測(cè)控電路課程設(shè)置與教學(xué)實(shí)踐

測(cè)控電路課程設(shè)置與教學(xué)實(shí)踐

理論教育和實(shí)踐教育是大多數(shù)研究生教育的典型教育方法，是教育體系的有機(jī)組成部分。如果這兩種缺陷和缺陷導(dǎo)致教育體系的不完整，對(duì)教育和教育沒(méi)有負(fù)面影響。理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系測(cè)控電路課程是測(cè)控技術(shù)與儀器的專業(yè)主干課,電路基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等先修課程為其理論基礎(chǔ),并且與工程實(shí)踐緊密結(jié)合,但在教學(xué)中存在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)問(wèn)題。因此,在測(cè)控電路課程教學(xué)中開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式的改革。下面主要針對(duì)該課程的教學(xué)改革內(nèi)容、特色以及典型教學(xué)環(huán)節(jié)。1建立高層次實(shí)踐教學(xué)與應(yīng)用探索混合式教學(xué)的制度設(shè)計(jì)通過(guò)建設(shè)一支具有較高理論水平和豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的“雙師型”教師隊(duì)伍,設(shè)置理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)混合式教學(xué)環(huán)節(jié),建立與之相適應(yīng)的考核方法,將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)聯(lián)系在一起,解決教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題,突出高層次實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才過(guò)程中的作用,提高學(xué)生的應(yīng)用與創(chuàng)新能力,保證人才培養(yǎng)與社會(huì)需求的緊密銜接。1.1理論和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高層次實(shí)踐教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合從測(cè)控專業(yè)高級(jí)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)入手,構(gòu)建理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)混合式的教學(xué)環(huán)節(jié),淡化課堂理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的界限,有機(jī)融合理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué),解決理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高層次實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才過(guò)程中的突出作用,使培養(yǎng)的學(xué)生從“高分低能”向“高分高能”轉(zhuǎn)變,提高學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐精神和團(tuán)隊(duì)合作精神?；旌鲜浇虒W(xué)中充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生的主體作用。1.2學(xué)習(xí)、研究課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐混合式教學(xué),教師的作用發(fā)生了改變,需要理論知識(shí)豐富、操作技能熟練、知識(shí)融會(huì)貫通;實(shí)時(shí)獲取學(xué)生的問(wèn)題,與采用不同實(shí)現(xiàn)方法、研究不同細(xì)節(jié)的學(xué)生進(jìn)行討論和指導(dǎo);匯總學(xué)生疑點(diǎn)、錯(cuò)誤的想法和解決問(wèn)題的技巧,對(duì)理論知識(shí)和實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行歸納和統(tǒng)一。1.3理論與實(shí)踐統(tǒng)一、升華教學(xué)階段一次教學(xué)活動(dòng)流程為:理論教學(xué)(0.5學(xué)時(shí))→實(shí)踐教學(xué)(3學(xué)時(shí))→理論和實(shí)踐統(tǒng)一、升華(0.5學(xué)時(shí))。在理論教學(xué)階段,教師介紹基本概念并對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行引導(dǎo)。在實(shí)踐教學(xué)階段,教師指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有關(guān)理論,加深對(duì)理論知識(shí)的理解,并通過(guò)觀察、思考、討論等途徑主動(dòng)探索,掌握認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的方法和步驟,研究測(cè)控電路的本質(zhì)特性,發(fā)現(xiàn)電路理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的聯(lián)系、相符及差異情況,得出自己的結(jié)論和解釋。在理論和實(shí)踐統(tǒng)一、升華教學(xué)階段,教師對(duì)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和各組學(xué)生主動(dòng)探索得到的結(jié)論和解釋進(jìn)行總結(jié)、梳理、釋疑并進(jìn)行討論。在教學(xué)環(huán)節(jié)中采用引導(dǎo)式、探究式、討論式和參與式的教學(xué)方法,使學(xué)生之間、教師之間以及師生之間充分交流,實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)統(tǒng)一,知識(shí)的升華。1.4考核方法設(shè)計(jì)針對(duì)理論和實(shí)踐混合式教學(xué)方法,建立包含理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、分析解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力等考核內(nèi)容的考核方法,并提高其在總成績(jī)中所占比例。2混合式教學(xué)方法的特點(diǎn)(1)提出在測(cè)控電路課程教學(xué)中采用“理論引導(dǎo)—實(shí)踐探索—理論和實(shí)踐統(tǒng)一、升華”的理論和實(shí)踐混合式教學(xué)環(huán)節(jié),并通過(guò)采用案例式、引導(dǎo)式、探究式、討論式和參與式的教學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)高層次實(shí)踐教學(xué),理論和實(shí)踐的有機(jī)統(tǒng)一,知識(shí)的升華。(2)針對(duì)理論和實(shí)踐混合式教學(xué)方法,提出包含理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、分析解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力等考核內(nèi)容的考核方法。(3)建立一支具有較高理論水平和豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的“雙師型”教師隊(duì)伍。(4)混合式教學(xué)方法具有其鮮明的特點(diǎn):在教學(xué)內(nèi)容上,將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容合二為一、組成一個(gè)有機(jī)整體,有效避免二者的分離和脫節(jié);在教學(xué)組織方式上,實(shí)現(xiàn)理論課與實(shí)踐課在時(shí)間和空間上的結(jié)合;在師資隊(duì)伍上,授課教師均是具備較高理論水平和豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的“雙師型”教師;在學(xué)生層面上,大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性,從“高分低能”向“高分高能”轉(zhuǎn)變;有利于提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐精神和團(tuán)隊(duì)合作精神。3單元電路的判斷運(yùn)算放大器是測(cè)控電路課程中最基本、最重要的器件,可以構(gòu)成放大電路、運(yùn)算電路、濾波電路、比較器、信號(hào)發(fā)生器等單元電路,放大器的虛短和虛斷現(xiàn)象的正確判斷是掌握放大器工作狀態(tài)的關(guān)鍵。因此,在教改方案中設(shè)計(jì)了“運(yùn)算放大器虛短和虛斷特性及線性和非線性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”的混合式教學(xué)活動(dòng),教學(xué)活動(dòng)安排在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,具體教學(xué)活動(dòng)流程設(shè)計(jì)如下。3.1“器虛短和虛斷特性”的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)在理論教學(xué)階段,教師強(qiáng)調(diào)“運(yùn)算放大器虛短和虛斷特性及線性和非線性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”有關(guān)基本概念和知識(shí)點(diǎn)、說(shuō)明要完成的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)踐探索引導(dǎo)內(nèi)容。3.1.1運(yùn)算放大器信號(hào)特性運(yùn)算放大器等效電路和傳輸特性:通過(guò)介紹運(yùn)算放大器等效電路,讓學(xué)生了解運(yùn)算放大器基本工作原理,掌握運(yùn)算放大器外圍接口特性及使用方法。介紹如圖1所示的運(yùn)算放大器電壓傳輸特性,使學(xué)生了解圖1(a)所示的理想運(yùn)算放大器傳輸特性的本質(zhì)就是放大倍數(shù)為無(wú)窮大的直流放大器,而圖1(b)所示的實(shí)際運(yùn)算放大器傳輸特性反映了運(yùn)算放大器放大倍數(shù)并非無(wú)窮大。(1)運(yùn)算放大器主要參數(shù):了解輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流等參數(shù)基本概念、理想值、實(shí)際值范圍。(2)運(yùn)算放大器基本電路類型:掌握同相放大器、反相放大器、差動(dòng)放大器等線性應(yīng)用和比較器等非線性應(yīng)用的工作原理。(3)運(yùn)算放大器虛短和虛斷:理想放大器一定存在虛斷,放大器是否存在虛短主要取決于運(yùn)算放大器負(fù)反饋的深度。3.1.2反相放大器工作原理(1)比較器電路工作原理、失調(diào)電壓和失調(diào)電流測(cè)量、判斷虛短和虛斷現(xiàn)象。(2)反相放大器工作原理、失調(diào)電壓和失調(diào)電流測(cè)量、判斷虛短和虛斷現(xiàn)象。(3)積分電路工作原理。3.1.3電阻對(duì)虛短現(xiàn)象和放大個(gè)數(shù)的影響(1)研究運(yùn)算放大器存在負(fù)反饋情況下負(fù)反饋電阻對(duì)虛短現(xiàn)象和放大倍數(shù)的影響。(2)研究積分電路在直流輸入信號(hào)和不同頻率交流輸入信號(hào)情況下虛短現(xiàn)象和電路工作原理分析。3.2理論的實(shí)踐應(yīng)用在實(shí)踐教學(xué)階段,在教師指導(dǎo)下,學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有關(guān)理論,并通過(guò)觀察、思考、討論等途徑探索有關(guān)內(nèi)容,掌握認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的方法和步驟,得出自己的結(jié)論和解釋。3.3總結(jié)、梳理、釋疑教師對(duì)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和各組學(xué)生主動(dòng)探索得到的結(jié)論和解釋進(jìn)行總結(jié)、梳理、釋疑并進(jìn)行討論,實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的統(tǒng)一、升華。在這一階段,教師利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程拍攝的影像資料或者電路仿真軟件展示理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。3.3.1理想運(yùn)算放大器的傳輸特性(1)比較器電路工作原理:運(yùn)算放大器在開(kāi)路情況下為比較器電路,當(dāng)同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓時(shí)輸出為正飽和電壓,當(dāng)同相輸入端電壓小于反相輸入端電壓時(shí)輸出為負(fù)飽和電壓,通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證圖1(a)所示的理想運(yùn)算放大器的傳輸特性。(2)運(yùn)算放大器開(kāi)路情況下虛斷、虛短:利用圖2所示運(yùn)算放大器仿真電路演示運(yùn)算放大器開(kāi)路情況下是否存在虛斷、虛短現(xiàn)象。通過(guò)電路中的電壓表和電流表可以觀察到同相輸入端和反相輸入端電流非常小,一般可以認(rèn)為存在虛斷現(xiàn)象,但同相輸入端和反相輸入端的電壓一般不相等,不存在虛短現(xiàn)象。3.3.2放大器放大倍數(shù)a負(fù)反饋情況下環(huán)路放大個(gè)數(shù)a在運(yùn)算放大器存在負(fù)反饋電路分析中,一般情況下認(rèn)為運(yùn)算放大器既存在虛斷又存在虛短,而且理想的放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)都是在假定放大器既存在虛斷又存在虛短的情況下得出的,這就要求放大器的環(huán)路放大倍數(shù)足夠大,為深度負(fù)反饋狀態(tài)。環(huán)路放大倍數(shù)為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和反饋系數(shù)的乘積,當(dāng)放大器選定后,環(huán)路放大倍數(shù)由反饋系數(shù)決定。因此,在實(shí)驗(yàn)中利用如圖3所示實(shí)驗(yàn)電路,測(cè)試運(yùn)算放大器負(fù)反饋電阻對(duì)放大器性能的影響。當(dāng)負(fù)反饋電阻較小時(shí),放大器反饋系數(shù)比較大,處于深度負(fù)反饋,存在虛短現(xiàn)象,放大器放大倍數(shù)的計(jì)算比較精確;當(dāng)負(fù)反饋電阻較大時(shí),放大器反饋系數(shù)比較小,不存在深度負(fù)反饋,同相輸入端電壓和反相輸入端電壓存在誤差,放大器放大倍數(shù)的計(jì)算精度下降。3.3.3電容單方向充電特性(1)直流信號(hào)的積分:運(yùn)算放大器在電容負(fù)反饋情況下是否存在虛短呢?這個(gè)問(wèn)題無(wú)法直接得到答案,因?yàn)榕c輸入信號(hào)有關(guān)。先考慮圖4所示的直流輸入情況,左邊電路輸入電壓為-1V的直流信號(hào),電路輸出為正飽和電壓,反相輸入端的電壓為-1V,不存在虛短;右邊電路輸入電壓為+1V的直流信號(hào),電路輸出為負(fù)飽和電壓,反相輸入端的電壓為+1V,同樣不存在虛短。在直流輸入情況下,電容單方向充電,運(yùn)算放大器很快進(jìn)入飽和。(2)交流信號(hào)的積分:圖5所示為積分電路輸入2V交流信號(hào)的工作情況,圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)所示電路中輸入信號(hào)分別為10Hz,100Hz,500Hz。從穩(wěn)態(tài)角度考慮:當(dāng)輸入信號(hào)頻率越小時(shí),電容的容抗就越大,信號(hào)的放大倍數(shù)越大,輸出信號(hào)大、容易飽和;從暫態(tài)過(guò)程考慮:當(dāng)輸入信號(hào)頻率越小時(shí),充電電流方向變化較慢,電容單方向充電時(shí)間較長(zhǎng),輸出信號(hào)較大。由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可知,當(dāng)輸入信號(hào)為10Hz時(shí),出現(xiàn)了正負(fù)飽和現(xiàn)象,而且在飽和時(shí)間段內(nèi)放大器的反相輸入端的電壓不為零,不存在虛短現(xiàn)象,當(dāng)輸入信號(hào)為100Hz和500Hz時(shí),放大器輸出信號(hào)變小,只出現(xiàn)了正飽和現(xiàn)象,而且在飽和時(shí)間段內(nèi)放大器的反相輸入端的電壓不為零,不存在虛短現(xiàn)象。只出現(xiàn)正飽和的原因是因?yàn)橐恢庇幸粋€(gè)負(fù)的輸入失調(diào)電壓,即反向充電電流在起作用。因此,如果想使輸出的交流信號(hào)不發(fā)生飽和現(xiàn)象,一種方法是在輸入端串聯(lián)一個(gè)與輸入失調(diào)電壓符號(hào)相反的直流電壓,但輸入失調(diào)電壓存在漂移,實(shí)時(shí)補(bǔ)償比較困難;另一種方法是在積分電路的反饋電容上并接一個(gè)電阻,也就是構(gòu)成了低通濾波器,由于電路存有直流負(fù)反饋,存在虛短現(xiàn)象,如圖5(d)所示。4教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式應(yīng)用成效總結(jié)為解決測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)在測(cè)控電路課程教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高層次實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才中的突出作用,在測(cè)控電路教學(xué)中開(kāi)展了測(cè)控電路課程理論和實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式的改革。文章介紹教學(xué)改革的內(nèi)容、改革特色,并且以“運(yùn)算放大器虛短和虛斷特性及線性和非線性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”的