提高实验教学质量的探讨与实践

摘要：实验教学是高等院校教学必不可少的重要组成部分，实验教学的质量直接影响到学生的实践能力与综合素质的提高和创新意识与创新能力的培养。基于信号与系统实验教学的实践，从多方面对如何提高实验教学质量进行探讨。

关键词：信号与系统；实验教学；质量；实践

中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1001-7836（2018）10-0038-03

一个全日制理工科大学生在大学四年的学习中，接受到的实践教学应包括：基础实验教学、专业实验教学、课程设计、科研训练、毕业设计、生产实习等，可相当一部分学生在进行毕业设计时，不知道如何进行设计工作，或对所设计的电路不知如何去进行调试、修改，缺乏科学实验的方法和分析问题、解决问题的能力，更谈不上具有创新意识。面对这样的情况，我们不禁自问，如何才能培养出具有开拓精神和创新能力，满足当今社会需求的学生呢？在毕业设计之前，学生已经经历过很多的实践训练尤其是实验教学的训练，这些实验教学的目的正是为了培养学生的基本实验技能，培养他们的实践及综合应用能力，培养他们分析问题、解决问题的能力和创新精神。但现状却是非常令人不满意的，因此，提高实验教学的质量是我们亟待解决的课题。

1创造良好的实验教学环境

1.1重视实验教学工作

实验教学是高等院校教学体系的一部分，是培养学生科学实验方法和技能、分析问题与解决问题的能力、理论联系实际的学风和实事求是的科学态度的手段，实验教学相对于理论教学更具有直观性、实践性、综合性的特点，在高素质创新型人才的培养中具有理论教学不可替代的地位与作用，实验教学与理论教学不是主从、依附的关系，而是辩证统一的关系，只有重视实验教学才能有效地提高实验教学质量。所以理论课教师必须同时承担实验教学任务，这样才能充分了解学生实验课的表现及学生的实践能力，更好地将理论与实践相结合。

1.2创造满足实验教学的必备条件

实验教学不同于课堂理论教学之处就在于实验教学必须依靠一定的实验装置和仪器、仪表。适当的实验场地，合理的、先进的实验设备是保证实验教学质量必备的硬件条件，此外，制定与课程教学计划相符合的、合理的实验教学计划与大纲，具有先进性、适用性的教材均是保证实验教学质量的必要条件。为此，我们适时地修改了实验教学大纲，增加了新的实验装置，实验指导教材的修订正在编写中。

1.3提高教师队伍的素质

教学由两方面因素构成：教与学，而教的主体是教师，教师的素质会直接影响到教学质量。从事实验教学的教师首先应该严格要求自己，不断学习、更新知识、提高自己的工程素质和业务水平，这样才有可能用自己的知识去为学生答疑、解惑，去启发和吸引学生，提高学生对实验教学的兴趣[1]；其次，应该充分认识实验教学的重要作用，认识自己肩负的重任，全身心地投入到实验教学中，才能把这项工作做得更好。新任实验指导教师必须在老教师的指导下完成一到两期的指导之后才能独立上岗，以保证师资队伍的素质。

2充分发挥教师的主导作用，启迪学生智慧

2.1循循善诱，开拓学生的思维

实验教学重在过程，在大学基础实验教学过程中，首先要培养学生实验的基本技能，指导学生掌握常规仪器的基本原理及使用方法。学生所做的往往是一些验证型实验，在教学过程中，首先提出具有代表性的问题，引导学生对所学相关理论进行回顾，再从理论入手启发学生积极思考实验方案。在进行信号与系统实验中“系统的频率响应特性测量”这一实验项目时，告诉学生：实验室提供给同学们的是一个未知特性的系统，要求大家测出该系统的频率响应特性。那么，学生们首先必须知道什么是系统的频率响应特性，其次是如何去测量。此时不是直接告诉学生测量的原理及方法，而是要求学生回顾，一个稳定的系统在正弦信号激励下系统的稳态响应（输出）是什么，输出信号与输入信号有何异同，这些不同与输入信号的频率之间是否存在关系。由此一番引导之后，学生应该非常清楚，系统的频率响应特性，就是指响应的幅度与相位随激励信号频率改变的情况；频率响应特性的测量就是测出在不同频率激励信号作用下输出信号与输入信号的幅度比和相位差。如何测出输入、输出信号的幅度比对于大多数学生来说都容易想到，但如何借助于常规仪器测出对于输入、输出信号的相位差学生们普遍不清楚，于是可以启发学生将频率相同但幅度、相位不同的两个正弦信号画在同一坐标系中，在频率已知的情况下从图上的坐标系中就可以确定相位差，在实验室则可以将双踪示波器当作坐标纸，将输入、输出处信号同时显示在示波器上即可测出相位差[2]。最后，只要将测量的数据描成曲线即可分别得出幅频特性曲线与相频特性曲线。这就是频率响应特性的逐点测量法。这样一来学生不仅知其然，而且知其所以然。

2.2让学生学会理论联系实际

实验过程中，一旦出现了与理论不相符合的实验现象，要启发学生从不同的角度去分析这一实验现象的形成原因，让学生体会到理论来源于实践，但实践受客观因素的影响有时与理想状况是有区别的。应该在理论指导下进行实践，在实践中丰富理论知识，培养学生理论联系实际的学风。譬如在做不同频率的方波通过低通滤波器的实验时，要求学生观察下列三种情况下的输出波形：fi

2.3培养学生分析问题、解决问题的能力

实验教学教的是方法。在教学过程中，当学生提出问题时教师不要急于回答，首先应引导学生自己去分析可能产生问题的原因，然后再指导学生去逐项排查，并找出解决问题的方法。在实验教学中经常会遇到这一类现象，学生会突然提出，刚才实验还是好好的可现在示波器上什么波形都没了，这时教师不能马上告诉学生问题出在何处，而是提示学生出现这一现象的原因可能有：电源故障，用于观察输出信号的示波器或连接线有故障，信号源或输入端的连接线有故障，实验中用到的其他儀器故障，实验电路由于虚焊、脱焊等造成的故障等；首先指导学生先逐一排查电路以外的仪器、仪表的故障，再排查电路的故障。这样一步一步查找的过程既是学生对常规仪器、仪表使用的熟悉过程，也是对学生分析问题能力的一种培养，找到故障后排除故障的过程则是对学生解决问题能力的培养和锻炼。

2.4重视实验结果的真实性

培养学生以诚实的态度对待科学实验，以实事求是的态度对待实验结果是高校实验教学的重要目的。教学过程中通过典型的例子让学生懂得，不能为了自己所要说明的问题而随意更改、增减数据，更不能嫁接别人的数据或伪造数据[3]。因为只有在真实的各组数据之间才能找到事物内在的本质，虽然有时也会出现不符合规律的数据，但只要找到不符合规律数据出现的原因，就会有所发现，甚至是重要的新发现。在观察10KHz与12KHz，幅值均为5V的两路正弦信号叠加时，要求学生测出叠加后信号的频谱。一些学生测出的频率成分为（2KHz，-42dB），（10KHz，5dB），（12KHz，5dB），（22KHz，-43dB），并得出结论，两路正弦信号叠加之后的频谱中包含四个谐波分量。事实上，这个结论是错误的，学生为了证明叠加之后的信号中包含10KHz与12KHz的和频（22KHz）与差频（2KHz）成分，找出了本不属于叠加后信号的两个频率成分2KHz，22KHz。但实验中的确会出现这两组数，从幅值的大小亦可看出2KHz，22KHz的幅值还不到10KHz，12KHz幅值的1%，已大大低于我们所用选频电频表的测量范围（-20dB），与2KHz，22KHz幅值大小相近的频率成分还有好多，只是学生们认为不是正确数据没记录，这是一些干扰信号。所以对实验结果的真实性进行分析去伪存真是正确结论的关键因素之一。

2.5注重实验结果的分析与总结

高等学校担负着培养开拓型、创新型人才的重任，而创新的学术思想、科学的实验方法、娴熟的实验技能是开拓型、创新型人才必备的素质。实验教学中不仅要重视学生实验技能和科学的实验方法的培养，还要注重培养学生的创新精神。理论来源于实践，且理论的发展遵循螺旋式上升的规律：理论—实践—理论，即在理论指导下进行实践，将实践的结果进行分析、总结上升为新的理论（结论）。倘若只重视实验过程不注意实验结果的分析与总结，就相当于只播种不收获。对实验结果弃之不顾就不可能有新的认识和发现，也就谈不上创新。实验教学中应要求学生认真观察每一个现象，实验结束后及时地整理、分析实验数据，对于验证型实验，要求将实验数据与理论值进行比较，判断实验结果是否与理论规律相符合，若不符合或误差较大则要分析原因；对于设计型实验应分析实验结果是否满足设计的指标要求；对于综合型实验，应要求学生根据实验数据和现象得出相关的结论。在做信号频谱分析的实验时，要求学生将实验中测得的数据整理后画成频谱图，并将数据与理论值进行比较，从而加深对典型信号的频谱的印象；在观察两个不同频率的正弦信号的叠加时，则要求学生根据实验数据和观察到的波形得出一般性的结论，两个不同频率的正弦叠加后信号包含哪些频率分量，叠加后的信号是否为周期性信号，两正弦信号频率相差较大或较小时的输出信号波形有何特点，与实验之前用MATLAB仿真的结果是否相同[4]。若不要求学生得出这样的结论，那么学生的认知只能停留在观察到的波形上，根本不会上升为一般性的理论，今后若遇到类似的问题依然不知道正解是什么。

3调动学生的实验兴趣和积极性

3.1设计合理的实验项目

我们的学生在学习的过程中，往往只重视理论教学而忽视实验教学的重要性。对于信号与系统这样理论性、逻辑性较强的课程，如果单纯只从理论上灌输给学生一些知识，学生会觉得很这门课公式多、较抽象、难理解，因此就会产生畏难情绪，自然也就不会有好的学习效果。所以在介绍理论知识的同时，设计一些合理的实验项目，让学生通过直观的实验现象理解相应的理论知识，这不仅对理论知识的理解会起到促进作用，还会让学生通过实验了解和掌握一些实验的方法、实验的手段，提高学生的实验技能，培养学生在实践中求知的积极性。譬如：在信号与系统课程中我们会讲到周期信号的频谱的概念，一个周期为T1的矩形脉冲，可用傅里叶级数将其展开成三角形式或指数形式的无穷级数，其展开式中的系数表示了各谐波分量的幅值的大小，因此我们说周期矩形脉冲包含了若干个频率成分。学生一开始总是不明白，周期矩形脉冲信号既然周期为T1其频率就应该是1/T1啊，怎么会有其他的频率呢，为此，我们设计了周期信号频谱的测试实验，让学生通过逐点测量的方法找出信号包含的一些频率成分；同时我们还设计了方波的合成实验，让学生观察一次谐波，然后一次与三次谐波叠加，再将一、三、五谐波进行叠加，逐步增加叠加的谐波次数合成的波形，通过观察合成的波形学生会发现，叠加的谐波次数越多，合成的波形就越接近原来的矩形脉冲，从而理解周期矩形脉冲是由若干个不同的频率成分（谐波分量）组合而成的。这种建立在测量数据、图形上的实验结果学生非常容易接受、理解，因此调动了学生参与实验的积极性[5]。

3.2增加设计型实验

为了增加学生的参与性，锻炼学生的设计与创造能力，我们改变了过去教师设计好实验电路，学生只按照实验指导书按部就班操作的模式，增加了设计型实验。我们在实验课之前一周通知学生要做的内容，并让学生自己提供实验方案。譬如，要做滤波器特性测量时，将学生分成若干组，每一组设计一个滤波器，并从理论上画出系统的频率响应特性，并要求分析用方波作为输入时，理论上的输出波形。实验前，教师确认理论设计正确后，学生进入实验室来完成自己设计的电路并测量其特性、分析实验结果与理论是否一致；再譬如，在做两个正弦信号相加的实验之前要求学生用MATLAB进行仿真，根据仿真的结果了解叠加后波形特点，然后再来实验室通过实验电路进行相加，从而可以更好地认识系统对信号的作用。这样让学生自己参与设计就会克服完全依赖教师的指导和实验指导书，既培养了学生的分析、设计的能力，又大大调动了学生的积极性和兴趣，有效提高了实验教学的质量。

3.3增加实验成绩的比例，考核内容多元化

信号与系统实验属于课内实验，过去实验成绩只由考勤、实验报告两项组成，占总成绩的20%，为了调动学生的积极性，更好地培养学生的实践和创新能力，考核内容增加了MATLAB上机和设计方案两项，实验成绩的比例提高为总成绩的30%。

4结束语

教学质量是高等学校的生命线，实验教学是高校教学的重要组成部分，提高实验教学质量是锻炼学生实践能力，提高学生综合素质，培养学生科学的实验方法和创新精神与创新能力的重要手段。实验教学质量的提高与良好的实验教学环境，教师的指导方式和方法，学生的学习态度有着密不可分的关系。

参考文献：

[1]李进.实验教学重在过程[J].实验室研究与探索，2009，28（9）：1—4.

[2]李进.实验教学重在过程（续）[J].实验室研究与探索，2009，28（10）：1—4.

[3]林健.注重卓越工程教育本质，创新工程人才培养模式[J].中国高等教育，2011（6）：19—21.

[4]钱玲，虞粉英，李彧晟.信号分析与处理实验指导书[M].北京：科學出版社，2012.

[5]卢季霞.高校人才培养模式与实验教学改革的探索[J].科教文汇，2015（2）：40—42.

Abstract：Experimental teaching is an important part of teaching contents in colleges and universities. The improvement of students practical ability and comprehensive quality， and the cultivation of innovative consciousness and innovative ability are all influenced directly by the quality of experimental teaching. This paper discusses how to improve the quality of experimental teaching based on the practice of signal and system experiment teaching.

Key words：signal and system； experimental teaching； quality； practice

（责任编辑：侯秀梅）