实验设备自修在高校教师工程教学中的应用探究

戴圣伟， 刘善球， 李毅梅， 龙海轩

(湖南工业大学 电气学院, 湖南 株洲 412007)

0 引 言

李克强总理提出的“大众创业，万众创新”和国家实施高校“双一流”战略，是我国高等教育质量发展和赶超世界一流水平的重要契机[1]。在此背景下，高校实验室工程教学成为了激励教师教学内容与方法创新的突破口之一。其中，“实验设备自修”是实验室工程教学改革创新、突出学生应用技术能力、科学创新能力和实际工程能力培养的主要途径。一系列用活实验室资源、培养学生应用技术能力、科学创新能力、实际工程能力的成果亦充分展示了实验设备自修功能重构的价值导向，能精准体现 “重理论、重应用、重创新、重实际工程能力”教学方法的创新[2-3]。尝试以单管放大器自修为例，演绎“实验设备自修”对学生理论基础、应用技术、科学创新、实际工程能力贯通培养的逻辑关系。这也顺应了用活实验室资源的教学改革和激励教师提升实践教学能力与水平的发展需要[4-5]。

1 单管放大器自修

单管放大器是电学实验的基本单元，要求学生在课堂教学的基础上进一步认知单管放大器的工作原理与设计技术标准。自修的逻辑路径是在教师的教学内容分段设计指导下，突出学生的主动参与、深度融合；形成 “学中做、做中学”的研究平台；积累实验室科学探索经验；探微知识原理、技术应用、创新心得与科学思维；最终贯通学生的理论基础、应用技术、实际工程能力及科学创新思维[6]。

从单管放大器的原理与故障分析入手，展示单管放大器自修的基本技术路径。

单管放大器正常工作时，在US端接入正弦信号，以f=1 kHz、Ui=10 mV、IC1=2 mA为例，在输出端得到放大的、反相的输出信号(见图1)；图1的原理电路见图2所示。图2中单管放大器包括：核心放大元件3DG6；偏置电阻RB1、RB2、RC1、RE1；输入电容C1；输出电容C2；射极旁路电容CE1；负载RL。

图1 单管放大器正常工作实物图

图2 单管放大器原理图

1.1 单管放大器正常工作参数及变化范围

单管放大器正常工作参数由静态参数、动态参数两部分构成；静态参数主要由三极管3DG6三电极电压确定：基极电压UB、发射极电压UE、集电极电压UC；动态参数主要观察输入信号US、输出信号Uo波形是否正常。

(1) 3DG6静态参数及变化范围。根据图2、三极管的电学特性及基尔霍夫电压定律，3DG6三电极静态电压理论值计算方法如下：

β由3DG6参数表可查出。

根据式(1)～(6)，并调节图2中的RW1，可得UB、UE、UC的各工作状态时的电压及电压变化范围，见表1所示。图2中的3DG6若要正常工作，各电极电压变化应在表1的电压范围内。

表1 静态电压表(Ui=10 mV，f=1 kHz)

在3DG6静态参数获取期间，学生应根据实物电路，绘制相应的原理电路及3DG6三电极电压的理论计算；此阶段有效训练了学生实物电路器件与原理电路器件的对应及电路理论参数计算能力。学生应以3DG6静态参数学习方法为例，依据自身实际，将之扩充至实践学习的各方面，为应用技术能力、科学创新能力进阶打下坚实的理论基础[7-8]。

(2) 3DG6动态参数及变化范围。图1中单管放大器的动态是否正常，有效的方法是观察US、Uo的波形。调节RW1，使实验静态参数分别与表1中“接近截止”列和“接近饱和”列数据相符(见图3、图4实验波形)“正常工作”列波形见图1。即3DG6工作于正常动态范围时，Uo变化应在图3、图4中Uo波形变化范围内[9]。在3DG6动态参数获取期间，学生应完成理论计算数据与实验波形的对应、掌握理论数据与实验数据差别的原因及微调的方法；此阶段有效训练了学生理论联系实践的能力、实验设备的应用能力、实验数据的分析能力。将此方法扩充至其余实践学习中，为应用技术能力、科学创新能力进阶打下坚实的实验基础[10-11]。

图3 接近截止工作波形图

图4 接近饱和工作波形图

1.2 单管放大器故障分析

(1) 静态故障分析。

例1测得单管放大器静态工作电压如表2所示，工作波形如图5所示。试根据式(1)、(2)、(6)，分析电路的故障原因，并修复单管放大器。

表2 单管放大器故障数据

图5 单管放大器故障波形图

分析表2中，UB、UE存在0.69 V电压差，式(2)成立，表明3DG6发射结工作正常；UE两端有少量电压，说明RE1有微量电流流过，RE1故障率低；RB2与RB1及并联等效电阻分压正常，式(1)成立，说明RB1、RB2正常；RC1色环电阻表面无异常，说明RC1故障率低；比对表1中数据，表2中UC电压明显异常，根据式(6)：UC=12-IC1RC1，只有IC1为零，表达式才成立；综上排除分析，唯有3DG6集电极发生断路方符合实验数据。焊下3DG6，经检测，确属3DG6集电极内部断路，更换3DG6，工作波形恢复如图1所示。

其余静态故障，均可依据三极管工作时三电极的静态电压值及式(1)、(2)、(6)分析，找出故障原因。更换故障器件，修复单管放大器。

(2) 动态故障分析。

例2测得单管放大器静态工作电压如表1“正常工作”列所示数据，工作波形如图5所示。试根据式(1)、(2)、(6)分析电路的故障原因，并修复单管放大器。

分析例2中静态工作点正常，符合式(1)、(2)、(6)；而Uo无波形输出，排除信号源除障；电阻R表面无异常，R故障率低；余下只有可能是信号要么无法通过C1，要么无法通过C2；即C1或C2失效(断路)。经检测，C1与电路板虚焊，固焊后，电路工作恢复正常。其余动态故障，均可依据观察及检测电阻R、C1、C2，快速找出故障原因。更换故障器件，修复单管放大器。

单管放大器故障分析期间，学生得根据故障数据结合理论公式，分析故障原因，解决故障问题。此阶段的持久训练，将极大提升学生的实际工程能力[12-15]。

2 实验设备自修对学生能力的培养效果

(1) 应用技术能力培养效果。马溪遥、王斐、吴浪队获2014年湖南省大学生电子设计竞赛一等奖。

彭伟强、刘明旗、谢云队获2014年湖南省大学生电子设计竞赛三等奖。

(2) 科学创新能力培养效果。王斐，张超，夏炜杰等学生获批国家实用新型专利“一种基于MSP430G2553的自动增益放大器”(专利号：ZL2015206979627)。

骆娇项目组获批国家级大学生创新训练项目立项——天煌DZX-3电子学综合实验装置模电部分改进设计与实现(201611535004)。

肖刚毅项目组获批国家级大学生创新训练项目立项--多通道参数采集智能空气净化器(201611535005)。

(3) 实际工程能力培养效果。近2年内，完成校内实验设备多批次自修220台(套)。

3 结 语

高校实验设备自修是工程型教学方法创新的一种有效范式，对实现高校应用人才培养的质量、水平的提高有显著的促进与借鉴意义。其中，静态参数重在培养学生对理论的融会贯通、基本分析方法的掌握，为应用技术能力、科学创新能力的提升储备理论基础；动态参数重在培养学生实验设备应用能力、数据分析能力；为应用技术能力、科学创新能力的提升储备实验基础；故障分析则重在培养学生在现有知识储备上，综合理论基础、实践经验探索符合实际的最佳解决方法，以达到实际工程能力的全面提升。高校实验设备自修的具体应用，是工程型教学手段提高培养学生实际工程能力的有益尝试。

[1] 柯 政.“双一流”中的课程建设:上海纽约大学的启示[J].中国高等教育,2016(Z2):53-56.

[2] 许晓东,卞 良.本科工程教育研究性教学探索与实践-以华中科技大学为例[J].高等工程教育研究,2014(2):43-49.

[3] 林 健.卓越工程师创新能力的培养[J].高等工程教育研究,2012(5):1-17.

[4] 任 佳,王 杰,梁 勇.多途径加强大学生创新能力培养初探[J].实验室研究与探索,2014,33(2):183-202.

[5] 杨毅刚,孟 斌,王伟楠.基于OBE模式的技术创新能力培养[J].高等工程教育研究,2015(6):24-30.

[6] 秦春华.在课程中实现本科教育目标[J].中国高等教育,2016(9):41-44.

[7] 夏有为.实验为本探索未知——访上海交通大学校长张杰院士[J].实验室研究与探索,2013,32(8):2-7.

[8] 郄海霞,王世斌.美国一流大学工程教学质量保障体系探析-普渡大学的经验与启示[J].高等工程教育研究,2013(1):139-146.

[9] 夏有为.培养实践能力造就创新人才(三)——访美籍科学家交大密西根学院院长倪军教授[J].实验室研究与探索,2015,34(2):1-11.

[10] 李培根,许晓东,陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究,2012(3):1-6.

[11] 卢丽君.立德树人视域下大学生理论学习实效的提升策略探析[J].思想理论教育导刊,2013(12):122-126.

[12] 卢丽君.提升高校教学水平和创新能力-访全国人大代表、南开大学校长龚克[J].中国高等教育,2016(6):25-31.

[13] 卢丽君.推动综合改革 提升创新能力-首届协同创新制度与文化建设研讨会综述[J].中国高等教育,2015(13):15-21.

[14] 刘善球,黄惠君,刘舜玲.地方高校青年教师情绪驱动忠诚的激励机制研究[J].当代教育理论与实践,2016,6(8):115-117.

[15] 戴圣伟,王炎平,张居武,等.导师制与大学生学习能力培养的协同创新[J].实验室研究与探索,2016,35(8):174-176.