本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常規(guī)儀器設(shè)備的應(yīng)用實(shí)踐

摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備是高等學(xué)校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要保障條件，如何充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備在高校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的一項(xiàng)重點(diǎn)課題。利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器提高學(xué)生的實(shí)踐能力和問題處理能力是衡量一所學(xué)校辦學(xué)實(shí)力的重要標(biāo)志。該文闡述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備在本科階段人才培養(yǎng)中的作用和意義，舉例分析了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用實(shí)踐。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的充分使用，可以不斷提高高校的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的綜合能力。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)教學(xué);儀器設(shè)備;應(yīng)用實(shí)踐;實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）28-0259-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Application of Conventional Instruments and Equipment to Undergraduate in Experimental Teaching

YU Jian

（Nanjing Tech University， Nanjing 211816， China）

Abstract： Experimental teaching instruments and equipment is an important guarantee for undergraduate experimental teaching in colleges and universities. How to give full play to the role of experimental teaching instruments and equipment in undergraduate experimental teaching has always been a key project of experimental teaching. Making full use of experimental teaching instruments to improve students' practical ability and problem-solving ability is an important symbol to measure the quality of a school. This paper explains the role and significance of experimental teaching instruments and equipment in undergraduate talent training， and analyzes the specific application of experimental instruments and equipment in undergraduate experimental teaching with examples. Through the full use of experimental teaching instruments and equipment， the quality of undergraduate experimental teaching and the comprehensive ability of students can be improved continuously.

Key words：experimental teaching; instruments and equipment; application practice; practice ability

1 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備在高等院校本科教學(xué)活動(dòng)中起著非常重要的作用，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作、動(dòng)手能力、應(yīng)用能力、綜合素質(zhì)的重要載體和途徑。雖然現(xiàn)在有很多高等院校利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1]來替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是，在培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然占據(jù)主要的地位。

近些年來，為了改善和提高高等院校的辦學(xué)條件，高等院校對(duì)本科教學(xué)的投入很大，尤其是在本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備方面，每年都投入大量資金新購或是更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備。甚至有些高校把大型的科研儀器設(shè)備應(yīng)用到本科階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[2-5]來提高本科生的實(shí)踐能力。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新購或是更新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的功能也在不斷完善，如何充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備在高校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的一項(xiàng)重點(diǎn)課題。

電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在2015年新建了電子仿真開放實(shí)驗(yàn)[6]，配備了一套先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備——數(shù)字示波器、直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)/任意波形發(fā)生器、數(shù)字萬用表等，總資產(chǎn)達(dá)百萬。經(jīng)過近5年的實(shí)驗(yàn)室開放可以發(fā)現(xiàn)，雖然電子信息類學(xué)生在大學(xué)的第二學(xué)年期間通過模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路分析等實(shí)驗(yàn)操作過儀器設(shè)備，但都是一些皮毛操作，機(jī)械性地通過儀器設(shè)備上的幾個(gè)按鈕來完成具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而不知這些儀器設(shè)備具有哪些功能，能夠完成什么工作等。因此，如何使用這些儀器設(shè)備來完成一些特定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

為了更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備在本科教學(xué)中的作用，本文將通過幾個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的案例來具體說明儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用。

2 直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用實(shí)踐介紹

直流穩(wěn)壓電源（DC Power Supply Unit）是能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子設(shè)備，如圖1所示。大部分實(shí)驗(yàn)室中使用直流穩(wěn)壓電源為恒壓源，即為負(fù)載提供恒定電壓。通過圖1中的電壓旋鈕調(diào)節(jié)電壓到合適的電壓值，再通過CH1和CH2的一個(gè)或兩個(gè)通道輸出到負(fù)載端。但是，學(xué)生甚至老師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行中，從來都不對(duì)直流穩(wěn)壓電源的電流進(jìn)行限定，即沒有考慮電流過大是否會(huì)對(duì)所設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)電路造成損害。因此，我們?cè)谠O(shè)置輸出電壓時(shí)應(yīng)關(guān)注其對(duì)應(yīng)的電流應(yīng)設(shè)置多大為宜。這時(shí)，直流穩(wěn)壓電源的電流限值應(yīng)該如何設(shè)置呢？如圖1所示，以通道CH1為例來設(shè)置直流穩(wěn)壓電源輸出的電流值。此時(shí)，應(yīng)把通道1（CH1）的“+Vcc”端與“-Vcc”端連在一起（短接），通道2（CH2）的“+Vcc”端與“-Vcc”端不連在一起（斷開），接好后，打開輸出通道“output”，這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，通道2（CH2）的“C.V./C.C.”指示燈為綠燈，即顯示此時(shí)電壓可調(diào)，電流顯示為0;而通道1（CH1）的“C.V./C.C.”指示燈為紅燈，即顯示此時(shí)電流可調(diào)，電壓顯示為0。所以，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果實(shí)驗(yàn)要求直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓限定的電流值為何值時(shí)，即可通過把一個(gè)通道的正負(fù)端（“+Vcc”端與“-Vcc”端）短接來實(shí)現(xiàn)電流的設(shè)置。

在實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)中，除了要求輸出的電流恒定，實(shí)驗(yàn)電路中還會(huì)要求提供負(fù)電壓來為電路供電，那么，直流穩(wěn)壓電源的負(fù)電壓如何提供呢？如圖2所示，一個(gè)直流穩(wěn)壓電源通常由三個(gè)輸出通道，分別是兩個(gè)可調(diào)通道CH1、CH2和一個(gè)電壓、電流固定的通道CH3（5V，3A）。要實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出需要把CH1的“+Vcc”端與CH2的“-Vcc”端相連，同時(shí)把兩個(gè)通道的“TRACKING”設(shè)置為“INDEP”。這時(shí)，CH2的“+Vcc”端為正電壓，而CH1的“-Vcc”端為負(fù)電壓，中間相連的兩個(gè)端口為接地端。直流穩(wěn)壓電源如此的連接設(shè)置就可在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓輸出。

在高等院校本科階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，尤其是電子信息類的課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)課程中，上述直流穩(wěn)壓電源的使用非常廣泛，而且也非常重要的。設(shè)置合適的電流限值對(duì)整個(gè)電路意義非凡，可以很好地保護(hù)所設(shè)計(jì)的電路中元器件不因電流過大而被擊穿燒壞。

3 數(shù)字示波器+函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用實(shí)踐介紹

示波器簡(jiǎn)單地說就是把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見圖像并呈現(xiàn)出來的電子測(cè)量?jī)x器。而函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器則是能提供某些特定周期性時(shí)間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波和脈沖波等）的電子信號(hào)發(fā)生設(shè)備。只有在數(shù)字示波器和函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器兩者的內(nèi)阻匹配的情況下，數(shù)字示波器上顯示的數(shù)值才能與函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器上設(shè)置的數(shù)值一致。

在高等院校的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器都是用來當(dāng)做測(cè)試設(shè)計(jì)電路的信號(hào)源。而數(shù)字示波器則是用來觀測(cè)所設(shè)計(jì)電路輸出信號(hào)的。在這兩個(gè)儀器設(shè)備的使用中，需要特別注意的是數(shù)字示波器和函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器各自的內(nèi)阻是否匹配，若不匹配，如何設(shè)置可以是兩個(gè)設(shè)備的內(nèi)阻達(dá)到匹配狀態(tài)。接下來，我們來測(cè)試數(shù)字示波器和函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器內(nèi)阻不匹配時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成什么影響。如圖3（a）所示，當(dāng)把函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器的輸出波形設(shè)為正弦波、頻率為1KHz、幅度為100mVpp、阻抗設(shè)為50歐姆，通過數(shù)字示波器觀測(cè)函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦波波形，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，通過測(cè)量正弦波的峰峰值可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)測(cè)得的正弦波的峰峰值為200 mVpp。而把輸出阻抗設(shè)為高阻（High Z）、其他參數(shù)不變時(shí)（如圖3（b）所示），再次用數(shù)字示波器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，通過測(cè)量正弦波的峰峰值可以發(fā)現(xiàn)，這時(shí)測(cè)得的正弦波的峰峰值變?yōu)?00 mVpp。這一現(xiàn)象說明，當(dāng)函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗設(shè)為50歐姆時(shí)，其50歐姆內(nèi)阻與數(shù)字示波器的內(nèi)阻不匹配，造成測(cè)量的幅度值是設(shè)定的幅度值的兩倍;而當(dāng)函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗設(shè)為5高阻（High Z）時(shí)，其高阻狀態(tài)與數(shù)字示波器的內(nèi)阻相匹配，則測(cè)量的幅度值與函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器中設(shè)定的幅度值是相等的。

4 結(jié)束語

通過上述三種儀器設(shè)備的操作實(shí)例可以看出，在電子信息類本科課程的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，除了教授學(xué)生電子類基本實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的常規(guī)使用之外，更深入地講授實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用可以更好地幫助學(xué)生提高其在具體實(shí)踐操作中的動(dòng)手能力及問題分析能力。同時(shí)，也可以提高實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)的效率和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的利用率，減少因儀器設(shè)備不會(huì)使用而造成的時(shí)間浪費(fèi)和對(duì)電子電路、甚至對(duì)所選專業(yè)的興趣。

通過多年的電子信息類實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)可以發(fā)現(xiàn)，一大部分學(xué)生剛?cè)雽W(xué)時(shí)的實(shí)踐操作能力很差，而實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐活動(dòng)則是學(xué)生在本科期間能夠直接接觸儀器設(shè)備的最直接手段，所以更好、更深入地教授儀器設(shè)備的使用很有必要。正確地使用儀器設(shè)備可以直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象，完成實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐也能讓學(xué)生有一種成就感，并建立起自信，從而也會(huì)對(duì)以后的就業(yè)方向產(chǎn)生影響。從大的方面來看，很大程度上可能會(huì)影響一所高等院校整體的本科教學(xué)質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：王力】