以废旧仪器为载体的电子技术实践教学改革

刘复玉, 郝宪锋, 陈 璨, 李 林

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

近年来我国许多高校进行工程教育专业认证,这不仅是工程教育改革的必然趋势和内在要求,也是各高校促进专业建设、提高人才培养质量的契机[1-2]。我国的大学教育现在正从精英教育向大众教育转变,换句话说也就是从知识型人才培养向工程应用型人才培养的转变,只有培养更多“能解决实际问题,具有较强的实践动手能力”的人才才能符合时代特色和社会需求。我校信息与控制工程学院从2014年开始进行工程教育专业认证,为了改善实验室硬件条件和环境,先后投资数百万元更新实验仪器和设备,与此同时也有相应数量的废旧设备和仪器需要报废和处理。这些废旧仪器和设备品种众多,如果仅仅按照过去的设备报废和处理程序,交给相应的回收企业简单处理,这些废旧设备和仪器残值很少。这些设备因为年限和更新换代等原因退出正常教学,但是并不意味着这些废旧设备毫无再利用的价值，相反在提高学生动手能力,增强系统意识和工程意识方面还大有用处。基于此,课题组围绕着报废设备和仪器做了一些尝试[3-5]。

1 仪器和设备实物展示

因电子技术发展设备需要更新换代,或者仪器设备到了需要报废的年限,实验教学中心需要定期购入新设备,淘汰废旧的老设备。以2014年为例,实验教学中心共有数十种仪器和设备退出了正常的教学和科研进行报废处理。这些仪器设备品种多、门类齐全,例如有示波器、直流电源、信号发生器等,而这些仪器设备有些型号或者种类因课程的改革或者技术的进步等,在今后的实验教学中不再使用。如果这些报废的设备只是简单地全部交给回收企业处理掉,新入校的学生就很少有机会再看到以前旧型号设备的实物了,失去了历史传承,不能从电子仪器和设备的更新换代了解电子技术发展历程[6-7]。因此在实验室专门留出空间,把部分典型的废旧仪器设备样品进行实物展示,如图1所示。

图1 仪器设备实物展示图

通过把不同时代的实验仪器、设备、电子产品等进行系列展示,学生既了解了电子技术的发展,又感受到了实验室硬件条件的不断改善。例如把大家都非常熟悉的示波器按照年代进行集中展示,既有报废的老式的模拟示波器又有较新的数字示波器；把历届学生的实习作品收音机进行展示,有电子管的、晶体管的,还有集成电路的,这样的展示不但对现在的学生是启迪和教育,同时对完成这些作品的已毕业的学生也留下了一份情怀和纪念。

2 报废实验设备和认识实习

依据多年的教学经验,很多学生对自己所用的实验仪器和实验箱内部的结构很感兴趣,希望打开实验箱了解一下内部的结构和所用器件,然而,常规的教学主要是传授学生如何使用这些仪器设备进行相关的实验,而对这些仪器设备本身的工作原理和内部结构关注很少,甚至直接忽略。这既有主观原因也有客观原因,主要还是这些仪器设备价值不菲,不可能让学生随便拆卸,研究内部的结构和功能。而对于报废的设备来说就不存在这个问题,实验中心设立了专门的认识实习实验室,把历年来淘汰下来的废旧实验仪器和设备创造性地转化为学生可以随便拆卸的实习工具和认识载体,不用担心损坏设备或者不能恢复等问题造成心理压力,学生可以放开手脚大胆尝试[8]。在这一过程中,学生除了锻炼了动手能力外,还收获了很多常规实验学不到的知识和能力:

(1) 通过打开设备外壳,可以认识具体的器件,把一个一个电子器件的符号具体化。例如以前学习示波器的工作原理时,内部结构只能通过图片和文字抽象学习,学生根本没有具体的概念,只能凭空想象。通过拆解报废的示波器,学生可以很清楚地看到示波管及其显示电路、垂直偏转电路、水平偏转电路、标准信号发生器、稳压电源等器件的实物,这是任何文字和图片无法替代的。

(2) 通过打开设备外壳,可以了解一个设备的布局、功能单元的划分、具体功能的实现。以电子技术实验箱为例:首先是电源模块,电源模块又分正负12 V和正负5 V,然后是过流保护模块以及其他功能模块等。过流保护模块是防止学生做实验过程中电源短路损坏电源。实际上实验箱的很多功能就是学生在模拟电路、数字电路理论课正在学习的知识,例如数字电路实验箱的信号源产生电路就是数字电子技术理论课必讲的555典型电路,以及电路实验里的恒压源、恒流源等都是模拟电路中的运放电路的典型应用。以前学生只知道如何使用,却不知道是如何产生的,即使理论课讲到这方面的内容,却很少有机会看到实物和具体应用,而这些就在学生的身边,只需要打开设备的后盖即可。引入废旧仪器和设备到学生的认识实习,学生可以通过具体的实物,不仅更好地了解和掌握了正在学习的相关专业知识,还能比较实际应用的成熟产品和实验室所做的简单实验的区别,在今后的学习和设计时考虑得会更全面、更合理。

3 仪器设备的典型电路分析和综合实验

传统电子技术教学中,常常存在理论课讲解很多,但实验课因为限于经费等客观条件,大多数实验仍然是验证性实验,缺少与实际工程背景相关联的实验,同时实验内容一再简化和缩水,所实现的功能常常都是理想化的、最简化的,理论与实际脱节,学生思路简单、考虑问题不全面,缺乏现代工程设计思想和方法,很多具体问题都没有考虑,学生应用专业知识能力不强,所设计的电路与实际需求有很大的距离,例如过压、过流、抗干扰等实际问题，学生很少考虑到,这一点在电子竞赛、课程设计、毕业设计中有集中体现[9-10]。

每一台报废的设备和仪器实际上都是一个有具体功能的系统,虽然因为使用寿命等原因需要退出日常教学,但是仪器里的电路设计、功能实现、结构布局、焊接工艺等很多是值得学生学习的,为学生提供了一个难得的学习平台和实训机会,尤其是一些经典的电路和设计是不会过时的,可以作为学习目标,引导学生尽量贴近实际,考虑问题更加全面,而不是仅仅限于做个简单的课内实验。

利用报废的100多台学生做实验用的直流电源,创造性地开设了有关电源设计的综合性实验。教师事先把设备的经典电路的原理图画出来,首先在理论课上进行讲解,使学生明白电源的工作原理,理解和掌握电源设计的理论知识,然后在实验室里进行实物学习和实验操作。学生可以看到具体的实物,积极性很高,同时允许学生动手操作。因为是已经报废的设备,所以在安全的前提下,学生可以放开手脚操作,例如对电路中某个器件的作用不是很清楚,教师首先进行讲解,然后进行实物验证,例如去掉一个电阻电容,加上一个电感等,判断电源的特性是否有明显的改变,以及实用电源这样设计的原因等。这些远远不是常规的电源实验所能涉及到的,学生学到的知识更加实用,更加贴近实际。

4 仪器设备的功能改进与毕业设计

毕业设计是高等学校应届毕业生的总结性独立作业,要求学生针对某一课题,综合运用有关课程的理论和技术,做出解决实际问题的设计。我院每年毕业学生众多,时间段相对集中,造成无论是实验设备、实验器材、实验经费还是实验场地都非常紧张,正因为客观条件的限制,难免出现设计题目与往届雷同、相似、难度区别不大等问题,有时候甚至只能通过计算机仿真,这与培养学生动手能力、提高综合素质的初衷相去甚远。

废旧实验仪器和设备的引入,给学生提供了难得的研究条件和机会,学生可以照猫画虎,由浅入深,每一个废旧仪器都是一个现成的老师,通过这种方式缩小了理论与实际应用的距离,学生不知不觉中克服了畏难心理[11-12]。针对不同类型的废旧仪器和设备,设计了一系列有针对性的设计题目。如针对报废的稳压源,要求学生分析稳压源每部分的功能、查出所用的器件的具体型号和功能、分析稳压源设计的优点和缺点,在此基础上抽取电路原理图,自己制版,分块实现其功能，又如针对电子技术实验箱,要求学生在搞明白实验箱每部分功能的基础上,结合自己过去做实验使用实验箱的体会,提出自己的合理化建议和改进意见,以便在今后自制实验箱的过程中使其功能更加完善,更适应本实验室和专业实训的需要。因此部分学生就提出并实现了对现有废旧电子技术实验箱的改进,在原有实验箱的功能基础上,增加单片机和部分必要的外围电路,实现实验箱功能的智能化。通过为实验箱添加无线通信模块,利用远端的计算机实时采集实验箱的状态信息,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。

图2 智能实验箱系统总框图

5 结语

实验仪器和设备是学生实验和实践的硬件基础,贯穿于学生的整个学习过程中,学生对其功能和使用方法都比较熟悉,但因为种种原因限制,很少有学生了解其内部的结构和原理。通过创造性引入废旧的实验仪器和设备,打开仪器设备后盖,为学生提供了一个崭新的学习平台和实训机会。从对仪器和设备外观的简单认识、内部电路功能的分析到功能的完善和丰富,由浅入深,消除了学生对实验设备的神秘感,克服了畏难心理,同时实现了废物利用,节约了成本。