核电子学综合设计性实验教学的探索与实践

程品晶， 曾文杰， 俞 红， 王 海， 齐 航

(南华大学 核工程国家级实验教学示范中心，湖南 衡阳 421001)

0 引 言

培养学生实践能力是高校人才培养的重要目标。实验课程是培养学生实践能力的重要途径[1-4]。学校针对核工程与核技术专业开设了核电子学、核辐射探测、辐射防护等实验课程，形成了具有一定规模的实验课程体系。为进一步提高实验教学质量，开发学生思维，培养学生实践能力，核工程实验教学中心转变实验教学思路，针对核电子学实验课程提出在保证基础性实验项目的前提下加强综合设计性实验项目的开设力度[5]。希望通过增设综合设计性实验形成“以任务为主线，以学生为主，教师为辅，全程参与”的教学模式，从而进一步激发学生的主观能动性，培养学生独立探索、勇于开拓的进取精神[6-7]。

1 核电子学综合设计性实验

核电子学综合设计性实验是在学生完成核电子学基础实验项目后，组织开展以学生为主的实验项目。该实验项目的实践过程主要包含实验设计规划、实验执行策略以及实验的质量控制3个环节。

1.1 实验设计规划

实验设计规划主要是指针对综合设计性实验开展的前期准备，如规划实验内容、确定实验教学形式、采购实验耗材、制定实验考核制度等[8]。总而言之，在做好综合设计性实验教学准备工作的前提下，制定实验的考核制度，以激励学生勤于实践、勤于思考。以“单道脉冲幅度分析器综合设计性实验”为例，实验准备工作主要有：①实验内容。设计一个单道脉冲幅度分析器电路并进行调试，利用示波器观察波形，要求上、下阈值可调，测出关键点波形；②实验教学组织形式。以班级为单位对学生进行分组，每组最多不超过3人，每次实验开始前，进行小组签到，实验过程中老师将进行抽查点名；③实验耗材。围绕单道脉冲幅度分析器的电路设计，根据实验分组情况，由实验中心负责统计并集中采购实验所需的电子元器件如导线、电阻、电容、IC芯片、接线板等；④实验考核制度。实验成绩根据学生预习报告、实验过程表现、实验结果验收、实验报告等进行综合评定。该实验预计安排8个课时，学生需在规定课时内完成实验内容才能获得良好以上分数。如未能在规定时间内完成实验，实验室将提供一次补做机会，仍未完成实验的，则该项实验成绩为不及格。综合设计性实验成绩占核电子学实验课程总成绩的30%。

1.2 实验执行策略

“以学生为主，教师为辅，全程参与”是综合设计性实验的执行策略。主要注重改变以往的“教师讲三，学生听二练一”的被动学习模式，创造以任务定目标，学生主动参与，自主学习，课程教师全程参与指导的新型教学模式[9]。

以“单道脉冲幅度分析器综合设计性实验”为例，首先根据实验电路将电子元器件及相关工具按班级分组情况分发至各班；然后，学生利用下发的实验材料，依据电路板大小，合理布局并搭建单道脉冲幅度分析器实验电路，并在实验室利用电源、示波器等设备对所搭建的电路进行调试，整个过程以“学生为主”，遇到问题以独立思考和组内讨论为主；“教师为辅，全程参与”是为了确保整个实验能顺利进行，教师尽可能减少干预和指导，而让学生充分发挥个人能力和团队能力。按班级安排电路调试时间，要求学生在规定时间内完成调试并接受教师检查，在确定完成后回收完成的电路板并由老师在实验原始记录纸上签字确认。对未在规定时间内完成实验的，实验室安排再次实验调试机会但成绩评分等级会有所下降，以此方式激励学生尽可能高效完成该项实验，控制教学质量。充分发挥学生的主观能动性和教师的辅助作用，让学生养成独立思考和解决问题的习惯，提高学生的实践能力。

1.3 实验教学质量控制

实验教学质量是实验教学效果的体现[10-11]。由于综合设计性实验的实验涉及面广且实验操作较为复杂，以3人一组的形式开展实验一方面是为了培养学生间的协作能力，另一方面是为了节约实验资源。然而，采用单一的按组评分制度必然会造成少数学生不积极参与。为此，制定以下评分方式和标准[12]。

(1)实验预习评价。由于综合设计性实验是以“学生为主，教师为辅”为主，加之实验过程较为复杂，实验课时有限，因此，实验预习是整个实验成功的首要条件[13]。学生在实验预习阶段需要设计好单道脉冲幅度分析器的实验电路，确定所需要的电阻、电容及其它电子元器件的类型及数量，以便老师按组分发元器件。学生需根据自身预习情况，书写预习报告并将预习报告提交实验室老师，根据实验预习报告对学生预习情况进行初步评价。同时，教师在课堂讲解中将针对预习报告进行提问，以判断实验预习的最终成绩[14]。此项成绩占该实验项目分值的20%。

(2)实验过程控制。实验过程主要包含以下3个内容：①实验电路组装；②实验电路调试；③实验调试验收。在实验预习阶段，教师将实验所需的电子元器件及实验所需的实验工具按分组情况下发至各班级。学生在完成实验电路的组装后，可在规定时间内按分组情况到实验室开展电路的调试工作，每次进入实验室调试需登记班级和姓名。

采用分组形式开展实验可以提高实验效率，但也因此引入了一些问题，如实验过程中个别学生少动手甚至不动手的现象依然存在[15]。为避免学生蒙混过关，在实验调试验收阶段，每组学生都需经过实验教师的调试检查，对不会进行实验调试者给予该项实验不及格处理。对于能在规定时间内完成实验的给予良好分数，未能在规定时间内完成调试的，将提供二次机会，但此时调试成功仅能获得及格分数，未成功者按不及格处理。实验调试中，学生需将实验调试中的各个监测点波形绘在原始记录纸上，交实验教师批阅签名后，提交小组的实验电路及实验工具。

(3)实验报告评分。实验报告是实验结束后学生对实验过程的总结和分析。学生在综合设计实验完成后按班级提交实验报告和原始记录，教师将以原始记录为依据，评阅实验报告，此项成绩占该实验项目分值的20%。最终依据三部分的分值给出综合设计实验的最终成绩。

1.4 单道脉冲幅度分析器综合设计性实验的教学实践

1.4.1实验预习

(1)要求学生自己查阅资料，掌握单道脉冲幅度分析器的单元电路构成及其工作原理。如图1所示，单道脉冲幅度分析器工作在微分模式时，当输入脉冲幅值处于上下阈值之间时，单道脉冲幅度分析器就会有一个矩形脉冲输出，而当输入大于上阈或小于下阈时单道皆无输出。单道脉冲幅度分析器的基本结构如图2所示。

图1 单道脉冲幅度分析器微分模式时的工作原理

图2 单道脉冲幅度分析器的结构框图

(2)根据单道脉冲幅度分析器原理和结构图，设计单道脉冲幅度分析器的实验电路如图3所示。

图3 单道脉冲幅度分析器电路设计图

(3)实验仪器准备。实验室统一采购所需实验元器件，并分发至各个小组；准备实验过程中需要精密脉冲产生器FH1013、NIM机箱、电压源、TDS1012示波器、万用表等实验电路调试设备。

1.4.2实验过程

(1)电路组装。根据单道脉冲幅度分析器电路设计图(图3)，学生自主设计搭建单道脉冲幅度分析器实验电路。

(2)调试电路。检测电路功能是否正常(测量关键点波形)电路板搭建完成之后最重要的是检测电路功能是否正常，通常的检测方法是在电路板上选定几个关键点。本电路最重要的部分即逻辑运算电路，如与非门、电压比较器、单稳态触发器等，因此选择关键点应涉及到这些电路的输入输出点(如图4所示)。①用精密脉冲产生器作为输入的信号源，通过调节输入脉冲幅度和上下阈值大小依次测出两种情况下电路关键点处的波形，第一种为输入脉冲幅度大于单道上阈值，第二种为输入脉冲幅度在上下阈之间。各点具体波形如图4所示。如图4中①所示，当输入脉冲幅值大于上阈，输出端(TP10)无输出即保持低电平；如图4中②所示，当输入脉冲幅值在上下阈之间，输出端(TP10)输出一个矩形波。②实验验收。在学生完成电路板调试后，由实验老师负责对每组的实验进行验收。验收内容主要包含实验电路各个关键点的电路及实验原始情况如实验数据﹑实验过程中的问题等相关情况的记录是否完整规范。③实验评分。实验评分中，实验预习﹑实验操作﹑实验报告三个环节分别占本次实验成绩的20%、60%、20%。缺少任何一个环节，本次实验成绩即为不及格。

图4 单道脉冲幅度分析器各关键点波形图

2 结 语

随着核能与核技术工程领域的迅速发展，不断更新核类相关专业的实验课程内容是非常必要的。核电子学实验课程作为一门以培养学生实践创新能力为主的课程，需要在保留传统优质实验项目的基础上，不断更新实验内容和教学方法以适应社会发展的需要。在核电子学实验课程中增设综合设计性实验，符合社会对综合型和创新型人才培养的要求。通过开展综合设计性实验，不仅可以培养学生分析和解决问题的能力，激发学生学习和研究的积极性。同时，也为探索如何从传统的实验教学模式向更科学更合理的教学模式转变提供了参考。