多层次教学方法在“电工学实验”中的应用

樊薇薇，吴世华，李 锡

(哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院，山东威海264209)

针对非电类专业学生开设的“电工学”课程，它的主要任务有两个:一是使学生受到电类基本技能的训练，在工程实际应用中不至于一无所知，措手不及;二是为学生今后能够更好地学习相关的后续专业课程，为从事与电类学科交叉渗透的工程项目打下基础。

相应地，实验教学方面，对于第一个任务而言，实验内容无需过多、过难。而对于第二个任务而言，实验教学内容必须能够进一步夯实基础，甚至有所创新[1]。

以上为构思本文多层次实验设计方案的主旨所在。具体体现在:从学生自身兴趣、是否有学习余力方面考虑:兴趣浓厚，余力绰绰的学生，应当鼓励其自主、独立和创新性地完成实验[2]。而对于学习余力不足的学生，应当适当减轻该门课程的压力，要求其掌握基本技能即可，空出精力与时间，有利于其对于本专业课程的更好掌握。

1 层次划分标准

层次划分为多层次教学方法的关键点之一。若层次过少，梯度过大，成为两极化教学，有悖于层次教学的本意。层次划分过多，则教学工作的难度和工作量激增，整个过程不易控制[3]。

因此，我们决定暂时定位三个层次，即本着优秀—良好—中等的原则划分。今后可能根据情况再行调节。

三个层次定位如下:①基本层—能够做到基本理解实验原理，基本掌握实验连线与测试的能力;②提高层—能够较为深入地理解实验原理，具有一定的实验调试能力;③精进层—完全理解实验原理，具有实验设计和调试能力，具有较强的分析和解决问题的能力。

应该强调的是，实验教学是以学生为主体的教学行为。采用多层次实验教学方法时，层次选择的权力应该交由学生自己，教师不应参与过多意见。

2 实现条件

多层次教学模式下，如果仍然采用传统的传递式教学方式，投入的师资和软硬件条件规模将翻倍。因此，需要以学生的自主学习为主体。该形式还可以有效激发学生独立思考、创新设计的能力。

实现自主学习需要满足一系列的条件。如图1所示，主要需要两大支撑:一是实验内容相关的各种软硬件条件俱全[4]，二是可以有效调动学生自主学习的积极性，即有效激励。

图1 实现自主学习的支撑条件

软硬件条件主要包括两部分:

(1)预习资料:如果在实验过程中，单纯要求广泛大量的搜索、查阅、整理资料，对于学习“电工学”的非电类学生而言，耗费精力过大。因此，实验必备的学习材料由实验中心提供。

(2)开放式学习环境:全自主开放式实验系统的引进为学生在空闲时间自己安排实验相关内容的学习提供了必要条件。

一锤定音的考核方式已难以适应现代教学要求，从预习开始，到实验操作，到撰写报告，整个过程的考核才是真正有效的激励方式。

3 具体案例

本文以如图2所示的共发射极放大电路为例，详细介绍多层次教学在电工学实验中的应用方法。

图2 分压式偏置式共发射极放大电路

3.1 教学目的

(1)理论准备:使不同层次的学生都能够加深对实验电路原理与方法的理解，学会利用理论估算预计静态工作点和动态特性。

(2)实验技能培养:提高实验设计、调试和总结分析的能力。具体包括:静态工作点、放大倍数、输入电阻、输出电阻等指标的设计与调试方法。

(3)实验手段拓展:在基本掌握常用电子仪器设备的使用方法的同时，了解并掌握软件仿真方法，进一步拓展实验手段与实验方法[5]。

3.2 实验内容

针对共发射极放大电路的静、动态特性，进行实验的设计、分析与测试，由难至易设计3套实验方案，具体分类如下。

A类:

(1)能够独立完成共发射极放大电路的结构与参数设计。

(2)采用PSpice软件完成自行设计电路的仿真。

(3)设计直流通路的调试方法，确定合适的静态工作点。

(4)自行设计实验测试方法，测试放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真电压和通频带等;观察非线性失真波形，并分析其产生的原因。

B类:(1)给定共发射极放大电路结构的参数设计。

(2)采用PSpice软件完成自设参数电路仿真。

(3)根据实验建议的方法，调试直流通路，确定合适的静态工作点。

(4)根据实验要求的方法，测试放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真电压和通频带等;调节并观察截止失真和饱和失真波形。

C类:

(1)能够分析计算给定结构与参数的电路静态工作点与动态参数。

(2)采用EELABI仿真软件分析给定电路的静、动态特性。

(3)根据实验给出的调试方法，确定合适的静态工作点。

(4)根据实验要求的测试方法，测试放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

3.3 实验过程

(1)预考核:预考核包括理论基础、实验操作和软件仿真各5道题，共15题。

A、B、C类分别答对13、11和8道题为通过。如未达标，则降级实验，C类条件亦未达标，则取消当次实验资格。

(2)仿真实验学习:在实验前完成视频所示仿真实例。

(3)实物实验:A类自行设计电路结构及参数，B类对给定结构的电路设计参数，C类搭接给定结构和参数的电路。实验内容主要包括静态工作点的调试及动态特性的分析与测试，并将实测结果与理论值、仿真结果进行比较分析。

(4)仿真验证:根据实际电路和元件参数，进行仿真，并将仿真结果与理论计算值进行比较分析。

(5)报告撰写:撰写并提交实验报告。

3.4 实验操作流程

实验操作流程图如图3所示，共包括以下九个步骤:

图3 操作流程图

(1)电路结构设计—可选择设计任何一类共发射极放大电路，如固定偏置式共发射极放大电路，亦可选择分压式偏置共发射极放大电路(工作原理如图1所示)。

(2)电路参数设计—根据三极管的特性参数初步设计电路参数，包括基极电阻、集电极电阻、射极电阻等。参数设计在实验前完成，可以采用仿真软件验证。

(3)静态工作点测试—将放大器的输入信号置零，测量三极管各极的对地电位，由此计算相应的静态值。

(4)判断静态工作点是否合理—在放大器的输入端加入信号，检查输出电压的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。如图1所示电路，改变电路的参数会引起静态工作点的变化，但通常多采用调节电阻RB的方法来改变静态工作点。

(5)电压放大倍数的测试—加入输入电压，在输出电压不失真的情况下，用交流毫伏表测量，计算电压放大倍数。

(6)输入电阻的测试—在放大器和信号源之间串入一个已知电阻。在放大器不失真的情况下，用交流毫伏表测量，计算输入电阻。

(7)输出电阻的测试—在放大器不失真放大的条件下，测量输出端的空载电压和有载电压，计算输出电阻。

(8)最大不失真输出电压的测试—逐步增大输入信号幅度，使输出幅度最大且无明显失真时，测量最大不失真输出电压峰峰值。

(9)通频带的测试—保持输入信号的幅度不变，只改变信号源的频率，测量放大器的电压放大倍数与频率的关系曲线。当电压放大倍数下降到中频放大倍数的0.707倍时所对应的频率分别称为上、下限截止频率。

3.5 考核评价办法

(1)评分定位按照如下的难度区分:①A类任务:80～100分;②B类任务:70～90分;③C类任务:60～80分。

(2)每类任务完成优劣依据以下标准评定:①实验预习—预习题回答情况以及实例仿真情况，20分;②实验准备—电路结构设计图与参数设计数据，20分;③实物验收—2学时内学生的现场实验操作及实物测试结果，40分;④ 实验报告—实验报告的完整性，包括后续的数据处理与仿真验证，20分。

(3)另设加分项，如:详细的误差分析、共发射极的输出特性影响分析、共发射极电路的实际应用拓展等。

4 结语

本文的实验教学方法具有以下特点:

(1)具有层次教学的特点，即针对性强，可有效提高非电类学生的学习效率和实践能力。另外，亦可建立起学生之间的良性竞争机制。

(2)自主性实验—以学生为主体，融入了复合式教学的理念，即将教师“教授”，与学生“自学”相结合，发挥了师生双方的能动作用。

(3)过程考核—采取过程考核方式，更加公平公正，且整个过程方便调整，利于实验教学的推进。

(4)网络化—网络化的资源共享实现了资源的最大化，网络化的及时讨论和反馈，大大提高了教学效率，改善了教学效果。

(5)引入仿真环节—仿真的利用可以检验理论推导和实验测试的结果。对于工科学生来讲仿真技术也是将来工程实践的利器。

[1]郝凤肖钱莉张善姝.电工电子技术实训培养模式的改革与创新[J].石家庄:教育教学论坛，2012.22:144-145

[2]程南.电工电子实践教学环节对动手能力培养途径的分析[J].西安:高校实验室工作研究，2013.4:32-33，59

[3]冯根良郑青根.多层次电子电工实验教学体系建设与实践[J].上海:实验室研究与探索，2009.28(3):80-82，93

[4]杨德先陆继明吴彤尹项根.电气工程专业综合实验平台和实验教材建设[J].南京:电气电子教学学报，2007.29(1):64-66

[5]胡珊.基于Matlab的电工实验仿真研究[J].南京:电力自动化设备，2004.24(11):60-61，64