核電子學綜合設(shè)計性實驗教學的探索與實踐

程品晶， 曾文杰， 俞 紅， 王 海， 齊 航

(南華大學 核工程國家級實驗教學示范中心，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

培養(yǎng)學生實踐能力是高校人才培養(yǎng)的重要目標。實驗課程是培養(yǎng)學生實踐能力的重要途徑[1-4]。學校針對核工程與核技術(shù)專業(yè)開設(shè)了核電子學、核輻射探測、輻射防護等實驗課程，形成了具有一定規(guī)模的實驗課程體系。為進一步提高實驗教學質(zhì)量，開發(fā)學生思維，培養(yǎng)學生實踐能力，核工程實驗教學中心轉(zhuǎn)變實驗教學思路，針對核電子學實驗課程提出在保證基礎(chǔ)性實驗項目的前提下加強綜合設(shè)計性實驗項目的開設(shè)力度[5]。希望通過增設(shè)綜合設(shè)計性實驗形成“以任務(wù)為主線，以學生為主，教師為輔，全程參與”的教學模式，從而進一步激發(fā)學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生獨立探索、勇于開拓的進取精神[6-7]。

1 核電子學綜合設(shè)計性實驗

核電子學綜合設(shè)計性實驗是在學生完成核電子學基礎(chǔ)實驗項目后，組織開展以學生為主的實驗項目。該實驗項目的實踐過程主要包含實驗設(shè)計規(guī)劃、實驗執(zhí)行策略以及實驗的質(zhì)量控制3個環(huán)節(jié)。

1.1 實驗設(shè)計規(guī)劃

實驗設(shè)計規(guī)劃主要是指針對綜合設(shè)計性實驗開展的前期準備，如規(guī)劃實驗內(nèi)容、確定實驗教學形式、采購實驗耗材、制定實驗考核制度等[8]?？偠灾谧龊镁C合設(shè)計性實驗教學準備工作的前提下，制定實驗的考核制度，以激勵學生勤于實踐、勤于思考。以“單道脈沖幅度分析器綜合設(shè)計性實驗”為例，實驗準備工作主要有：①實驗內(nèi)容。設(shè)計一個單道脈沖幅度分析器電路并進行調(diào)試，利用示波器觀察波形，要求上、下閾值可調(diào)，測出關(guān)鍵點波形；②實驗教學組織形式。以班級為單位對學生進行分組，每組最多不超過3人，每次實驗開始前，進行小組簽到，實驗過程中老師將進行抽查點名；③實驗耗材。圍繞單道脈沖幅度分析器的電路設(shè)計，根據(jù)實驗分組情況，由實驗中心負責統(tǒng)計并集中采購實驗所需的電子元器件如導線、電阻、電容、IC芯片、接線板等；④實驗考核制度。實驗成績根據(jù)學生預習報告、實驗過程表現(xiàn)、實驗結(jié)果驗收、實驗報告等進行綜合評定。該實驗預計安排8個課時，學生需在規(guī)定課時內(nèi)完成實驗內(nèi)容才能獲得良好以上分數(shù)。如未能在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗，實驗室將提供一次補做機會，仍未完成實驗的，則該項實驗成績?yōu)椴患案?。綜合設(shè)計性實驗成績占核電子學實驗課程總成績的30%。

1.2 實驗執(zhí)行策略

“以學生為主，教師為輔，全程參與”是綜合設(shè)計性實驗的執(zhí)行策略。主要注重改變以往的“教師講三，學生聽二練一”的被動學習模式，創(chuàng)造以任務(wù)定目標，學生主動參與，自主學習，課程教師全程參與指導的新型教學模式[9]。

以“單道脈沖幅度分析器綜合設(shè)計性實驗”為例，首先根據(jù)實驗電路將電子元器件及相關(guān)工具按班級分組情況分發(fā)至各班；然后，學生利用下發(fā)的實驗材料，依據(jù)電路板大小，合理布局并搭建單道脈沖幅度分析器實驗電路，并在實驗室利用電源、示波器等設(shè)備對所搭建的電路進行調(diào)試，整個過程以“學生為主”，遇到問題以獨立思考和組內(nèi)討論為主；“教師為輔，全程參與”是為了確保整個實驗能順利進行，教師盡可能減少干預和指導，而讓學生充分發(fā)揮個人能力和團隊能力。按班級安排電路調(diào)試時間，要求學生在規(guī)定時間內(nèi)完成調(diào)試并接受教師檢查，在確定完成后回收完成的電路板并由老師在實驗原始記錄紙上簽字確認。對未在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗的，實驗室安排再次實驗調(diào)試機會但成績評分等級會有所下降，以此方式激勵學生盡可能高效完成該項實驗，控制教學質(zhì)量。充分發(fā)揮學生的主觀能動性和教師的輔助作用，讓學生養(yǎng)成獨立思考和解決問題的習慣，提高學生的實踐能力。

1.3 實驗教學質(zhì)量控制

實驗教學質(zhì)量是實驗教學效果的體現(xiàn)[10-11]。由于綜合設(shè)計性實驗的實驗涉及面廣且實驗操作較為復雜，以3人一組的形式開展實驗一方面是為了培養(yǎng)學生間的協(xié)作能力，另一方面是為了節(jié)約實驗資源。然而，采用單一的按組評分制度必然會造成少數(shù)學生不積極參與。為此，制定以下評分方式和標準[12]。

(1)實驗預習評價。由于綜合設(shè)計性實驗是以“學生為主，教師為輔”為主，加之實驗過程較為復雜，實驗課時有限，因此，實驗預習是整個實驗成功的首要條件[13]。學生在實驗預習階段需要設(shè)計好單道脈沖幅度分析器的實驗電路，確定所需要的電阻、電容及其它電子元器件的類型及數(shù)量，以便老師按組分發(fā)元器件。學生需根據(jù)自身預習情況，書寫預習報告并將預習報告提交實驗室老師，根據(jù)實驗預習報告對學生預習情況進行初步評價。同時，教師在課堂講解中將針對預習報告進行提問，以判斷實驗預習的最終成績[14]。此項成績占該實驗項目分值的20%。

(2)實驗過程控制。實驗過程主要包含以下3個內(nèi)容：①實驗電路組裝；②實驗電路調(diào)試；③實驗調(diào)試驗收。在實驗預習階段，教師將實驗所需的電子元器件及實驗所需的實驗工具按分組情況下發(fā)至各班級。學生在完成實驗電路的組裝后，可在規(guī)定時間內(nèi)按分組情況到實驗室開展電路的調(diào)試工作，每次進入實驗室調(diào)試需登記班級和姓名。

采用分組形式開展實驗可以提高實驗效率，但也因此引入了一些問題，如實驗過程中個別學生少動手甚至不動手的現(xiàn)象依然存在[15]。為避免學生蒙混過關(guān)，在實驗調(diào)試驗收階段，每組學生都需經(jīng)過實驗教師的調(diào)試檢查，對不會進行實驗調(diào)試者給予該項實驗不及格處理。對于能在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗的給予良好分數(shù)，未能在規(guī)定時間內(nèi)完成調(diào)試的，將提供二次機會，但此時調(diào)試成功僅能獲得及格分數(shù)，未成功者按不及格處理。實驗調(diào)試中，學生需將實驗調(diào)試中的各個監(jiān)測點波形繪在原始記錄紙上，交實驗教師批閱簽名后，提交小組的實驗電路及實驗工具。

(3)實驗報告評分。實驗報告是實驗結(jié)束后學生對實驗過程的總結(jié)和分析。學生在綜合設(shè)計實驗完成后按班級提交實驗報告和原始記錄，教師將以原始記錄為依據(jù)，評閱實驗報告，此項成績占該實驗項目分值的20%。最終依據(jù)三部分的分值給出綜合設(shè)計實驗的最終成績。

1.4 單道脈沖幅度分析器綜合設(shè)計性實驗的教學實踐

1.4.1實驗預習

(1)要求學生自己查閱資料，掌握單道脈沖幅度分析器的單元電路構(gòu)成及其工作原理。如圖1所示，單道脈沖幅度分析器工作在微分模式時，當輸入脈沖幅值處于上下閾值之間時，單道脈沖幅度分析器就會有一個矩形脈沖輸出，而當輸入大于上閾或小于下閾時單道皆無輸出。單道脈沖幅度分析器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 單道脈沖幅度分析器微分模式時的工作原理

圖2 單道脈沖幅度分析器的結(jié)構(gòu)框圖

(2)根據(jù)單道脈沖幅度分析器原理和結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計單道脈沖幅度分析器的實驗電路如圖3所示。

圖3 單道脈沖幅度分析器電路設(shè)計圖

(3)實驗儀器準備。實驗室統(tǒng)一采購所需實驗元器件，并分發(fā)至各個小組；準備實驗過程中需要精密脈沖產(chǎn)生器FH1013、NIM機箱、電壓源、TDS1012示波器、萬用表等實驗電路調(diào)試設(shè)備。

1.4.2實驗過程

(1)電路組裝。根據(jù)單道脈沖幅度分析器電路設(shè)計圖(圖3)，學生自主設(shè)計搭建單道脈沖幅度分析器實驗電路。

(2)調(diào)試電路。檢測電路功能是否正常(測量關(guān)鍵點波形)電路板搭建完成之后最重要的是檢測電路功能是否正常，通常的檢測方法是在電路板上選定幾個關(guān)鍵點。本電路最重要的部分即邏輯運算電路，如與非門、電壓比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等，因此選擇關(guān)鍵點應涉及到這些電路的輸入輸出點(如圖4所示)。①用精密脈沖產(chǎn)生器作為輸入的信號源，通過調(diào)節(jié)輸入脈沖幅度和上下閾值大小依次測出兩種情況下電路關(guān)鍵點處的波形，第一種為輸入脈沖幅度大于單道上閾值，第二種為輸入脈沖幅度在上下閾之間。各點具體波形如圖4所示。如圖4中①所示，當輸入脈沖幅值大于上閾，輸出端(TP10)無輸出即保持低電平；如圖4中②所示，當輸入脈沖幅值在上下閾之間，輸出端(TP10)輸出一個矩形波。②實驗驗收。在學生完成電路板調(diào)試后，由實驗老師負責對每組的實驗進行驗收。驗收內(nèi)容主要包含實驗電路各個關(guān)鍵點的電路及實驗原始情況如實驗數(shù)據(jù)﹑實驗過程中的問題等相關(guān)情況的記錄是否完整規(guī)范。③實驗評分。實驗評分中，實驗預習﹑實驗操作﹑實驗報告三個環(huán)節(jié)分別占本次實驗成績的20%、60%、20%。缺少任何一個環(huán)節(jié)，本次實驗成績即為不及格。

圖4 單道脈沖幅度分析器各關(guān)鍵點波形圖

2 結(jié) 語

隨著核能與核技術(shù)工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，不斷更新核類相關(guān)專業(yè)的實驗課程內(nèi)容是非常必要的。核電子學實驗課程作為一門以培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力為主的課程，需要在保留傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)實驗項目的基礎(chǔ)上，不斷更新實驗內(nèi)容和教學方法以適應社會發(fā)展的需要。在核電子學實驗課程中增設(shè)綜合設(shè)計性實驗，符合社會對綜合型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。通過開展綜合設(shè)計性實驗，不僅可以培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，激發(fā)學生學習和研究的積極性。同時，也為探索如何從傳統(tǒng)的實驗教學模式向更科學更合理的教學模式轉(zhuǎn)變提供了參考。