大学物理实验综合改革示范：数字示波器的原理与使用

许积文　袁昌来　熊健　周建华　李震春　张艳丽

摘要：在桂林电子科技大学电子信息特色的办学理念与大学物理综合实验改革的双重驱动下，以示波器的原理与使用实验为综合改革对象，在大学物理实验中构建了实践与应用能力培养较强的综合改革示范项目，取得了较好的教学效果。为电子信息类工程应用型人才培养，以及为当前新工科建设作出了积极的探索。

关键词：示波器；物理实验；电子信息；应用

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）28-0275-03

一、引言

基于大学物理实验的重要性[1，2]，在大学本科教育中独立开设大学物理实验课。传统的普通物理实验往往只注重某一个侧面，在设计实验时也就只突出要分析的这一个侧面，给学生的感觉是一个物理现象只表现一种物理意义。随着素质教育的提倡，要求学生要有综合分析能力，能够对一个物理现象进行全方位的分析。2017年2月以来，从“复旦共识”、“天大行动”到“北京指南”，标志着以新工科建设为主题的高等工程教育改革进入到一个新的阶段[3-6]。为了满足国家战略和新兴产业发展的需求，需要培养具有全球视野、创新精神和实践能力的复合型人才。因此，作为基础实验课的大学物理实验课程需要及时有效地调整其教学方法满足复合型人才的培养要求。

示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。其他非电学量借助于传感器技术将其转变为电信号后，都可以用示波器来观察。同时，还可以测量它们的相位、频率以及电流、电压的大小等参数。数字示波器采用数字电路进行模/数转换，并通过存储器实现对触发前信号进行记忆的一种具备存储功能的数字化设备。数字示波器除了具有模拟示波器的功能外，还具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点[7]。

本文以我校在数字示波器实验上的教学探索为基础[8]，在我校电子信息特色和物理实验综合改革的驱动下，对数字示波器原理与使用实验项目进行设计，构建具有较强实践性以及综合能力培养的示范性实验项目，全面提升大学生的实验素养。

二、实验内容与设计思路

地方院校的实践教学工作要做出有一定影响力的一个重要的实现途径就是结合地方院校丰富、扎实的历史沉淀，以及结合产业特色，进行有特色的教学建设[9，10]。桂林电子科技大学具有电子信息特色鲜明的学科特点[11]，着力加强电子类物理实验项目的建议，深化电子信息特色教学，是符合自身特色及发展定位的。例如，信号发生器和数字示波器是电子类专业的基本设备，物理实验中不仅设置了专门的实验项目，而且在其他实验项目中也通过实验设计再次应用信号发生器和示波器，使学生能够熟练掌握这些基本电子工具。因此，我们在物理实验中构建出具有综合训练功能的示范性实验项目。

图1展示了示波器综合训练内容的构建。在示波器实验中，同时提供了模拟信号发生器和数字信号发生器，使学生能使用到两种常见的信号发生器。在专门的数字示波器原理与使用实验中，实验内容也进行了两方面的提升：一方面是将传统实验内容中对正弦波的观测和测量调整为不仅观测正弦波，也观察多种波形，因为数字信号发生器可以提供高达16种波形，而且可以自定义波形；另一方面是在李莎如图形合成中，不仅有两个正弦波的合成，也可以将常见的正弦波、三角波、锯齿波、方波进行合成，形成广义的李萨如图形，激发学生的兴趣和思考。在示波器的综合应用方面，通过在其他物理实验（如声速测量、光速测量等）中设计测试方法，将示波器作为监控和测试手段，不仅应用上了示波器，也会应用到信号发生器，而且使得实验结果具有了可视化和数据化。

三、实验教学情况分析

1.数字示波器原理与使用实验的提升。我们曾对示波器实验中关于学生如何较好地认知实验设备进行了探讨[8]，但只是从偏技巧的角度训练学生如何更有效的操控信号发生器和示波器，在实验内容的深度和广度上缺乏探索。从综合能力训练及认知的深度构建的实验内容，可以让学生同时接触两种信号发生器（如图2所示），认知常用的模拟信号发生器和数字信号发生器在波形输出、操控性方面的共性和差异性以及信号波形及参数的准确性。数字信号发生器提供了信号波形自编辑功能，可以提供自定义的波形图。数字示波器除了有类似于模拟示波器的调节外，因其采用嵌入式的软件来对信号进行处理，有其独特的功能和优势，例如很多操作实现了数字化，测量方式有自动测量和光标测量，信号的图形和测试参数可以存储，等等。设备数字化是大趋势，数字化的示波器和信號发生器的使用可以使学生做到触类旁通，以后在遇到类似的数字化设备时，可以较好的对其进行操作。

在李萨如图形合成上，将标准李萨如图形扩展到广义李萨如图形。图3（a）-（d）展示了频率比为1∶2的正弦波合成的标准李萨如图形以及由其他波形合成的广义李萨如图形。当合成的波形由两个正弦波变为正弦波与三角波时，李萨如图形出现了两个拐点；当彻底变为两个三角波合成时，李萨如图形出现了四个拐点，形状由蝴蝶形改变为方块形；如果是两个方波合成时，李萨如图形则变为四个点的形状，完全不是封闭的曲线。当采用不同的波形合成李萨如图形时，会获得形状存在巨大差异的结果，学生就需要对这些李萨如图形的演变行为进行分析，它们是如何受到信号波形形状影响的呢？这可以与大学物理理论课学习到的振动合成的理论知识紧密结合，训练了学生分析问题的能力。图3（e）展示了当频率比为1∶1，x轴输入信号为锯齿波，y轴输入信号为三角波，合成的李萨如图形则是三角波的形状，这可以向学生解释波形的合成过程，即被测信号与锯齿波扫描信号的合成结果。学生可以采用更多的波形、频率比或者改变信号的相位，可以获得更多的广义李萨如图形，为波形的合成拓宽思路以及丰富学生的认知，提升分析实验现象的综合能力。

2.示波器和信号发生器的综合应用。考虑到我校电子信息学科的特色，在学校立项了“基于培养电子信息科学素养和研究能力的大学物理实验中心建设”项目，对实验平台和项目进行升级或重新构建。因此，我们在实验项目和内容的设计上，着力突出电子信息特性，这里以数字示波器作为示范项目。图4展示了数字示波器在动态磁滞回线、混沌电路、声速测量、光强测量和光速测量实验中的应用，有的实验也要用到信号发生器作为激励源。在这些实验中，数字示波器不仅会使用波形显示模式（Y-T）和李莎如图形显示模式（X-Y）去观察信号变化的行为，而且也能对其进行相关参数的测量。同时，数字示波器测量的信息有的就是直接电信号（如混沌电路），有的则是传感器将非电量转变为电量（如光强测量）后进行间接测试。例如，在光强测量中，CCD光强分布测量仪将光信息转变为电信息，其输出信号用示波器检测后，可在显示屏上观察到清晰稳定的相对光强分布曲线，而且还可以测量出光的强度和衍射条纹位置。

通过对物理实验项目的全局考量及测量方法的设计，学生除了在专门的数字示波器原理与使用实验中学习示波器和信号发生器外，还可以在多个物理实验中应用到它们。通过综合性的实验改革，数字示波器及应用具有较强实践训练功能的综合实验，使我校的大学物理实验课具有更多的电子信息特色，学生对示波器和信号发生器有了更深的认识和较为熟练的应用，形成了规模效益及示范效应。

四、结语

以桂林电子科技大学的电子信息类学科特色为指导，为培养好电子信息类工程应用型人才，对数字示波器原理与使用实验进行了综合改革提升。通过实验内容和检测方法的设计，构建的综合训练项目内容更加丰富，学生不仅更加熟练掌握了仪器的使用，而且获得了示波器实际应用上的训练。我们认为综合改革后的数字示波器原理与使用实验适用于电子类地方高校，而且與学校的学科特色紧密结合。

参考文献：

[1]王化忠.中美大学物理实验教学模式的比较研究[J].云南农业大学学报，2013，7（1）：54-58.

[2]何焰蓝，于晓燕，彭刚，杨卫新，刘一星，马奇奇.美国波特兰大学物理基础教学启示与借鉴[J].高等理科教育，2015，（2）：31-34.

[3]“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017，（2）：24-25.

[4]胡波，冯辉，韩伟力，徐雷.加快新工科建设，推进工程教育改革创新——“综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述[J].复旦教育论坛，2017，15（2）：20-27.

[5]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[6]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

[7]李杉，赵辉.数字示波器的优点和使用注意事项[J].科技传播，2012，4（16）：204-205.

[8]许积文，杨玲，王华，丘伟，任明放.数字示波器的原理与使用实验教学中的问题与对策[J].广西物理，2013，34（2）：49-51.

[9]严一民.电子科技大学物理实验中心简介[J].实验科学与技术，2013，11（5）：282-286.

[10]王生怀，徐风华，LI Tukun，陈育荣.地方本科院校特色实践教学平台建设探索[J].实验室研究与探索，2016，35（5）：201-204.

[11]古天龙，景新幸，郭庆，魏银霞.本科院校工程应用型人才培养模式改革探索[J].中国高教研究，2012，（1）：107-110.