試論實(shí)踐在電子學(xué)教學(xué)中的四大作用

李 剛， 林 凌

(天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

鑒于實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要作用，很多教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了探索：高翠云[1]、趙倩[2]、范迪[3]、于璐[4]和呂繼東[5]等設(shè)計(jì)了各種單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，馬千里[6]、葉繼倫[7]、劉毅飛[8]、李正美[9]、沈義民[10]和趙曉明[11]等設(shè)計(jì)了多種生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(平臺(tái))有實(shí)驗(yàn)種類多，涉及面廣，學(xué)生操作容易的特點(diǎn)，但上述的實(shí)驗(yàn)無深度，很容易陷入“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”的怪圈，未能在更高層面考慮實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

實(shí)際上，對(duì)于工程教育而言，實(shí)踐(實(shí)驗(yàn))絕不僅僅停留在驗(yàn)證理論教學(xué)的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)理解上，也不僅僅在理解某個(gè)原理上，還不僅僅停留在所謂的學(xué)習(xí)上。實(shí)踐(實(shí)驗(yàn))在教書育人、培養(yǎng)科學(xué)思維和學(xué)習(xí)能力上可以發(fā)揮重要的作用。本文從課程的整體、系統(tǒng)層面考慮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，總結(jié)了十幾年來在“生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)踐中，力圖實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的四大作用：

(1)實(shí)踐誘發(fā)學(xué)習(xí)興趣——學(xué)習(xí)的最高境界和最好狀態(tài)；

(2)實(shí)踐提供感性認(rèn)識(shí)——有助于理解和避免指鹿為馬；

(3)實(shí)踐促進(jìn)理論學(xué)習(xí)——書到用時(shí)方恨少！

(4)實(shí)踐檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效——學(xué)以致用，體現(xiàn)學(xué)習(xí)的目的。

1 實(shí)踐(實(shí)驗(yàn))在工程教育中的四大作用

下面從一個(gè)實(shí)驗(yàn)(問題)來說明實(shí)踐(實(shí)驗(yàn))在工程教育中的四大作用。

每一輪本科生“生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)”教學(xué)的第一堂課，筆者都要向后排的學(xué)生提出這樣一個(gè)開放性的問題(每堂課向坐在最后的學(xué)生提問可以保證課堂教學(xué)的秩序)：輸入占空比為50%的方波到一個(gè)RC電路，RC電路的輸出是什么？

這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，但對(duì)現(xiàn)在的學(xué)生來說卻是一個(gè)難度相當(dāng)高的問題，幾乎沒有學(xué)生能夠全面、正確地回答這個(gè)問題。在問過十幾名學(xué)生之后，筆者作如下幾個(gè)層面的引導(dǎo)：

(1)即使簡(jiǎn)單到只有兩個(gè)元件的電路，也必定能夠完成一定的信號(hào)處理功能，RC電路的正確連接也只有圖1所示的兩種形式。

(a)電容上輸出形式 (b)電阻上輸出形式圖1 RC電路

(2)電路的形式固然重要，電路的參數(shù)也很重要。如圖1(a)的電路，在其τ=RC與輸入方波周期T相對(duì)大小不同時(shí)，電路的輸出波形很不一樣(圖2)。實(shí)質(zhì)上電路在起到“特定”的信號(hào)處理(運(yùn)算)功能，如表1所列。

表1 τ與T相對(duì)大小不同時(shí)RC電路的功能

(3)RC電路完全可以用于正弦波信號(hào)的微、積分處理，請(qǐng)學(xué)生注意：所需進(jìn)行微分、積分處理(計(jì)算)時(shí)信號(hào)頻率在幅頻特性曲線的位置。

(4)工程近似的“度”的概念：圖1(b)電路的傳遞函數(shù)為：

(a)1Hz(放大細(xì)節(jié)圖) (b)1Hz(縮小圖) (c)10Hz

(d)100Hz (e)300Hz (f)500Hz

(g)800Hz (h)1kHz (i)2kHz

(j)5kHz (k)10kHz (l)1MHz圖2 不同頻率輸入時(shí)圖1(a)電路的輸出波形(摘自學(xué)生的作業(yè))(R=1k 、C=0.47μF)

(1)

或

(2)

其中：

ω0=1/RC=1/τ

(3)

①當(dāng)τ<

H(jω)=jωRC

(4)

說明電路起“微分”作用。

②同樣：當(dāng)τ～T，也即|jω/ω0|～1時(shí)，或者說信號(hào)頻率處于高通濾波器附近，電路容許高于截止頻率的信號(hào)通過，低于截止頻率的信號(hào)有不同程度的衰減。

③當(dāng)τ>>T，也即|jω/ω0|?1時(shí)，式(1)可以近似為：

H(jω)=1

(5)

說明電路讓信號(hào)毫無衰減地通過。

工程上的“近似”是抓住關(guān)鍵的好方法：既沒有改變問題的實(shí)質(zhì)，又使分析簡(jiǎn)潔、清晰。

(5)方波信號(hào)的前、后沿既可表示信號(hào)本身的高頻成分，又可揭示系統(tǒng)的低通濾波器的截止頻率的粗略值；方波信號(hào)的上、下底的下降(上升)情況既可表示信號(hào)本身的低頻成分，又可揭示系統(tǒng)的高通濾波器的截止頻率的粗略值。

(6)其實(shí)，(5)給出的是“方波測(cè)試”原理，又稱為瞬態(tài)測(cè)量原理。在工程上，可以快速、簡(jiǎn)便地確定系統(tǒng)的頻帶，甚至有的場(chǎng)合還非得“方波測(cè)試”方法不可，如心電放大器中的0.05Hz(3.3s)高通濾波器(又稱為“時(shí)間常數(shù)電路”)的測(cè)試。

(7)這也是理解“高速”參數(shù)及其概念的有效方法。一般而言，學(xué)生容易接受“高頻”參數(shù)及其概念，理解“高速”參數(shù)及其概念有困難。

(8)學(xué)習(xí)電子學(xué)或電子電路，必須掌握元器件的性能與參數(shù)，似乎這是一個(gè)簡(jiǎn)單的問題，理所當(dāng)然的問題。其實(shí)不然，有學(xué)生采用1支100 F的電容和1支100 Ω的電阻做圖1(a)實(shí)驗(yàn)，電路輸出竟然是近乎完美的方波？！

(9)萬用表和示波器在同學(xué)們看來，除了損壞外，就是完美、理想的儀器，也是輕而易舉地可以掌握的儀器！同樣有學(xué)生做圖1(a)實(shí)驗(yàn)，在輸入幾Hz方波時(shí)，示波器上顯示的波形既有前、后沿的積分現(xiàn)象，也有上、下底的下降(上升)情況？！

通過該問題及其實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生

(1)領(lǐng)悟“不做不知道自己的不知道，要做好才知道自己差多少”；

(2)哪怕再簡(jiǎn)單的電路，要真正掌握還需要“勇于實(shí)踐X深入思考”；

(3)既要思考3層以上的深度，又要聯(lián)系3層以上廣度(與其他課程，如數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)等課程聯(lián)系起來)。

這樣，也就體現(xiàn)實(shí)踐的四大作用：

1)實(shí)踐誘發(fā)學(xué)習(xí)興趣

所提的問題極為“簡(jiǎn)單”卻完全不能回答，這給學(xué)生以強(qiáng)烈的震撼，將盲目自滿甚至自傲的玻璃心打個(gè)粉碎。在實(shí)驗(yàn)過程中，做得越多，想得越多，就越體會(huì)到“學(xué)習(xí)”真的不那么“簡(jiǎn)單”。千言萬語的說教不如一個(gè)“自主性、綜合性和探索性”的實(shí)驗(yàn)來得有效。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中反復(fù)推進(jìn)、反復(fù)受挫又反復(fù)有進(jìn)展，都會(huì)給學(xué)生帶來興趣和信心。實(shí)際上，這就應(yīng)該是專業(yè)課的課程思政應(yīng)有之義。

2)實(shí)踐提供感性認(rèn)識(shí)

本文舉例的這個(gè)問題實(shí)際上在多門課程中涉及到：“電路原理”或“電路分析”、“模擬電子基礎(chǔ)”、“信號(hào)與系統(tǒng)”，但學(xué)生們普遍掌握不好，主要原因是：

——即使課堂上能夠講述清楚、全面和細(xì)致(這幾乎做不到)學(xué)生也未必記得住。

——像這樣“簡(jiǎn)單”的問題也幾乎不會(huì)安排寶貴的學(xué)時(shí)去做實(shí)驗(yàn)，即使是安排了實(shí)驗(yàn)，也難以有深入、全面的指導(dǎo)和要求，也近乎于沒有學(xué)生能夠主動(dòng)、認(rèn)真、細(xì)致地去完成。

——現(xiàn)有的方方面面的條件也不足以支撐學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間的、有思考地實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，有效的自主性、綜合性和探索性實(shí)驗(yàn)可為學(xué)生提供清晰、全面、有條理、深刻的感性認(rèn)識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)提供條件，很容易理解課堂上的教學(xué)內(nèi)容。

3)實(shí)踐促進(jìn)理論學(xué)習(xí)

在現(xiàn)在的教學(xué)及其管理模式下，課時(shí)短、課程多，要讓學(xué)生真正掌握課程內(nèi)容和具備足夠的工程能力是不可能的。需要培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和學(xué)習(xí)能力才有可能達(dá)到讓學(xué)生真正掌握課程內(nèi)容和具備足夠的工程能力的目的，而其先決條件是讓學(xué)生具有學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和了解學(xué)習(xí)的方向與目標(biāo)，只有實(shí)踐才能提供這一條件，之后學(xué)生將主動(dòng)地補(bǔ)充大量理論知識(shí)，從而促進(jìn)理論學(xué)習(xí)。

4)實(shí)踐檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效

對(duì)于工科教育，其根本目的是“學(xué)以致用”，是否學(xué)到，也只有通過實(shí)踐來檢驗(yàn)而不是通過卷面考試來檢驗(yàn)。實(shí)際上，很多專業(yè)課教師十分發(fā)憷出考題，指望僅靠卷面試題來測(cè)試學(xué)生掌握電子學(xué)課程內(nèi)容和具備足夠的工程能力是不可能！

2 結(jié)語

本文通過一個(gè)極其“簡(jiǎn)單”的電路實(shí)驗(yàn)來說明實(shí)踐在《(生物醫(yī)學(xué))電子學(xué)》的教學(xué)中的4大作用：這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，卻蘊(yùn)含豐富的、包含知識(shí)與能力的內(nèi)涵，要完整、全面的理解和掌握這些內(nèi)涵，只有通過實(shí)踐才能達(dá)到這個(gè)目的。