本科实验教学中常规仪器设备的应用实践

摘要：实验教学仪器设备是高等学校本科实验教学的重要保障条件，如何充分发挥实验教学仪器设备在高校本科实验教学中的作用一直是实验教学工作的一项重点课题。利用实验教学仪器提高学生的实践能力和问题处理能力是衡量一所学校办学实力的重要标志。该文阐述了实验教学仪器设备在本科阶段人才培养中的作用和意义，举例分析了实验仪器设备在本科实验教学中的具体应用实践。通过对实验教学仪器设备的充分使用，可以不断提高高校的本科实验教学质量，增强学生的综合能力。

关键词： 实验教学;仪器设备;应用实践;实践能力

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0259-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Application of Conventional Instruments and Equipment to Undergraduate in Experimental Teaching

YU Jian

（Nanjing Tech University， Nanjing 211816， China）

Abstract： Experimental teaching instruments and equipment is an important guarantee for undergraduate experimental teaching in colleges and universities. How to give full play to the role of experimental teaching instruments and equipment in undergraduate experimental teaching has always been a key project of experimental teaching. Making full use of experimental teaching instruments to improve students' practical ability and problem-solving ability is an important symbol to measure the quality of a school. This paper explains the role and significance of experimental teaching instruments and equipment in undergraduate talent training， and analyzes the specific application of experimental instruments and equipment in undergraduate experimental teaching with examples. Through the full use of experimental teaching instruments and equipment， the quality of undergraduate experimental teaching and the comprehensive ability of students can be improved continuously.

Key words：experimental teaching; instruments and equipment; application practice; practice ability

1 引言

實验教学仪器设备在高等院校本科教学活动中起着非常重要的作用，是培养学生实践操作、动手能力、应用能力、综合素质的重要载体和途径。虽然现在有很多高等院校利用虚拟仿真实验项目[1]来替代传统的实验教学，但是，在培养学生的综合能力方面，实验教学仍然占据主要的地位。

近些年来，为了改善和提高高等院校的办学条件，高等院校对本科教学的投入很大，尤其是在本科的实验教学仪器设备方面，每年都投入大量资金新购或是更新实验教学仪器设备。甚至有些高校把大型的科研仪器设备应用到本科阶段的实验教学中[2-5]来提高本科生的实践能力。但是，随着科学技术的发展，新购或是更新的实验教学仪器设备的功能也在不断完善，如何充分发挥实验教学仪器设备在高校本科实验教学中的作用一直是实验教学工作的一项重点课题。

电工电子实验教学中心在2015年新建了电子仿真开放实验[6]，配备了一套先进的实验教学仪器设备——数字示波器、直流稳压电源、函数/任意波形发生器、数字万用表等，总资产达百万。经过近5年的实验室开放可以发现，虽然电子信息类学生在大学的第二学年期间通过模拟电子技术、数字电子技术、电路分析等实验操作过仪器设备，但都是一些皮毛操作，机械性地通过仪器设备上的几个按钮来完成具体的实验内容，而不知这些仪器设备具有哪些功能，能够完成什么工作等。因此，如何使用这些仪器设备来完成一些特定的实验教学内容。

为了更好地发挥实验教学仪器设备在本科教学中的作用，本文将通过几个实验教学仪器设备的案例来具体说明仪器设备在实验教学中应用。

2 直流稳压电源应用实践介绍

直流稳压电源（DC Power Supply Unit）是能为负载提供稳定直流电源的电子设备，如图1所示。大部分实验室中使用直流稳压电源为恒压源，即为负载提供恒定电压。通过图1中的电压旋钮调节电压到合适的电压值，再通过CH1和CH2的一个或两个通道输出到负载端。但是，学生甚至老师在实验教学进行中，从来都不对直流稳压电源的电流进行限定，即没有考虑电流过大是否会对所设计或实验电路造成损害。因此，我们在设置输出电压时应关注其对应的电流应设置多大为宜。这时，直流稳压电源的电流限值应该如何设置呢？如图1所示，以通道CH1为例来设置直流稳压电源输出的电流值。此时，应把通道1（CH1）的“+Vcc”端与“-Vcc”端连在一起（短接），通道2（CH2）的“+Vcc”端与“-Vcc”端不连在一起（断开），接好后，打开输出通道“output”，这时可以发现，通道2（CH2）的“C.V./C.C.”指示灯为绿灯，即显示此时电压可调，电流显示为0;而通道1（CH1）的“C.V./C.C.”指示灯为红灯，即显示此时电流可调，电压显示为0。所以，在实验教学中，如果实验要求直流稳压电源输出的电压限定的电流值为何值时，即可通过把一个通道的正负端（“+Vcc”端与“-Vcc”端）短接来实现电流的设置。

在实验、实习中，除了要求输出的电流恒定，实验电路中还会要求提供负电压来为电路供电，那么，直流稳压电源的负电压如何提供呢？如图2所示，一个直流稳压电源通常由三个输出通道，分别是两个可调通道CH1、CH2和一个电压、电流固定的通道CH3（5V，3A）。要实现负电压输出需要把CH1的“+Vcc”端与CH2的“-Vcc”端相连，同时把两个通道的“TRACKING”设置为“INDEP”。这时，CH2的“+Vcc”端为正电压，而CH1的“-Vcc”端为负电压，中间相连的两个端口为接地端。直流稳压电源如此的连接设置就可在实验中实现正负电压输出。

在高等院校本科阶段的实验教学中，尤其是电子信息类的课程设计、实习课程中，上述直流稳压电源的使用非常广泛，而且也非常重要的。设置合适的电流限值对整个电路意义非凡，可以很好地保护所设计的电路中元器件不因电流过大而被击穿烧坏。

3 数字示波器+函数/任意波形信号发生器应用实践介绍

示波器简单地说就是把肉眼看不见的电信号变换成看得见图像并呈现出来的电子测量仪器。而函数/任意波形信号发生器则是能提供某些特定周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波和脉冲波等）的电子信号发生设备。只有在数字示波器和函数/任意波形信号发生器两者的内阻匹配的情况下，数字示波器上显示的数值才能与函数/任意波形信号发生器上设置的数值一致。

在高等院校的本科实验教学中，函数/任意波形信号发生器都是用来当做测试设计电路的信号源。而数字示波器则是用来观测所设计电路输出信号的。在这两个仪器设备的使用中，需要特别注意的是数字示波器和函数/任意波形信号发生器各自的内阻是否匹配，若不匹配，如何设置可以是两个设备的内阻达到匹配状态。接下来，我们来测试数字示波器和函数/任意波形信号发生器内阻不匹配时会对测量结果造成什么影响。如图3（a）所示，当把函数/任意波形信号发生器的输出波形设为正弦波、频率为1KHz、幅度为100mVpp、阻抗设为50欧姆，通过数字示波器观测函数/任意波形信号发生器输出的正弦波波形，并对其进行测量，通过测量正弦波的峰峰值可以发现，此时测得的正弦波的峰峰值为200 mVpp。而把输出阻抗设为高阻（High Z）、其他参数不变时（如图3（b）所示），再次用数字示波器对其进行测量，通过测量正弦波的峰峰值可以发现，这时测得的正弦波的峰峰值变为100 mVpp。这一现象说明，当函数/任意波形信号发生器的输出阻抗设为50欧姆时，其50欧姆内阻与数字示波器的内阻不匹配，造成测量的幅度值是设定的幅度值的两倍;而当函数/任意波形信号发生器的输出阻抗设为5高阻（High Z）时，其高阻状态与数字示波器的内阻相匹配，则测量的幅度值与函数/任意波形信号发生器中设定的幅度值是相等的。

4 结束语

通过上述三种仪器设备的操作实例可以看出，在电子信息类本科课程的实验、实践教学环节中，除了教授学生电子类基本实验仪器设备的常规使用之外，更深入地讲授实验仪器设备的使用可以更好地帮助学生提高其在具体实践操作中的动手能力及问题分析能力。同时，也可以提高实验、实践教学的效率和实验仪器设备的利用率，减少因仪器设备不会使用而造成的时间浪费和对电子电路、甚至对所选专业的兴趣。

通过多年的电子信息类实验、实践教学可以发现，一大部分学生刚入学时的实践操作能力很差，而实验、实践活动则是学生在本科期间能够直接接触仪器设备的最直接手段，所以更好、更深入地教授仪器设备的使用很有必要。正确地使用仪器设备可以直观地观察到实验结果和现象，完成实验、实践也能让学生有一种成就感，并建立起自信，从而也会对以后的就业方向产生影响。从大的方面来看，很大程度上可能会影响一所高等院校整体的本科教学质量。

参考文献：

[1] 郁剑，朱家乐，陶方琪.微波技术与天线的仿真实践教学[J].电脑知识与技术，2020，16（30）：109-111.

[2] 夏燎原，胡云楚，吴义强.开放大型仪器设备对提高本科实验教学质量之思考[J].中南林业科技大学学报（社会科学版），2012，6（5）：160-162.

[3] 李旭凯，郭杏妹，朱錫淼，等.本科实验教学中大型仪器设备的应用实践[J].实验室研究与探索，2017，36（7）：296-298.

[4] 辛艳青，王昆仑，宋淑梅，等.大型仪器设备实验教学的几点思考[J].教育教学论坛，2018（35）：279-280.

[5] 陈秀丽，朱文风，胡长征，等.高校大型仪器设备用于本科教学的几点思考[J].教育现代化，2019，6（14）：27-29.

[6] 郁剑，帅仁俊，何霄鹏，等.电子仿真开放实验室的探索[J].中国科技信息，2017（22）：56-57.

【通联编辑：王力】