線上線下混合式教學(xué)的示波器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 費(fèi)賢翔

文章首先介紹了示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，為了改善教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了一套教學(xué)流程，從線上與線下兩個(gè)方面來教學(xué)，線上視頻是示波器按鍵功能演示與信號(hào)概念的引入，使用超星平臺(tái)作為視頻的載體，適合學(xué)生反復(fù)觀看。而現(xiàn)場(chǎng)講解著重于信號(hào)的接通與信號(hào)的測(cè)量，適合學(xué)生理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

示波器實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)之一，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中也有多個(gè)實(shí)驗(yàn)需要用到示波器，比如磁滯回線實(shí)驗(yàn)、聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)等等，同時(shí)示波器的使用也是電學(xué)方面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，所以熟練的使用示波器，是一項(xiàng)必備的基本功。隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字示波器已經(jīng)普及，相比于模擬示波器，數(shù)字示波器不僅功能強(qiáng)大，而且也容易操作?；诖嗽颍芏鄬W(xué)校開始利用數(shù)字示波器來進(jìn)行教學(xué)，廣東海洋大學(xué)已經(jīng)采用數(shù)字示波器教學(xué)多年，積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。本文以數(shù)字示波器為例，介紹示波器的教學(xué)設(shè)計(jì)，也可應(yīng)用于模擬示波器的教學(xué)。

1 示波器教學(xué)中存在的問題

示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下問題，第一，學(xué)生在做完實(shí)驗(yàn)后，對(duì)示波器的操作生疏，不知道一些關(guān)鍵按鍵的作用。比如信號(hào)電壓幅度是通過信號(hào)發(fā)生器來調(diào)節(jié)，但有部分同學(xué)通過調(diào)節(jié)Scale按鍵，來改變信號(hào)的大小。第二，不會(huì)測(cè)量信號(hào)的電壓和周期。第三，學(xué)生只是被動(dòng)的完成實(shí)驗(yàn)，只是為了得到數(shù)據(jù)，而并不理解其中的原理。比如在做李薩如圖形時(shí)，不知道李薩如圖形與x軸切點(diǎn)與y軸切點(diǎn)的。第四，教師在講解中沒有重點(diǎn)，總想將示波器的原理、功能講解清楚，其實(shí)，示波器重在使用，一部分不常用的功能不需要介紹，比如FFT運(yùn)算。重點(diǎn)在于信號(hào)的測(cè)量，給定一個(gè)信號(hào)，測(cè)出信號(hào)的頻率、周期、幅度。第五，教師的講解只有一次，學(xué)生吸收的內(nèi)容有限。

2 示波器實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

針對(duì)上述情況，我們對(duì)示波器實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖1所示，可以將講解分為線上講解與現(xiàn)場(chǎng)講解兩種，現(xiàn)場(chǎng)講解，注重如何接通信號(hào)，信號(hào)的調(diào)節(jié)，信號(hào)怎么測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)講解可以把電信號(hào)的測(cè)量過程完整的展示給學(xué)生，讓學(xué)生有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)。不僅僅包括示波器的使用，而且還包括信號(hào)發(fā)生器的使用。另一種是線上視頻講解，注重按鍵功能的講解，不強(qiáng)調(diào)信號(hào)的調(diào)節(jié)與測(cè)量。先介紹各個(gè)主要的區(qū)，比如垂直控制區(qū)和水平控制區(qū)，再介紹具體的按鍵功能，比如垂直控制區(qū)的scale按鍵是改變豎直方向上每個(gè)方格的單位，并且單位顯示在屏幕下方，可以通過數(shù)方格來測(cè)量電壓的大小。這樣做的目的是讓學(xué)生可以反復(fù)觀看，熟悉各按鍵的作用。線上視頻的作用是讓學(xué)生自學(xué)，或者說通過視頻的方式，降低學(xué)習(xí)的難度，增加學(xué)習(xí)的方便性和趣味性。

圖1 示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.1 線上視頻講解

可以錄制兩段視頻放在線上平臺(tái)，第一段視頻是講解示波器的主要按鍵功能，便于學(xué)生重復(fù)觀看。第二段視頻是引入信號(hào)的概念，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行介紹，包括各種光信號(hào)，聲信號(hào)等等，絕大部分情況下信號(hào)都是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，所以電信號(hào)的顯示尤為重要，而電信號(hào)的顯示其中一部分是通過示波器來顯示的。比如我們?cè)诮虒W(xué)中就引入引力波信號(hào)的探測(cè)與研究。在拓展教育的同時(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)重要性的認(rèn)識(shí)。這一部分內(nèi)容可以自由設(shè)計(jì)，視頻的時(shí)間不易過長(zhǎng)，有助于學(xué)生觀看完整視頻和反復(fù)學(xué)習(xí)。線上視頻要有線上平臺(tái)支持，我們?cè)趯?shí)踐中選擇超星學(xué)生通平臺(tái)，該平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)教師的每門課程都有自己平臺(tái)，且集中了各種教學(xué)手段，有助于教學(xué)的多樣性，學(xué)生學(xué)習(xí)方式的多樣化。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)講解流程設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)講解的流程圖，如圖2所示。

圖2 示波器實(shí)驗(yàn)線下講解設(shè)計(jì)

2.2.1 引子

引入信號(hào)概念，比如我們用的市電是直流電還是交流電？怎樣檢測(cè)市電是交流電呢？如果是交流電，那么是什么波形，是方波還是三角波還是正弦波，怎么證明呢？當(dāng)然可以用其他方式來引入信號(hào)的概念。這里只是舉例。

2.2.2 從示波器的應(yīng)用說起

首先要讓學(xué)生明白是用來看電信號(hào)的波形的，是用來測(cè)量電信號(hào)的儀器，示波器的原理反而是其次的，關(guān)鍵是要會(huì)使用示波器來測(cè)量電信號(hào)。

2.2.3 介紹電信號(hào)的兩個(gè)輸入端

示波器從信號(hào)發(fā)生器的輸出端接入信號(hào)，介紹信號(hào)發(fā)生器的使用，要是頻率、周期、幅度、相位的調(diào)整。示波器實(shí)驗(yàn)中不僅用到示波器，還用到了信號(hào)發(fā)生器，要求學(xué)生能夠掌握兩種儀器的使用方法。

2.2.4 接入信號(hào)后怎么顯示

第一要確保有信號(hào)，第二要打開該通道的開關(guān)，如果沒有信號(hào)，最簡(jiǎn)單的方法是按下AUTO鍵，示波器自動(dòng)將信號(hào)顯示出來。

2.2.5 圖表的觀察與測(cè)量

觀察波形，并測(cè)量波形的頻率、周期、和峰峰值。在測(cè)量過程中，學(xué)生對(duì)兩個(gè)問題會(huì)感到疑惑，第一個(gè)是，圖形大小的改變，在調(diào)節(jié)單位的時(shí)候，圖形的大小會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)學(xué)生認(rèn)為是電信號(hào)發(fā)生了變化產(chǎn)生的，在這里就需要給學(xué)生們介紹電壓?jiǎn)挝缓蜁r(shí)間單位的問題。讓學(xué)生知道示波器上y軸代表的是電壓，x軸代表的時(shí)間，每格的單位可以調(diào)節(jié)，通過旋鈕調(diào)節(jié)，最后重點(diǎn)介紹measure鍵和cursor鍵，測(cè)量信號(hào)的電壓與周期。

2.2.6 介紹觸發(fā)源與X、Y信號(hào)合成功能

2.2.7 李薩如圖形

著重介紹x軸信號(hào)與y軸信號(hào)疊加的概念，可以在線上平臺(tái)錄制一段關(guān)于信號(hào)疊加的視頻，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)。同時(shí)說明圖形與x軸、y軸切點(diǎn)與x軸、y軸頻率的關(guān)系。

數(shù)字示波器的操作相對(duì)于模擬示波器來說是簡(jiǎn)單一點(diǎn)，但功能會(huì)更加的強(qiáng)大。本文總結(jié)多年示波器實(shí)驗(yàn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了示波器的教學(xué)流程，通過線上視頻與現(xiàn)場(chǎng)講解的結(jié)合，使學(xué)生能在有限的時(shí)間內(nèi)更好的掌握示波器的操作。