实验教学中不断改造和创新实验设备

尹光明， 肖 军， 江彬慧

(东北大学 a. 信息科学与工程学院; b. 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110004)



·仪器设备供应与管理·

实验教学中不断改造和创新实验设备

尹光明a， 肖 军a， 江彬慧b

(东北大学 a. 信息科学与工程学院; b. 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110004)

实验设备是实验教学的物质保障。性能优异的实验设备在科学实验、培养学生创新精神、提高工程实践能力方面起到举足轻重的作用。高校在购置设备时设备指标设定过高，导致实验设备很多高端功能闲置不用，以致浪费大量经费的现象比较普遍。又因为设备指标设定过低或不合理，导致产生人身事故、实验数据误差过大、设备故障频发等现象。在长期的实验教学中根据安全性、可靠性、精确性、可扩展性的原则改造和创新实验设备，逐步建立实验设备合理的技术指标是切实可行的解决方案。东北大学国家电工电子教学示范中心经过3年时间的跟踪研究，制备的第5代电子技术综合实验箱在安全性、可靠性、精确性、可扩展性上得到了显著提高，受到了师生广泛好评。

实验设备; 技术指标; 实验教学

0 引 言

实验教学作为培养优秀工程师的重要环节，受到教育界广泛重视。而科学、规范的实验教学离不开高质量的实验教学设备[1-3]。作为优质的教学资源，性能优异的实验设备在科学实验、培养学生创新精神、提高工程实践能力方面起到举足轻重的作用[4-8]。而优质的实验教学设备需要经过长期的实验教学中改进和创新才能逐步成型。

实验设备一般分为两种类型，① 通用型实验设备如示波器、信号发生器等。这一类设备有严格的国际标准和国家标准，知名厂家的产品又大多通过CE,UL等质量认证，所以只要品牌选择得当产品的安全和性能是得到保证的。② 定制型实验设备。这一类设备主要是实验设备厂商根据客户的需求自行设计和制造。实验室经常用到的各类实验箱和实验台属于这一类设备。因为产量不大，又是短时间内自行设计制造，如果技术层面把关不严很容易产生质量问题。全国频发的实验事故多与此类设备有关。因为实验教学的多样性，现行的《实验室教学仪器设备安全标准》很难把安全、性能、结构等要求全部囊括进来。因此，在实验教学中逐步改造和创新实验教学设备，并不断在教学实践中进行验证，逐步积累实验设备的各项技术指标是制备高质量的实验设备的必经之路。

东北大学国家电工电子教学示范中心使用的电子技术综合实验箱已发展到第4代，2009年起，针对实验教学中产生的各种问题，先后进行了50多项的改造和创新，并不断在教学中验证了改造和创新的合理性，使设备在安全性、可靠性、精确性、扩展性等方面得到了显著提高，为课程实验、课程设计、创新性设计、工程实践奠定了坚实的物质基础。根据长期、广泛的实践验证基础上，2012年定制了70台第5代电子技术综合实验箱，获得了实验教师和学生的一致好评。

1 基于安全性的实验设备改造

实验教学中保证学生的人身安全是最基本的诉求。电气设备虽然有各种国家安全标准，但大部分为通用要求，并不适应特定的教学设备。又因为实验设备的操作者大部分为初学者，所以对设备的安全提出了更苛刻的要求[9-10]。针对各种类型的定制型实验设备，只有一线实验教师不断地在实践中摸索和研究，才能逐步提高设备的安全性能。

电解电容设置不当将引发爆炸，危及人身安全。有一次做模拟电子《集成稳压器》实验时，滤波电容突然爆炸，爆炸物直接打到学生眼镜上，非常危险。虽然这样的事情极其罕见，但引起了我们高度重视。经过排查，发现是学生接反了电解电容的极性。为了培养学生的工程实践能力，实验要求学生自行设计并且自行连接电路。为提高实验设备的安全系数，在排除安全隐患的前提下容许学生犯错误是唯一可行的方法。这也是研制实验教学设备的难点。经过反复的实验，发现电解电容爆炸时，电解液从两端排出，器件圆柱体基本不受损，并且电解电容的耐压值提高到原值的两倍以后，即使爆炸电容两端只是微微鼓起，不至于有电解液爆出。因此根据实验数据提高了电解电容的耐压值到50 V，放置器件时电解电容端口平行于电路板而不是朝向操作者。经过两项改进，至今未发现类似安全隐患。

机械结构设置不当，将引发安全事故。电子技术实验箱为上下箱体用活页连接起来的箱体结构，打开以后上部箱体可以做模拟实验，下部箱体可以做数字实验。这样设计既节省了空间，又可以做数电模电混合实验，不失为一个好的构想。问题是学生做完模拟实验以后拆除连接线时，因为自锁紧插孔连接非常紧密，上部箱体突然倒下极易导致学生手指受伤。学生也认识到了这个问题，拆线时一只手扶着上部箱体另一只手拔出连接线，极不方便。实验箱既要保证打开方便，又要保证打开以后坚固可靠。经过各种机械结构的设计和验证，圆满地解决了该项问题。现在的实验箱打开以后，不经过特殊处理想合上是不可能的。

独立变压器应配置过流保护装置。电源实验中各种器件都是单独提供的，学生根据自己的设计用导线连接成系统。因此变压器本身不带过流保护装置。学生如果设计不当或者接线错误将产生过流现象，导致箱体发热，线路烧毁等现象。在变压器输出端子设置自恢复保险丝，就能很好地解决该问题。

此外，模电箱体和数电箱体各用独立电源，学生实验时经常要插拔电源线；箱体配重不合理导致实验箱容易翻倒等诸多安全隐患得到了较好的改进。

2 基于可靠性的实验设备改造

产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力称为可靠性。可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素[11-13]。有的实验设备用了10年以上性能还是有很好的保证，而有的设备用了1年以后性能急剧下降，产品的可靠性差别由此可见。而这些差别在产品的技术指标上是看不出来的，只有通过长期的使用经验才能辨别出来。

电路板长期震动幅度过大，将会导致焊点产生裂缝，造成虚连现象。电子技术综合实验箱刚制作出来时，只要连线没有问题一般都能做出实验结果。但是使用年限一长，即便实验设计得当接线无误，也未必能做出实验结果。经研究发现，实验箱电路板产生了虚连现象。电子设备的检修中这一类问题是很难发现的，实验课时内马上解决这些问题时间上也是不允许的。因为这些故障时好时坏，不是固定地表现一种现象。此类故障严重影响实验教学质量。经过大量的维修经验的积累，确定实验中反复插拔连接线造成实验电路板持续震动是产生虚连的根本原因。实验箱的电路板尺寸为33 cm × 40 cm,如果增加厚度成本成倍增加，后期元器件焊接时也会碰到很多工程问题。增加电路板支撑立柱，能较好地解决这一问题，但是增加几个，在哪个位置上增加又跟整个电路系统有关系。经过反复调试和验证，确定了支撑立柱的个数和位置，较好地解决了线路虚连问题。

单次脉冲要符合各种芯片的触发要求。单次脉冲在计数器，触发器，可编程逻辑器件等实验中广泛应用，是一个既简单又实用的设备单元。实验教学中经常发现单次脉冲反应不一的情况，有时记1个脉冲，有时记2或3个脉冲，很容易造成实验结果的混乱。每按一次按钮，发出1个标准脉冲是基本要求。经研究发现按钮质量不过关，扛抖设计不合理是问题的原因。

此外，接线插孔容易脱落；芯片插座长时间使用容易产生松脱；数码管显示译码器选择不当等问题都得到了良好的解决，实验箱的可靠性得到了大幅提高。

3 基于精确性的实验设备改造

实验结果的精确性是实验科学的生命。实验设备应为实验结果的精度提供设备保障[14-16]。实验结果的分析中可以发现很多影响精度的实验设备问题。

模电实验箱中各种分立器件设置不当造成实验数据误差过大。模电实验中电阻、电容、二极管、三极管等分立器件装在材料盒提供给学生，学生根据自己的设计把相应的器件插入到模电电路板上做实验。这样做可以培养学生认识器件、鉴别器件、设计灵活等优点。问题是模电电路板上设置的插孔很难与器件紧密连接，导致线间电阻增大，严重影响了实验数据的精度。有的实验数据误差甚至达到50%以上，问题非常严重。不但要保证原设计的优点，又要保证实验精度是改造的难点。元器件焊接在电路板上能保证实验精度，但有些器件极易损坏，实验中经常要更换，焊接在板上显然是不合适的。另外分立器件数量众多无法全部焊接到模电电路板上。经过对所有模拟实验的分析，优化了分立器件的标称值和数量。确定可调电阻为14个，定阻电阻为60个，电容为30个，二极管为6个，其他器件若干个。而这些器件又分类成易损器件和不易损器件，不易损器件直接焊接在电路板上，易损器件用德国菲尼克斯接线端子紧固地连接到电路板上，完美地解决了长期困扰实验教学的老大难问题。学生对改造后的实验设备反响热烈，实验好做了，实验结果也好处理了。

4 基于扩展性的实验设备改造

实验设备的改造要充分考虑今后课程的发展，综合设计性实验的需求，课程设计的改革。因为一旦设备设计成型制造出来，在实验室里一般要用到5～10年时间。

根据实验教学的发展，增设必要单元。第4代电子技术实验箱所设置的芯片座，可调电阻，数据开关、数码管数量已无法满足教学需求。根据不同的实验，实验教师一次要更换上百个芯片、电阻等器件才能保证正常的教学进程。为了解决这一问题，又配置了不少实验子板。随之又带来了诸多安全隐患。因此，对实验课程深入研究，合理规划器件配置才能根本性地解决上述问题。第5代电子技术实验箱上设置了22个芯片座、14个可调电阻、60个定阻电阻、30个电容和诸多器件，淘汰了一切实验子板。经验证，大幅降低了实验教师的劳动强度，提高了学生综合设计性实验的自由度。

5 创新实验教学设备

工程技术的发展日新月异，课程改革随之不断进展。开发适合于课程改革的实验项目，创新相应的实验教学设备是实验改革的新课题。

根据课程需求创新了通用可编程逻辑器件实验设备。可编程逻辑器件相关课程内容的发展，要求开发相应的实验项目。根据广泛的调研，确定了LATICE公司的开发平台和GAL22V10C器件，并制成了实验板。实验内容的编写，实验课件的制作，参考资料的选定，实验板的可靠性验证等相关工作是必不可少的。刚开始作为实验子板在第4代电子技术实验箱上配套使用，发展到第5代时直接嵌入到数电电路板上，提高了安全性、可靠性。因此，创新的实验设备也需要在实验教学过程中不断改进和完善。可编程逻辑器件实验使学生了解到了器件的整个开发过程和验证过程，产生了很好的教学效果。

6 改造和创新的实验设备在教学中的应用

(1) 实验设备的安全性能得到了大幅提高，有效保障了学生的人身安全。

(2) 模拟电子实验的实验精度得到了有效改善，实验数据基本吻合理论计算。

(3) 实验教师的工作强度得到了有效改善。因为改造后的实验平台上不需要更换芯片、电阻等器件也能完成所有实验。

(4) 学生可以在实验箱上做验证性实验、综合设计性实验、课程设计，有效提高了工程实践能力。

(5) 长期的实验教学中逐步积累了实验设备的技术指标，在定制第五代电子技术综合实验箱的招投标谈判过程中，占据了绝对的优势，不但为学校采购了优质的教学设备，保障了实验教学的教学质量，而且节省了大量设备购置费。

7 结 语

特定的实验教学设备只有教学一线的实验教师不断在教学过程中发现问题、解决问题、验证结果，才能逐步建立起完备的技术体系。实验设备的改造过程中如果按照安全性、可靠性、精确性、扩展性的原则去改进，将会得到更好的效果。随着工程技术的发展，实验设备也应该不断改进、完善，才能提高实验教学质量，提高学生的工程实践能力。

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The Improvement and Creation of Laboratory Equipment in Experimental Teaching

YINGuang-minga,XIAOJuna,JIANGBin-huib

(a. College of Information Science and Engineering; b. College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Laboratory equipment is the material security in experimental teaching. High performance laboratory equipment plays an important role in scientific experiments, improvement of the creativity of the students and engineering practice ability. When universities buy their equipments, the indicators are set too high. It may lead to a lot of advanced features of the experiments to be not used, hence, many funding is wasted. On the other hand, if the indicators are set too low, it may lead to personal accidents, more errors in the experiment, and the high frequency of the experiment failure. The solution of this problem is to establish reasonable indicators of the laboratory equipment by the long-term experimental teaching under the principle of safety, reliability, accuracy, scalability, reform and creation of the laboratory equipment. Through three years tracking research, the fifth generation electronic technical comprehensive experiment box prepared by Northeastern University national electrical and electronic teaching demonstration center has been improved in safety, reliability, accuracy, scalability, and praised by all teachers and students.

laboratory equipment; technical indicators; experimental teaching

2014-12-25

国家自然科学基金资助项目(51278090); 东北大学本科教育教学改革研究项目(201406b)

尹光明(1972-)，男，辽宁沈阳人，硕士，工程师，主要研究方向为嵌入式系统教学与研究。

Tel.：024-83678458; E-mail：1140345664@qq.com

G 642.0

A

1006-7167(2015)10-0267-03