化比較大的原因展開討論，引導(dǎo)學(xué)生考慮到儀表的誤差，測(cè)試時(shí)選用合適量程的理念。比如有些同學(xué)測(cè)出的電阻大于或者小于實(shí)際的標(biāo)稱電阻，討論原因時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生考率電流表的分壓作用和電壓表的分流作用。在測(cè)試時(shí)最好采用引入誤差最小的方案來完成實(shí)驗(yàn)?？梢栽陔娐分袦y(cè)量電阻的阻值嗎？為什么要加入插孔板，其作用是什么？為什么圖1(b)中采用150 V量程和300 V量程的表測(cè)量出來的電流不同。

自由討論時(shí)教師要起到指導(dǎo)控制的作用，在關(guān)鍵時(shí)候引導(dǎo)學(xué)生往主要因素上考慮，讓學(xué)生能有目標(biāo)的發(fā)射思維，深入思考。好的問題不但可以起到畫龍點(diǎn)睛的作用，而且還可以促使學(xué)生的思維活動(dòng)更進(jìn)一步拓展延伸，誘發(fā)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的積極性，增加了實(shí)驗(yàn)的沉浸性，這樣驗(yàn)證環(huán)節(jié)就更容易被清晰記憶。

3 結(jié) 語

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生把感性的實(shí)驗(yàn)操作和理論知識(shí)結(jié)合起來，形成完整的知識(shí)體系，并通過實(shí)踐培養(yǎng)獨(dú)立探索能力，實(shí)驗(yàn)操作能力和科學(xué)研究興趣。要想達(dá)到良好的教學(xué)效果，除了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容能吸引學(xué)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還要堅(jiān)持一定的教學(xué)原則，要有切實(shí)可行的教學(xué)方法使教學(xué)效果最優(yōu)。本文從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教學(xué)原則，教學(xué)方法3個(gè)方面改進(jìn)：充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；堅(jiān)持學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主, 教師指導(dǎo)為輔的原則；教學(xué)方法從三點(diǎn)把握：① 抽查預(yù)習(xí)情況，由學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)，教師補(bǔ)充；② 給出啟發(fā)式問題，讓學(xué)生帶著問題做實(shí)驗(yàn)；③ 針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果組織小組討論。通過以上改進(jìn)，吸引學(xué)生，增加學(xué)生的沉浸性，抓住實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)，分析特性，將結(jié)論吃透，形成網(wǎng)狀的知識(shí)樹，利于學(xué)生建立認(rèn)知系統(tǒng)。