多層次教學方法在“電工學實驗”中的應用

樊薇薇，吳世華，李 錫

(哈爾濱工業大學(威海)信息與電氣工程學院，山東威海264209)

針對非電類專業學生開設的“電工學”課程，它的主要任務有兩個:一是使學生受到電類基本技能的訓練，在工程實際應用中不至于一無所知，措手不及;二是為學生今后能夠更好地學習相關的后續專業課程，為從事與電類學科交叉滲透的工程項目打下基礎。

相應地，實驗教學方面，對于第一個任務而言，實驗內容無需過多、過難。而對于第二個任務而言，實驗教學內容必須能夠進一步夯實基礎，甚至有所創新[1]。

以上為構思本文多層次實驗設計方案的主旨所在。具體體現在:從學生自身興趣、是否有學習余力方面考慮:興趣濃厚，余力綽綽的學生，應當鼓勵其自主、獨立和創新性地完成實驗[2]。而對于學習余力不足的學生，應當適當減輕該門課程的壓力，要求其掌握基本技能即可，空出精力與時間，有利于其對于本專業課程的更好掌握。

1 層次劃分標準

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

因此，我們決定暫時定位三個層次，即本著優秀—良好—中等的原則劃分。今后可能根據情況再行調節。

三個層次定位如下:①基本層—能夠做到基本理解實驗原理，基本掌握實驗連線與測試的能力;②提高層—能夠較為深入地理解實驗原理，具有一定的實驗調試能力;③精進層—完全理解實驗原理，具有實驗設計和調試能力，具有較強的分析和解決問題的能力。

應該強調的是，實驗教學是以學生為主體的教學行為。采用多層次實驗教學方法時，層次選擇的權力應該交由學生自己，教師不應參與過多意見。

2 實現條件

多層次教學模式下，如果仍然采用傳統的傳遞式教學方式，投入的師資和軟硬件條件規模將翻倍。因此，需要以學生的自主學習為主體。該形式還可以有效激發學生獨立思考、創新設計的能力。

實現自主學習需要滿足一系列的條件。如圖1所示，主要需要兩大支撐:一是實驗內容相關的各種軟硬件條件俱全[4]，二是可以有效調動學生自主學習的積極性，即有效激勵。

圖1 實現自主學習的支撐條件

軟硬件條件主要包括兩部分:

(1)預習資料:如果在實驗過程中，單純要求廣泛大量的搜索、查閱、整理資料，對于學習“電工學”的非電類學生而言，耗費精力過大。因此，實驗必備的學習材料由實驗中心提供。

(2)開放式學習環境:全自主開放式實驗系統的引進為學生在空閑時間自己安排實驗相關內容的學習提供了必要條件。

一錘定音的考核方式已難以適應現代教學要求，從預習開始，到實驗操作，到撰寫報告，整個過程的考核才是真正有效的激勵方式。

3 具體案例

本文以如圖2所示的共發射極放大電路為例，詳細介紹多層次教學在電工學實驗中的應用方法。

圖2 分壓式偏置式共發射極放大電路

3.1 教學目的

(1)理論準備:使不同層次的學生都能夠加深對實驗電路原理與方法的理解，學會利用理論估算預計靜態工作點和動態特性。

(2)實驗技能培養:提高實驗設計、調試和總結分析的能力。具體包括:靜態工作點、放大倍數、輸入電阻、輸出電阻等指標的設計與調試方法。

(3)實驗手段拓展:在基本掌握常用電子儀器設備的使用方法的同時，了解并掌握軟件仿真方法，進一步拓展實驗手段與實驗方法[5]。

3.2 實驗內容

針對共發射極放大電路的靜、動態特性，進行實驗的設計、分析與測試，由難至易設計3套實驗方案，具體分類如下。

A類:

(1)能夠獨立完成共發射極放大電路的結構與參數設計。

(2)采用PSpice軟件完成自行設計電路的仿真。

(3)設計直流通路的調試方法，確定合適的靜態工作點。

(4)自行設計實驗測試方法，測試放大電路的電壓放大倍數、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，并分析其產生的原因。

B類:(1)給定共發射極放大電路結構的參數設計。

(2)采用PSpice軟件完成自設參數電路仿真。

(3)根據實驗建議的方法，調試直流通路，確定合適的靜態工作點。

(4)根據實驗要求的方法，測試放大電路的電壓放大倍數、輸入電阻、輸出電阻、最大不失真電壓和通頻帶等;調節并觀察截止失真和飽和失真波形。

C類:

(1)能夠分析計算給定結構與參數的電路靜態工作點與動態參數。

(2)采用EELABI仿真軟件分析給定電路的靜、動態特性。

(3)根據實驗給出的調試方法，確定合適的靜態工作點。

(4)根據實驗要求的測試方法，測試放大電路的電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻。

3.3 實驗過程

(1)預考核:預考核包括理論基礎、實驗操作和軟件仿真各5道題，共15題。

A、B、C類分別答對13、11和8道題為通過。如未達標，則降級實驗，C類條件亦未達標，則取消當次實驗資格。

(2)仿真實驗學習:在實驗前完成視頻所示仿真實例。

(3)實物實驗:A類自行設計電路結構及參數，B類對給定結構的電路設計參數，C類搭接給定結構和參數的電路。實驗內容主要包括靜態工作點的調試及動態特性的分析與測試，并將實測結果與理論值、仿真結果進行比較分析。

(4)仿真驗證:根據實際電路和元件參數，進行仿真，并將仿真結果與理論計算值進行比較分析。

(5)報告撰寫:撰寫并提交實驗報告。

3.4 實驗操作流程

實驗操作流程圖如圖3所示，共包括以下九個步驟:

圖3 操作流程圖

(1)電路結構設計—可選擇設計任何一類共發射極放大電路，如固定偏置式共發射極放大電路，亦可選擇分壓式偏置共發射極放大電路(工作原理如圖1所示)。

(2)電路參數設計—根據三極管的特性參數初步設計電路參數，包括基極電阻、集電極電阻、射極電阻等。參數設計在實驗前完成，可以采用仿真軟件驗證。

(3)靜態工作點測試—將放大器的輸入信號置零，測量三極管各極的對地電位，由此計算相應的靜態值。

(4)判斷靜態工作點是否合理—在放大器的輸入端加入信號，檢查輸出電壓的大小和波形是否滿足要求。如不滿足，則應調節靜態工作點的位置。如圖1所示電路，改變電路的參數會引起靜態工作點的變化，但通常多采用調節電阻RB的方法來改變靜態工作點。

(5)電壓放大倍數的測試—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，計算電壓放大倍數。

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

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

(9)通頻帶的測試—保持輸入信號的幅度不變，只改變信號源的頻率，測量放大器的電壓放大倍數與頻率的關系曲線。當電壓放大倍數下降到中頻放大倍數的0.707倍時所對應的頻率分別稱為上、下限截止頻率。

3.5 考核評價辦法

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

(2)每類任務完成優劣依據以下標準評定:①實驗預習—預習題回答情況以及實例仿真情況，20分;②實驗準備—電路結構設計圖與參數設計數據，20分;③實物驗收—2學時內學生的現場實驗操作及實物測試結果，40分;④ 實驗報告—實驗報告的完整性，包括后續的數據處理與仿真驗證，20分。

(3)另設加分項，如:詳細的誤差分析、共發射極的輸出特性影響分析、共發射極電路的實際應用拓展等。

4 結語

本文的實驗教學方法具有以下特點:

(1)具有層次教學的特點，即針對性強，可有效提高非電類學生的學習效率和實踐能力。另外，亦可建立起學生之間的良性競爭機制。

(2)自主性實驗—以學生為主體，融入了復合式教學的理念，即將教師“教授”，與學生“自學”相結合，發揮了師生雙方的能動作用。

(3)過程考核—采取過程考核方式，更加公平公正，且整個過程方便調整，利于實驗教學的推進。

(4)網絡化—網絡化的資源共享實現了資源的最大化，網絡化的及時討論和反饋，大大提高了教學效率，改善了教學效果。

(5)引入仿真環節—仿真的利用可以檢驗理論推導和實驗測試的結果。對于工科學生來講仿真技術也是將來工程實踐的利器。

[1]郝鳳肖錢莉張善姝.電工電子技術實訓培養模式的改革與創新[J].石家莊:教育教學論壇，2012.22:144-145

[2]程南.電工電子實踐教學環節對動手能力培養途徑的分析[J].西安:高校實驗室工作研究，2013.4:32-33，59

[3]馮根良鄭青根.多層次電子電工實驗教學體系建設與實踐[J].上海:實驗室研究與探索，2009.28(3):80-82，93

[4]楊德先陸繼明吳彤尹項根.電氣工程專業綜合實驗平臺和實驗教材建設[J].南京:電氣電子教學學報，2007.29(1):64-66

[5]胡珊.基于Matlab的電工實驗仿真研究[J].南京:電力自動化設備，2004.24(11):60-61，64