樊薇薇，吳世華，李 錫

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院，山東威海264209)

針對(duì)非電類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的“電工學(xué)”課程，它的主要任務(wù)有兩個(gè):一是使學(xué)生受到電類基本技能的訓(xùn)練，在工程實(shí)際應(yīng)用中不至于一無所知，措手不及;二是為學(xué)生今后能夠更好地學(xué)習(xí)相關(guān)的后續(xù)專業(yè)課程，為從事與電類學(xué)科交叉滲透的工程項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

相應(yīng)地，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，對(duì)于第一個(gè)任務(wù)而言，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無需過多、過難。而對(duì)于第二個(gè)任務(wù)而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容必須能夠進(jìn)一步夯實(shí)基礎(chǔ)，甚至有所創(chuàng)新[1]。

以上為構(gòu)思本文多層次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的主旨所在。具體體現(xiàn)在:從學(xué)生自身興趣、是否有學(xué)習(xí)余力方面考慮:興趣濃厚，余力綽綽的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)其自主、獨(dú)立和創(chuàng)新性地完成實(shí)驗(yàn)[2]。而對(duì)于學(xué)習(xí)余力不足的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減輕該門課程的壓力，要求其掌握基本技能即可，空出精力與時(shí)間，有利于其對(duì)于本專業(yè)課程的更好掌握。

1 層次劃分標(biāo)準(zhǔn)

層次劃分為多層次教學(xué)方法的關(guān)鍵點(diǎn)之一。若層次過少，梯度過大，成為兩極化教學(xué)，有悖于層次教學(xué)的本意。層次劃分過多，則教學(xué)工作的難度和工作量激增，整個(gè)過程不易控制[3]。

因此，我們決定暫時(shí)定位三個(gè)層次，即本著優(yōu)秀—良好—中等的原則劃分。今后可能根據(jù)情況再行調(diào)節(jié)。

三個(gè)層次定位如下:①基本層—能夠做到基本理解實(shí)驗(yàn)原理，基本掌握實(shí)驗(yàn)連線與測試的能力;②提高層—能夠較為深入地理解實(shí)驗(yàn)原理，具有一定的實(shí)驗(yàn)調(diào)試能力;③精進(jìn)層—完全理解實(shí)驗(yàn)原理，具有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試能力，具有較強(qiáng)的分析和解決問題的能力。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以學(xué)生為主體的教學(xué)行為。采用多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法時(shí)，層次選擇的權(quán)力應(yīng)該交由學(xué)生自己，教師不應(yīng)參與過多意見。

2 實(shí)現(xiàn)條件

多層次教學(xué)模式下，如果仍然采用傳統(tǒng)的傳遞式教學(xué)方式，投入的師資和軟硬件條件規(guī)模將翻倍。因此，需要以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主體。該形式還可以有效激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)需要滿足一系列的條件。如圖1所示，主要需要兩大支撐:一是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的各種軟硬件條件俱全[4]，二是可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，即有效激勵(lì)。

圖1 實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的支撐條件

軟硬件條件主要包括兩部分:

(1)預(yù)習(xí)資料:如果在實(shí)驗(yàn)過程中，單純要求廣泛大量的搜索、查閱、整理資料，對(duì)于學(xué)習(xí)“電工學(xué)”的非電類學(xué)生而言，耗費(fèi)精力過大。因此，實(shí)驗(yàn)必備的學(xué)習(xí)材料由實(shí)驗(yàn)中心提供。

(2)開放式學(xué)習(xí)環(huán)境:全自主開放式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引進(jìn)為學(xué)生在空閑時(shí)間自己安排實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)提供了必要條件。

一錘定音的考核方式已難以適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)要求，從預(yù)習(xí)開始，到實(shí)驗(yàn)操作，到撰寫報(bào)告，整個(gè)過程的考核才是真正有效的激勵(lì)方式。

3 具體案例

本文以如圖2所示的共發(fā)射極放大電路為例，詳細(xì)介紹多層次教學(xué)在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方法。

圖2 分壓式偏置式共發(fā)射極放大電路

3.1 教學(xué)目的

(1)理論準(zhǔn)備:使不同層次的學(xué)生都能夠加深對(duì)實(shí)驗(yàn)電路原理與方法的理解，學(xué)會(huì)利用理論估算預(yù)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)特性。

(2)實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng):提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、調(diào)試和總結(jié)分析的能力。具體包括:靜態(tài)工作點(diǎn)、放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等指標(biāo)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。

(3)實(shí)驗(yàn)手段拓展:在基本掌握常用電子儀器設(shè)備的使用方法的同時(shí)，了解并掌握軟件仿真方法，進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)手段與實(shí)驗(yàn)方法[5]。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)共發(fā)射極放大電路的靜、動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、分析與測試，由難至易設(shè)計(jì)3套實(shí)驗(yàn)方案，具體分類如下。

A類:

(1)能夠獨(dú)立完成共發(fā)射極放大電路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)。

(2)采用PSpice軟件完成自行設(shè)計(jì)電路的仿真。

(3)設(shè)計(jì)直流通路的調(diào)試方法，確定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

(4)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試方法，測試放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、最大不失真電壓和通頻帶等;觀察非線性失真波形，并分析其產(chǎn)生的原因。

B類:(1)給定共發(fā)射極放大電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

(2)采用PSpice軟件完成自設(shè)參數(shù)電路仿真。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)建議的方法，調(diào)試直流通路，確定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的方法，測試放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、最大不失真電壓和通頻帶等;調(diào)節(jié)并觀察截止失真和飽和失真波形。

C類:

(1)能夠分析計(jì)算給定結(jié)構(gòu)與參數(shù)的電路靜態(tài)工作點(diǎn)與動(dòng)態(tài)參數(shù)。

(2)采用EELABI仿真軟件分析給定電路的靜、動(dòng)態(tài)特性。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)給出的調(diào)試方法，確定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的測試方法，測試放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

(1)預(yù)考核:預(yù)考核包括理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)操作和軟件仿真各5道題，共15題。

A、B、C類分別答對(duì)13、11和8道題為通過。如未達(dá)標(biāo)，則降級(jí)實(shí)驗(yàn)，C類條件亦未達(dá)標(biāo)，則取消當(dāng)次實(shí)驗(yàn)資格。

(2)仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí):在實(shí)驗(yàn)前完成視頻所示仿真實(shí)例。

(3)實(shí)物實(shí)驗(yàn):A類自行設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)，B類對(duì)給定結(jié)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)參數(shù)，C類搭接給定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的電路。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試及動(dòng)態(tài)特性的分析與測試，并將實(shí)測結(jié)果與理論值、仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。

(4)仿真驗(yàn)證:根據(jù)實(shí)際電路和元件參數(shù)，進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析。

(5)報(bào)告撰寫:撰寫并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.4 實(shí)驗(yàn)操作流程

實(shí)驗(yàn)操作流程圖如圖3所示，共包括以下九個(gè)步驟:

圖3 操作流程圖

(1)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—可選擇設(shè)計(jì)任何一類共發(fā)射極放大電路，如固定偏置式共發(fā)射極放大電路，亦可選擇分壓式偏置共發(fā)射極放大電路(工作原理如圖1所示)。

(2)電路參數(shù)設(shè)計(jì)—根據(jù)三極管的特性參數(shù)初步設(shè)計(jì)電路參數(shù)，包括基極電阻、集電極電阻、射極電阻等。參數(shù)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)前完成，可以采用仿真軟件驗(yàn)證。

(3)靜態(tài)工作點(diǎn)測試—將放大器的輸入信號(hào)置零，測量三極管各極的對(duì)地電位，由此計(jì)算相應(yīng)的靜態(tài)值。

(4)判斷靜態(tài)工作點(diǎn)是否合理—在放大器的輸入端加入信號(hào)，檢查輸出電壓的大小和波形是否滿足要求。如不滿足，則應(yīng)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的位置。如圖1所示電路，改變電路的參數(shù)會(huì)引起靜態(tài)工作點(diǎn)的變化，但通常多采用調(diào)節(jié)電阻RB的方法來改變靜態(tài)工作點(diǎn)。

(5)電壓放大倍數(shù)的測試—加入輸入電壓，在輸出電壓不失真的情況下，用交流毫伏表測量，計(jì)算電壓放大倍數(shù)。

(6)輸入電阻的測試—在放大器和信號(hào)源之間串入一個(gè)已知電阻。在放大器不失真的情況下，用交流毫伏表測量，計(jì)算輸入電阻。

(7)輸出電阻的測試—在放大器不失真放大的條件下，測量輸出端的空載電壓和有載電壓，計(jì)算輸出電阻。

(8)最大不失真輸出電壓的測試—逐步增大輸入信號(hào)幅度，使輸出幅度最大且無明顯失真時(shí)，測量最大不失真輸出電壓峰峰值。

(9)通頻帶的測試—保持輸入信號(hào)的幅度不變，只改變信號(hào)源的頻率，測量放大器的電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系曲線。當(dāng)電壓放大倍數(shù)下降到中頻放大倍數(shù)的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率分別稱為上、下限截止頻率。

3.5 考核評(píng)價(jià)辦法

(1)評(píng)分定位按照如下的難度區(qū)分:①A類任務(wù):80～100分;②B類任務(wù):70～90分;③C類任務(wù):60～80分。

(2)每類任務(wù)完成優(yōu)劣依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定:①實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)—預(yù)習(xí)題回答情況以及實(shí)例仿真情況，20分;②實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備—電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖與參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，20分;③實(shí)物驗(yàn)收—2學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)生的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)物測試結(jié)果，40分;④ 實(shí)驗(yàn)報(bào)告—實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性，包括后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與仿真驗(yàn)證，20分。

(3)另設(shè)加分項(xiàng)，如:詳細(xì)的誤差分析、共發(fā)射極的輸出特性影響分析、共發(fā)射極電路的實(shí)際應(yīng)用拓展等。

4 結(jié)語

本文的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有以下特點(diǎn):

(1)具有層次教學(xué)的特點(diǎn)，即針對(duì)性強(qiáng)，可有效提高非電類學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)踐能力。另外，亦可建立起學(xué)生之間的良性競爭機(jī)制。

(2)自主性實(shí)驗(yàn)—以學(xué)生為主體，融入了復(fù)合式教學(xué)的理念，即將教師“教授”，與學(xué)生“自學(xué)”相結(jié)合，發(fā)揮了師生雙方的能動(dòng)作用。

(3)過程考核—采取過程考核方式，更加公平公正，且整個(gè)過程方便調(diào)整，利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推進(jìn)。

(4)網(wǎng)絡(luò)化—網(wǎng)絡(luò)化的資源共享實(shí)現(xiàn)了資源的最大化，網(wǎng)絡(luò)化的及時(shí)討論和反饋，大大提高了教學(xué)效率，改善了教學(xué)效果。

(5)引入仿真環(huán)節(jié)—仿真的利用可以檢驗(yàn)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果。對(duì)于工科學(xué)生來講仿真技術(shù)也是將來工程實(shí)踐的利器。

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