實(shí)驗(yàn)設(shè)備自修在高校教師工程教學(xué)中的應(yīng)用探究

戴圣偉， 劉善球， 李毅梅， 龍海軒

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院, 湖南 株洲 412007)

0 引 言

李克強(qiáng)總理提出的“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”和國家實(shí)施高校“雙一流”戰(zhàn)略，是我國高等教育質(zhì)量發(fā)展和趕超世界一流水平的重要契機(jī)[1]。在此背景下，高校實(shí)驗(yàn)室工程教學(xué)成為了激勵(lì)教師教學(xué)內(nèi)容與方法創(chuàng)新的突破口之一。其中，“實(shí)驗(yàn)設(shè)備自修”是實(shí)驗(yàn)室工程教學(xué)改革創(chuàng)新、突出學(xué)生應(yīng)用技術(shù)能力、科學(xué)創(chuàng)新能力和實(shí)際工程能力培養(yǎng)的主要途徑。一系列用活實(shí)驗(yàn)室資源、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)能力、科學(xué)創(chuàng)新能力、實(shí)際工程能力的成果亦充分展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)備自修功能重構(gòu)的價(jià)值導(dǎo)向，能精準(zhǔn)體現(xiàn) “重理論、重應(yīng)用、重創(chuàng)新、重實(shí)際工程能力”教學(xué)方法的創(chuàng)新[2-3]。嘗試以單管放大器自修為例，演繹“實(shí)驗(yàn)設(shè)備自修”對(duì)學(xué)生理論基礎(chǔ)、應(yīng)用技術(shù)、科學(xué)創(chuàng)新、實(shí)際工程能力貫通培養(yǎng)的邏輯關(guān)系。這也順應(yīng)了用活實(shí)驗(yàn)室資源的教學(xué)改革和激勵(lì)教師提升實(shí)踐教學(xué)能力與水平的發(fā)展需要[4-5]。

1 單管放大器自修

單管放大器是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本單元，要求學(xué)生在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步認(rèn)知單管放大器的工作原理與設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。自修的邏輯路徑是在教師的教學(xué)內(nèi)容分段設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，突出學(xué)生的主動(dòng)參與、深度融合；形成 “學(xué)中做、做中學(xué)”的研究平臺(tái)；積累實(shí)驗(yàn)室科學(xué)探索經(jīng)驗(yàn)；探微知識(shí)原理、技術(shù)應(yīng)用、創(chuàng)新心得與科學(xué)思維；最終貫通學(xué)生的理論基礎(chǔ)、應(yīng)用技術(shù)、實(shí)際工程能力及科學(xué)創(chuàng)新思維[6]。

從單管放大器的原理與故障分析入手，展示單管放大器自修的基本技術(shù)路徑。

單管放大器正常工作時(shí)，在US端接入正弦信號(hào)，以f=1 kHz、Ui=10 mV、IC1=2 mA為例，在輸出端得到放大的、反相的輸出信號(hào)(見圖1)；圖1的原理電路見圖2所示。圖2中單管放大器包括：核心放大元件3DG6；偏置電阻RB1、RB2、RC1、RE1；輸入電容C1；輸出電容C2；射極旁路電容CE1；負(fù)載RL。

圖1 單管放大器正常工作實(shí)物圖

圖2 單管放大器原理圖

1.1 單管放大器正常工作參數(shù)及變化范圍

單管放大器正常工作參數(shù)由靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)兩部分構(gòu)成；靜態(tài)參數(shù)主要由三極管3DG6三電極電壓確定：基極電壓UB、發(fā)射極電壓UE、集電極電壓UC；動(dòng)態(tài)參數(shù)主要觀察輸入信號(hào)US、輸出信號(hào)Uo波形是否正常。

(1) 3DG6靜態(tài)參數(shù)及變化范圍。根據(jù)圖2、三極管的電學(xué)特性及基爾霍夫電壓定律，3DG6三電極靜態(tài)電壓理論值計(jì)算方法如下：

β由3DG6參數(shù)表可查出。

根據(jù)式(1)～(6)，并調(diào)節(jié)圖2中的RW1，可得UB、UE、UC的各工作狀態(tài)時(shí)的電壓及電壓變化范圍，見表1所示。圖2中的3DG6若要正常工作，各電極電壓變化應(yīng)在表1的電壓范圍內(nèi)。

表1 靜態(tài)電壓表(Ui=10 mV，f=1 kHz)

在3DG6靜態(tài)參數(shù)獲取期間，學(xué)生應(yīng)根據(jù)實(shí)物電路，繪制相應(yīng)的原理電路及3DG6三電極電壓的理論計(jì)算；此階段有效訓(xùn)練了學(xué)生實(shí)物電路器件與原理電路器件的對(duì)應(yīng)及電路理論參數(shù)計(jì)算能力。學(xué)生應(yīng)以3DG6靜態(tài)參數(shù)學(xué)習(xí)方法為例，依據(jù)自身實(shí)際，將之?dāng)U充至實(shí)踐學(xué)習(xí)的各方面，為應(yīng)用技術(shù)能力、科學(xué)創(chuàng)新能力進(jìn)階打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[7-8]。

(2) 3DG6動(dòng)態(tài)參數(shù)及變化范圍。圖1中單管放大器的動(dòng)態(tài)是否正常，有效的方法是觀察US、Uo的波形。調(diào)節(jié)RW1，使實(shí)驗(yàn)靜態(tài)參數(shù)分別與表1中“接近截止”列和“接近飽和”列數(shù)據(jù)相符(見圖3、圖4實(shí)驗(yàn)波形)“正常工作”列波形見圖1。即3DG6工作于正常動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，Uo變化應(yīng)在圖3、圖4中Uo波形變化范圍內(nèi)[9]。在3DG6動(dòng)態(tài)參數(shù)獲取期間，學(xué)生應(yīng)完成理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)波形的對(duì)應(yīng)、掌握理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別的原因及微調(diào)的方法；此階段有效訓(xùn)練了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力。將此方法擴(kuò)充至其余實(shí)踐學(xué)習(xí)中，為應(yīng)用技術(shù)能力、科學(xué)創(chuàng)新能力進(jìn)階打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[10-11]。

圖3 接近截止工作波形圖

圖4 接近飽和工作波形圖

1.2 單管放大器故障分析

(1) 靜態(tài)故障分析。

例1測(cè)得單管放大器靜態(tài)工作電壓如表2所示，工作波形如圖5所示。試根據(jù)式(1)、(2)、(6)，分析電路的故障原因，并修復(fù)單管放大器。

表2 單管放大器故障數(shù)據(jù)

圖5 單管放大器故障波形圖

分析表2中，UB、UE存在0.69 V電壓差，式(2)成立，表明3DG6發(fā)射結(jié)工作正常；UE兩端有少量電壓，說明RE1有微量電流流過，RE1故障率低；RB2與RB1及并聯(lián)等效電阻分壓正常，式(1)成立，說明RB1、RB2正常；RC1色環(huán)電阻表面無異常，說明RC1故障率低；比對(duì)表1中數(shù)據(jù)，表2中UC電壓明顯異常，根據(jù)式(6)：UC=12-IC1RC1，只有IC1為零，表達(dá)式才成立；綜上排除分析，唯有3DG6集電極發(fā)生斷路方符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。焊下3DG6，經(jīng)檢測(cè)，確屬3DG6集電極內(nèi)部斷路，更換3DG6，工作波形恢復(fù)如圖1所示。

其余靜態(tài)故障，均可依據(jù)三極管工作時(shí)三電極的靜態(tài)電壓值及式(1)、(2)、(6)分析，找出故障原因。更換故障器件，修復(fù)單管放大器。

(2) 動(dòng)態(tài)故障分析。

例2測(cè)得單管放大器靜態(tài)工作電壓如表1“正常工作”列所示數(shù)據(jù)，工作波形如圖5所示。試根據(jù)式(1)、(2)、(6)分析電路的故障原因，并修復(fù)單管放大器。

分析例2中靜態(tài)工作點(diǎn)正常，符合式(1)、(2)、(6)；而Uo無波形輸出，排除信號(hào)源除障；電阻R表面無異常，R故障率低；余下只有可能是信號(hào)要么無法通過C1，要么無法通過C2；即C1或C2失效(斷路)。經(jīng)檢測(cè)，C1與電路板虛焊，固焊后，電路工作恢復(fù)正常。其余動(dòng)態(tài)故障，均可依據(jù)觀察及檢測(cè)電阻R、C1、C2，快速找出故障原因。更換故障器件，修復(fù)單管放大器。

單管放大器故障分析期間，學(xué)生得根據(jù)故障數(shù)據(jù)結(jié)合理論公式，分析故障原因，解決故障問題。此階段的持久訓(xùn)練，將極大提升學(xué)生的實(shí)際工程能力[12-15]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備自修對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)效果

(1) 應(yīng)用技術(shù)能力培養(yǎng)效果。馬溪遙、王斐、吳浪隊(duì)獲2014年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。

彭偉強(qiáng)、劉明旗、謝云隊(duì)獲2014年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)。

(2) 科學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果。王斐，張超，夏煒杰等學(xué)生獲批國家實(shí)用新型專利“一種基于MSP430G2553的自動(dòng)增益放大器”(專利號(hào)：ZL2015206979627)。

駱?gòu)身?xiàng)目組獲批國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目立項(xiàng)——天煌DZX-3電子學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置模電部分改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(201611535004)。

肖剛毅項(xiàng)目組獲批國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目立項(xiàng)--多通道參數(shù)采集智能空氣凈化器(201611535005)。

(3) 實(shí)際工程能力培養(yǎng)效果。近2年內(nèi)，完成校內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備多批次自修220臺(tái)(套)。

3 結(jié) 語

高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備自修是工程型教學(xué)方法創(chuàng)新的一種有效范式，對(duì)實(shí)現(xiàn)高校應(yīng)用人才培養(yǎng)的質(zhì)量、水平的提高有顯著的促進(jìn)與借鑒意義。其中，靜態(tài)參數(shù)重在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論的融會(huì)貫通、基本分析方法的掌握，為應(yīng)用技術(shù)能力、科學(xué)創(chuàng)新能力的提升儲(chǔ)備理論基礎(chǔ)；動(dòng)態(tài)參數(shù)重在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用能力、數(shù)據(jù)分析能力；為應(yīng)用技術(shù)能力、科學(xué)創(chuàng)新能力的提升儲(chǔ)備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；故障分析則重在培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)有知識(shí)儲(chǔ)備上，綜合理論基礎(chǔ)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)探索符合實(shí)際的最佳解決方法，以達(dá)到實(shí)際工程能力的全面提升。高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備自修的具體應(yīng)用，是工程型教學(xué)手段提高培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工程能力的有益嘗試。

[1] 柯 政.“雙一流”中的課程建設(shè):上海紐約大學(xué)的啟示[J].中國高等教育,2016(Z2):53-56.

[2] 許曉東,卞 良.本科工程教育研究性教學(xué)探索與實(shí)踐-以華中科技大學(xué)為例[J].高等工程教育研究,2014(2):43-49.

[3] 林 健.卓越工程師創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].高等工程教育研究,2012(5):1-17.

[4] 任 佳,王 杰,梁 勇.多途徑加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)初探[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(2):183-202.

[5] 楊毅剛,孟 斌,王偉楠.基于OBE模式的技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].高等工程教育研究,2015(6):24-30.

[6] 秦春華.在課程中實(shí)現(xiàn)本科教育目標(biāo)[J].中國高等教育,2016(9):41-44.

[7] 夏有為.實(shí)驗(yàn)為本探索未知——訪上海交通大學(xué)校長張杰院士[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(8):2-7.

[8] 郄海霞,王世斌.美國一流大學(xué)工程教學(xué)質(zhì)量保障體系探析-普渡大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)與啟示[J].高等工程教育研究,2013(1):139-146.

[9] 夏有為.培養(yǎng)實(shí)踐能力造就創(chuàng)新人才(三)——訪美籍科學(xué)家交大密西根學(xué)院院長倪軍教授[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(2):1-11.

[10] 李培根,許曉東,陳國松.我國本科工程教育實(shí)踐教學(xué)問題與原因探析[J].高等工程教育研究,2012(3):1-6.

[11] 盧麗君.立德樹人視域下大學(xué)生理論學(xué)習(xí)實(shí)效的提升策略探析[J].思想理論教育導(dǎo)刊,2013(12):122-126.

[12] 盧麗君.提升高校教學(xué)水平和創(chuàng)新能力-訪全國人大代表、南開大學(xué)校長龔克[J].中國高等教育,2016(6):25-31.

[13] 盧麗君.推動(dòng)綜合改革 提升創(chuàng)新能力-首屆協(xié)同創(chuàng)新制度與文化建設(shè)研討會(huì)綜述[J].中國高等教育,2015(13):15-21.

[14] 劉善球,黃惠君,劉舜玲.地方高校青年教師情緒驅(qū)動(dòng)忠誠的激勵(lì)機(jī)制研究[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐,2016,6(8):115-117.

[15] 戴圣偉,王炎平,張居武,等.導(dǎo)師制與大學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的協(xié)同創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2016,35(8):174-176.