设计性实验的教学改革与实践

摘要： 针对高校电工电子实验教学改革的情况，本文以微积分电路设计与实现为例提出了综合性设计性实验内容的设计思路，通过实践证明此改革对于培养学生的设计能力、创新能力、分析解决问题的能力具有明显作用。

关键词： 实验教学 设计性实验 微分电路

前言

实验教学对提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊的不可替代的作用，实验教学质量的好坏直接关系到人才培养质量的高低。我院电工电子实验室改革了实验室管理体制，优化了实验室布局结构，多渠道筹资改善了基础教学实验条件，修订了教学计划，优化了实验课程体系，更新了实验教学内容，开出了综合性、设计性实验，实验室开放也逐步实现并取得了良好的效果，在2007年被评为陕西省省级电工电子实验教学示范中心。笔者在此谈谈实验教学改革中设计性实验的方法和效果。

电路分析基础实验课程没有独立设课，它与相应的课程内容密切相关，其特点是实验内容多而广，主要为验证性实验，所以在实验课程中主要是把课本中学到的理论知识搬到实验课上，按照实验讲义中给出的实验内容和步骤按部就班地进行实验，学生虽然动手做了实验，但只是“被动实验”，学生的创新能力没有得到充分发挥，教学效果不尽如人意。因此本实验课采取强化基本技能训练，增加综合性实验，增设创新性实验设计的实验教学方法，以进一步深化电路实验教学改革。同时，在基本技能扎实准确的基础上充分调动学生学习的积极性和主动性，培养学生的综合能力和创新意识。设计性实验的改革主要确定学生在实验过程中的主体地位，这样更加体现了学生预习实验的重要性，学生熟悉实验原理后，设计属于自己的实验，从设计实验内容、步骤，计算实验元器件参数，到使用实验器材都是由学生自行完成，充分激发了学生的实验兴趣和创新思维，学生自己完成实验任务，让学生的动手能力及创新能力得到了发挥。下面以微积分电路的设计与实现为例论述。

1.微积分电路的设计与实现原理简述

1.1微分电路设计原理

微分电路是RC充放电电路，但微分电路必须满足两个条件：

a.输出电压必须从电阻两端取出。

b.时间常数τ=RC?垲t ，t 为方波脉冲脉宽，即 T=t 。通常应使脉冲脉宽t 至少比时间常数τ大5倍以上，即5τ=5RC≤t 。

若取R=R ，则C≤t /5R ,u =u =i•R≈RC 。

表明输出电压u 与输入电压u 对时间的微分成正比，电路称之为微分电路。

1.2积分电路设计原理

积分电路也是RC充放电电路，积分电路也必须满足两个条件：

a.输出电压必须从电容两端取出。

b.时间常数τ=RC?垌t ，t 为方波脉冲脉宽，即 T=t 。通常应使时间常数τ至少比脉冲脉宽t 大5倍以上，即τ=RC≥5t 。

若取R=R ，则C≥5t /R ，u =u = ?蘩idt≈ ?蘩u dt。

可见输出电压和输入电压成积分关系，因此称这种电路为积分电路。

2.实验要求

做实验前复习微分电路和积分电路的有关内容，熟悉响应的性质、响应曲线的画法。在做本次实验前必须有完整的实验预习设计报告，清楚地写出本次实验的原理内容，有关电子元件在直流状态、交流状态的工作情况，熟悉常用实验仪器的作用和使用方法及注意事项，提出实验中所需设备、用途、数量，简述测试原理。实验报告中写出实验的测试及分析过程（用流程框图说明元器件的辨别过程），绘出电路原理图，列出参数的计算过程，画出实验中所观察到的波形，并和预习报告中的波形作比较。在实验的过程中注意用电安全，实验教师为学生提供所需的仪器和元件，实验由学生自主设计完成。

3.设计任务

3.1设计任务

设计一个简单的RC微分电路，将方波变换成尖脉冲波。设计一个简单的RC积分电路，将方波变换成三角波。

3.2设计条件

3.2.1输入信号频率为1kHz、输入信号电压U 为1.6V的方波信号。

3.2.2给定元件参数范围（从下列参数中选择满足实验条件的一个电阻和一个电容）。

电阻：功率1/8W阻值1K5.1K10K100K1MΩ

功率1/4W阻值1K5.1K10K100K1MΩ

功率1/2W阻值1K5.1K10K100K1MΩ

电容：耐压值1.6V容量1000P3300P0.01μF0.1μF1μF

耐压值4V容量1000P3300P0.01μF0.1μF1μF

耐压值6.3V容量1000P3300P0.01μF0.1μF1μF

微分电路实现条件，确定电阻的阻值大小，电容的容量大小。

根据以上所给出的条件学生可以自行设计实验参数，下列为其中一组参考值，

f=1kHz?圯T=0.001s?圯t = =0.0005s

τ=RC?垲t

5RC≤t ，5RC≤0.0005s

从参数表中取定R值或C值求另一参数。

说明电阻的功率和电容的耐压要求或电阻的功率为1/8W，电容的耐压值为4V。

依据积分电路实现条件，确定电阻的阻值大小，电容的容量大小。

下列为参考值：

f=2kHz?圯T=0.005s?圯t =0.00025s

τ=RCk?垌t

RC≥5t ，RC≥5×0.0005s

从参数表中选取R值或C值，求另一参数。说明电阻的功率和电容的耐压要求或电阻的功率为1/8W，电容的耐压值为6.3V。

学生设定好参数后，就可以根据实验原理选择实验仪器，设计实验步骤，完成实验内容，记录实验数据和波形，最后完成实验报告。

学生在做此类实验前要做好设计工作，实验前指导教师要仔细检查学生设计报告的合理性，指出方案中的不足、缺陷与错误，并提出修改意见，然后分组组织学生讨论，交流设计方案，互相取长补短，集思广益，开拓思路。

4.经验与体会

学生自主设计实验，能增强学生的动手能力和工程设计能力，调动学生的积极性，通过设计实验参数和选择实验仪器，增强学生对理论知识的理解，掌握常用实验仪器的使用。据了解，目前国内一些重点学校的实验正从验证性实验过渡到设计性实验，以利用实验课程充分使学生的动手能力和创新能力上一个新水平。我实验室结合我校的实际情况，已经在两届学生中实施了设计性实验教学改革，学生的反映良好，对电路分析基础实验课程的兴趣很高，受到了学生普遍欢迎，也收到了良好的教学效果。实践证明，这种实验教学改革是成功的，它具有以下几个优点：学生对于这种新的实验教学模式感兴趣，能充分调动学生学习的积极性；学生要设完成设计任务就必须复习课本中的理论知识，加深了对理论知识的理解；能够培养学生创造性思维的能力，使学生的个性得到充分的展示。

结语

本文为立足电路分析基础实验课程改革，以微分电路设计与实现为例，讨论了设计方案、思路，目的是提高学生的综合设计和创新能力。希望能和广大实验教师交流此类实验，从而达到提高实验教学水平的目的。

参考文献：

［1］杨绍斌.指导学生自行设计实验，启发学生创造思维.实验教学与改革.陕西示范大学出版社，2004，（4）.

［2］刘德文.实验室管理［M］.西北大学出版社，1986.

［3］唐胜安.建立新型实验教学课程体系［J］.实验室研究与探索，2002.21，（4）：13-14.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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