有效利用报废实验设备为学生提供创新实践平台

陈 璨， 李 林， 刘复玉， 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)



有效利用报废实验设备为学生提供创新实践平台

陈 璨， 李 林， 刘复玉， 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

电子技术实验仪器和实验箱是学生完成电子技术实验的硬件基础,由于老化及技术进步等原因需要定期更新和报废。通过将成批报废的旧设备作为学生实习、课程设计等硬件平台,同时鼓励和引导学生参与实验仪器和实验箱的日常维护和维修,参与开发和自制新的实验设备,不仅可以使学生了解实验设备的工作原理、消除对实验设备的神秘感、提高动手能力,同时实现了废物利用,节约了成本。

报废实验设备； 自制仪器； 设备改造； 创新实践平台

教学实验仪器和设备是高等院校进行教学、科研和对外提供服务的硬件基础,在培养学生的动手能力和掌握理论知识中具有非常重要的作用。每年学校为实验教学投入了大量的资金,购置了很多实验设备[1-3]。与此同时每年有大量的电子设备和仪器需要报废,这些仪器有的是因为技术落后或者课程的改革不再适合教学的需要,有的是因为到了报废的年限。这些仪器设备经过报废程序报废后,通常是由相关的企业进行回收和拆解,报废仪器设备的残值很低,几百万的设备可能回收价格只有几万元。如何充分挖掘报废实验设备这一潜在的“金矿”,充分利用报废实验设备这一硬件资源,在实验硬件成本的节约和题目丰富、学生动手能力培养、实验技术人员业务能力的提升等方面都有很重要的意义[4-5]。

1 报废实验设备处理现状

以我校信息与控制工程学院实验教学中心为例,教学中心承担全校的电类基础课程的教学任务,拥有30多个实验室、价值数千万元的实验仪器和设备,每隔几年就需要购入新设备、淘汰旧设备。通常在购入新设备前,必须先报废已有的旧设备。2014年实验中心共有便携式开放教学实验箱、数字电子技术实验箱、现代电工电子实验系统、电工技术实验装置等多种实验仪器设备需要报废,总价值700多万元。这些需要报废的旧设备首先由学院向学校递交报废申请,学校批复后由资产设备处进行公开招标,然后由相关的回收企业进行回收再利用。这是大多数学校处理报废设备的正常流程。

废旧设备和仪器直接报废掉实在可惜,因为对于同一批次的仪器设备,虽然有的因损坏和使用寿命等原因不再适用于正常教学,但也有部分设备和仪器还可以正常使用,但因为限于设备仪器报废和管理制度等原因,如果不进行报废,新的仪器和设备无法购进，影响正常教学。如何能在不影响正常购入新设备的前提下,同时继续发挥废旧设备的余热,使之继续服务于学生的培养。经过沟通协调,在不影响正常设备购置和报废程序的前提下,部分需要报废的仪器设备退出日常教学后可以不用马上处理掉,而是转为学生实习和实践的硬件平台基础,这样不仅可以实现废物利用,节约实习的硬件成本,而且可以从更高水平上培养学生的综合能力。

2 报废实验设备和实践实习硬件成本的节约

利用报废实验设备实现废物利用,可以作为动手练习等实践环节和毕业设计的硬件基础,克服传统设计内容因硬件条件不足,题目类型少、题目雷同、仿真多动手少等问题[6-9]。

每年我校有10多个专业、30多个班级需要进行电子技术实习,因为专业不同，实习的题目和内容也差异很大,实验中心每年需要花费大量的实验经费准备各种实验耗材和设备,但还是不能满足各方面对硬件的需求。限于硬件条件,每年实习的题目受到很大的限制,部分甚至不得不用软件仿真来代替,直接影响了实习的效果,背离了培养学生动手能力的初衷。

例如每年收音机的装配与调试、冰箱保护电路的设计等,虽说题目及内容不错,但年年做没有新意,学生容易抄袭等问题一直存在,同时题目与实际需求也有一定的距离。我们很早就注意到了这个问题,但限于经费条件一直没有走出这个困境来[10-11]。如果把报废的实验仪器设备作为学生的实习平台,根据报废设备的特点和种类,开设一些新的实习实践题目,例如掌握设备的工作原理、画出对应的电路原理图、仪器故障的查找和维修等,不但丰富了实践实习的题目,也节约了实习经费。例如目前我们根据报废示波器开出的实习题目——示波器的工作原理和结构组成,根据报废电路实验箱开出的题目——电路实验箱的内部结构和故障分析等。因为这些报废的仪器设备与日常实验所使用新的仪器设备的原理和功能接近,学生很熟悉。另外，一批报废设备中可能有功能完好的、有损坏的,故障的原因也是互不相同的,学生可以进行比较和模仿、用替换法查故障等,容易上手和入门,学生比较感兴趣。这不但培养学生的分析能力和动手能力,同时也克服了学生对实验仪器的神秘心理和畏惧心理。

3 报废实验设备和学生综合能力培养

有效利用报废实验设备和仪器,除了可以缓解实验经费紧张、硬件短缺等问题,更重要的是每一台废旧设备都是一个具体的系统,其内部的结构、设计都有其独到之处,给学生提供了一个难得的解决实际问题、培养综合能力的硬件平台。学生的培养是一个循序渐进的过程,我们按照时间节点、涉及内容、涉及范围等方面，从低到高进行内容设置和安排。图1为培养内容设置结构简图。利用报废实验设备和仪器这一平台,学生可以实现“仪器设备工作原理、内部结构的了解”“仪器设备的维修和维护”“改进现有设备、研发新设备”这一渐进的学习过程,符合学生的认知规律[12]。

图1 综合能力培养内容设置结构简图

3.1 仪器设备工作原理、内部结构的了解

对学生来说,以前正常的实验教学中,学生只是实验仪器和设备的使用者,只知道仪器和实验箱的功能和使用方法,对内部的结构一无所知,遇到一些实验现象不知所措。针对这种情况,我们在刚做完相关实验的暑假小学期里,创造性地把报废实验设备和仪器引入实践和实习环节,实现学生从仪器设备使用方法的外部学习到仪器设备内部原理的学习,是学习内容的进一步深化,对培养学生观察能力、分析问题能力、实际动手能力都有不可替代的作用[13]。以示波器为例, 通过拆解报废实验设备,可以了解其内部结构,给学生提供了难得的实习机会。以前只能讲原理、看示意图等,然后就是使用方法,因为价格昂贵,不敢随意拆卸,不能看到内部的结构。现在可以随意拆卸报废的示波器,可以详细地了解实物的形状、电路的布局、功能的划分,这对学生以后从事相关的工作有很重要的启示作用。

3.2 仪器设备的维修和维护

利用报废的实验箱作为学生实践实习的平台,培养了一批动手能力强、熟悉常用仪器内部结构和功能的学生。因为基础实验室的设备和实验箱使用频繁、维护工作量大,实验室维护人员人手紧张,而这些维护工作有些是重复性的、相对简单的工作,是部分理论基础扎实、动手能力强的学生可以参与完成的。我们积极鼓励学生参与实验室管理和建设,鼓励学生通过勤工俭学的方式参与仪器的维护和维修。通过这种形式,不但降低了维修成本,而且学生动手能力和解决实际问题能力得到很大的提升[14]。

在对实验设备故障进行诊断时,采用教师在旁指导、学生动手的形式,抓住细节,把握整体,进行针对性的维护。另外维修人员根据自己的维修经验设置一定难度的故障,引导、启示学生自己去思考问题和解决问题,更具有普遍性和实用性,学生综合能力自然而然地得到提升。在学生具体操作时,因现代电子仪器价格昂贵,为了避免学生紧张,不敢修、不会修、怕承担责任,可以先通过对报废实验设备的维修获取实际经验,然后在正常使用的仪器上操作,不用担心承担维修失败的压力。总之在维修时,尽可能让学生参与进来,不但能降低维修成本、促使使用人员下次使用时正确地使用设备,提高学生的动手能力,而且进一步地克服了学生对实验仪器的神秘心理和畏惧心理。

3.3 改进现有设备、研发新设备

改造和自制实验设备是高等院校实验室工作的重要内容之一。通过对所需设备的自制,可使教师和实验人员加深对设备的了解,提高其业务水平。更重要的是,通过让学生参与设备改造和自制过程,师生共同改进现有设备、研发新设备,能充分发挥学生的积极性和创造性。学生是仪器设备的使用者,对仪器设备的优点和缺点最有发言权,他们能根据自己的使用情况提出合理化的建议,而且在研制过程中他们能够自觉地查找技术资料以解决制作过程中遇到的问题,能够充分挖掘学生的潜力,同时弥补了教学仪器的不足,使其更适应实验室和专业实训的需要[15]。

例如我们在指导学生做实验的过程中,发现部分学生在遇到问题时常常手足无措、无从下手，不知道如何解决，而有些问题具有普遍性和相似之处。因此，我们设想在相关电路的课程实践教学中, 通过调研和总结学生平时做实验所常犯的典型错误,故意设置故障让学生去检查、排除故障，提高他们分析和解决实际问题的能力。然而现在的电子技术实验箱主要强调功能的全面性、可做实验题目的多样性,很少有针对强化学生分析电路、查找电路故障的实验箱。因此在现有电路实验箱的基础上,设计一种具有故障点设置和监测功能的电子技术实验箱就显得很有意义。

基于以上原因,通过与部分动手能力强、理论基础扎实的学生进行交流,认真听取其合理化建议,把新实验箱的研制作为大学生创新计划和毕业设计的课题进行研究:在现有废旧电子技术实验箱的基础上,通过增加微控制器和外围的电路,实现电路信息的采集和信号的切换,以此来模拟学生在做实验过程中常遇到的故障,提醒学生在做实验的过程中,如何避免犯错误,提高实验的效率。通过为实验箱添加无线通信模块,可以利用计算机实时控制实验箱故障点的设置和切换,同时通过采集实验箱故障点的状态信号,可以随时掌握学生实验的进度,实现对学生实验过程的监测。系统的总框图如图2所示。实验室服务器监控画面如图3所示。

图2 智能实验箱系统总框图

在这一研制过程中,我们根据研制的内容进行功能划分,有的功能模块难度较大,由实验教师主导,学生进行配合；而有的功能模块相对简单,教师只是提出总体功能要求,学生进行具体设计并实施,遇到问题时师生共同努力解决。通过师生共同研制实验设备,让学生参与制作的全过程,给学生提供了动手实践以及勤工俭学的机会,达到了“在练中学,在学中练”的目的,不但节约了成本,学生又获得了必要的实际操作技能及工程实践能力。

4 报废实验设备和实验技术人员业务能力的提升

充分利用报废实验设备,不但对培养学生动手能力和工程实践能力非常有益,对实验技术人员来说也是获益匪浅。仪器设备更新换代很快,现代电子仪器价格昂贵,实验人员不敢修、不会修、怕承担责任。通过研究报废实验设备吸取经验,可以提高教师自制实验仪器的水平,有利于专业人才队伍的培养。此外，由于我们参与新实验平台研制,全面掌握了实验平台性能,一旦出现问题,则可以立即判断原因,及时排除故障,既不会对教学产生影响,又有利于仪器的及时维修和技术上的优化和升级。

图3 监控上位机主界面

5 结语

电子技术实验仪器和实验箱是学生完成电子技术实验的硬件基础。通过将成批报废的旧设备作为学生实习、课程设计等硬件平台,所学的理论知识在实验仪器和实验箱上得到验证和实现。例如数字电路实验箱的脉冲源,就是数字理论课所讲授的NE555 振荡电路产生的,电路实验箱上的受控源、恒流源恒压源都是利用模拟电路的典型运放电路实现的。通过查看实验箱的内部结构,学生都有一种恍然大悟、原来如此的感觉,实验箱不再神秘、所学都是有实际用处的。同时鼓励和引导学生参与实验仪器和实验箱的日常维护和维修,参与开发和自制新的实验设备,并将其产品转化为下一届学生的实验器材,不仅可以使学生了解实验设备的工作原理、消除对实验设备的神秘感、提高动手能力,同时实现了废物利用,节约了成本。

References)

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[15] 腾利荣，孟庆繁.高等教学实验室管理[M].北京:科学出版社，2008.

Effectively using scrapped experimental equipment to provide innovative practical platform for students

Chen Can, Li Lin, Liu Fuyu, Ren Xuhu

(College of Information and Control Engineering， China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Electronics test equipment and experimental tank are the basic electronic hardware technology for students to complete experiments, because aging and technological progress need to be updated regularly and scrapped. By using bulk scrapped old equipment for students’ internships, curriculum design, hardware platforms, this article encourages and guides students to participate in the experimental instruments and experimental tank routine maintenance and repair, and participate in the development of new self-made experimental equipment, which enables students not only to understand the experimental principle, eliminate the mystery of experimental equipment, improve their ability, but also to realize the waste utilization and cost savings.

scrapped experimental equipment; self-made instrument; equipment modification; innovative practical platform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.010

2016-05-12

山东省重点教改项目“基于能力培养的电工电子学课程体系与教学模式的探索与实践”(2015Z025)；校级实验教改项目“具有故障点设置功能的数字电路实验箱研制”(YJ-A201624)

陈璨(1978—)，男，四川南充，硕士，实验师，实验教学中心副主任，主要研究方向为智能信息处理，计算机测量与控制.

E-mail：upcll@163.com

TP273

A

1002-4956(2016)11-0037-04