引入故障调试的实验教学内容改革

郑劲松，翁晓红，秦春节

（浙江工业大学机械工程学院，杭州 310023）

0 引言

高校的实验教学，不是简单的理论验证，而是要使学生在实验过程中对理论加以理解、消化和吸收；不是简单的实验仪器操作，而是要使学生了解仪器功能，掌握仪器操作，锻炼学生选择实验仪器解决实际问题；也不是根据实验步骤按部就班地实验模仿的过程，而是要使学生运用掌握的知识自主发现问题，分析查找原因，解决问题，是学生自主学习、自主实践的过程。

1 设置实验故障的意义

20 世纪80 年代，HenriHolec 提出了“自主学习”概念，21 世纪初，Littlewood 将自主学习分为前瞻性自主学习（proactive autonomy）和反应性自主学习（reactive autonomy）两种运行模式，前者是指学习者能独立管理自己学习任务、学习目标，自主学习完成目标，后者是指学习者不能独立确立学习目标，但目标一旦确立即能自主学习以完成目标［1-3］。实验教学中，学生的自主学习非常重要。因为在实验教学过程中，实验教师只做指导，实验内容需要学生积极探索，自主完成。“自主学习”里最关键的就是确立一个合适的学习目标。实验教学中，大部分实验项目的实验教学学时是2～3 节课，时间比较短，因此，需要确立合适的学习目标。验证性实验项目，实验指导书都明确告知实验步骤和所用仪器，学生只要根据实验步骤按部就班去做，一定能得到预期的结果，从而验证实验目标。而且验证性实验项目，为了提高验证正确率和可靠性，实验教学仪器，普遍存在模块封装过度、实验设备操作过于简单，只注重实验数据和实验结论，忽视实验过程和细节。所以在实验过程中，学生只管实验操作，不重视实验原理和实验现象，有些甚至不需要懂实验原理和观察并分析实验现象，只要学会实验装备的操作方法，按既定流程就能轻易得到正确的实验数据和实验结论。这样的一种实验教学过程，实验过程中没有合适的学习目标或学习目标过于简单，无法激发学习积极性和主动性，能力锻炼不足，达不到应有的实验目的。

如果教师在实验项目中引入一些实验故障，让学生的实验过程不顺利，提高实验难度，丰富实验内容。引入实验故障，学生在实验过程中必须深入细节，选择不同实验仪器，逐个模块调试，逐个故障排除。引入实验故障，必然会涉及更广的知识点，更不确定的知识内容。这样才能让学生为了能完成实验，必须在实验前好好预习，实验过程变成一个充满挑战的过程，激发学生自主学习，解决问题。

在实验项目中引入的故障，按来源途径，可分为主动型故障和被动型故障；从故障性质来分又可以分为硬件和软件两方面的故障。前者是指实验器材引起的故障，而后者是指计算机程序引起的故障，通常分为错误和异常，在实验项目中需要编程的，才涉及此类故障。所谓主动型故障，是指在实验之前，由教师根据自己的实践经验主动设计的一些故障，根据学生实验过程中存在的普遍性和典型性问题上主动设计的一些故障。所谓的被动型故障是指学生在实验过程中由于自己的原因（自己认识理解错误，自己的疏忽大意）产生的故障，这类故障具有随机性，若学生能自主排除，必将印象深刻。实验项目中引入的故障，最好能做到大部分故障都具有随机性。做到不同组的学生应对的故障类型都是不一样的，这样可以避免不同组和不同批次的学生相互抄袭，需要独立完成整个实验项目。

2 根据实验目的，设计实验故障

下面通过我校的自动控制原理实验2——二阶系统瞬态响应和稳定性实验项目为例，针对性来说明如何在实验项目中设计主动型实验故障和被动型实验故障。

2.1 主动型故障设计（教师层面）

主动型故障，主要针对硬件类型的故障，这类故障可以在现有的实验器材基础上，稍作改变就可以实现。为了让故障设置灵活，操作简便，可能需要对现有仪器设备进行改造。主动型故障的设计应根据实验目的及对学生能力培养要求出发，设置不同的故障。

二阶系统瞬态响应和稳定性实验用到的器材主要包括：一个实验箱，是爱迪克上海埃威航空电子有限公司的自控/计控实验系统；连接电路的导线和短接套若干；一只万用表；一台电脑和一条接口为RS-232 的串口通信线［4］。针对实验用到的器材，可设计的实验故障见表1。

表1 主动型故障设计

如表1 所示，针对导线，实验教师可以事先制作一些外部看上去完好无损，内部断路的电源导线，也可以制作一些内部不断路，但是两端插头小一号的导线（这类导线，学生插入插槽后，连接不稳定，很容易产生断路，但是用万用表无法检测导线存在的问题）；针对短接套，可以制作一些内部铜片损坏或丢失，外表看上去完整的短接套。把这些不好的导线和短接套与好的导线和短接套混杂在一起供学生使用。对于RS-232 通信线也可以设计多种故障，比如通信线内部断路，通信线信号线故意接错等。对于实验箱，其中有很多电阻，电容，三极管等电子元器件，对于一个实验有很多冗余，可以把某些电子元器件设置故障或某些模块设置故障，这里可能需要对实验箱进行改造，适应故障设置灵活，设置操作方便，实验教师移除故障简单方便（移除故障仅对教师有权限）。学生发现此类故障并要排除，需要利用冗余的电子元器件和冗余的模块来排除。图1 所示是实验项目2 中的Ⅰ型二阶闭环系统的模拟电路图，该系统是由实验项目一中的两个典型环节组成的Ⅰ型二阶闭环系统，即M1 的积分环节和M2 的惯性环节，前后两个运放器起到反向器的作用。在模拟电路中的所有连接导线都可以随机设置断路或接触故障，所有的电容和电阻元器件设置“损坏”故障，或4 个运放模块设置故障。另外在M1 环节的电阻R1可以设置电阻标注值和实际电阻值不一致故障，电容C1也一样设置故障。M2 环节也一样。周期性矩形波信号源也可以设置故障。这样学生即使根据模拟电路图，在实验箱上连接正确，由于那么多的故障存在，也得不到正确的实验结果。

图1 Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路

目前很多高校自动控制原理主要实验项目依次包括：典型环节的动态性能实验，二阶系统瞬态响应和稳定性实验，二阶闭环系统的频率特性实验和闭环系统校正实验共4 个实验8 学时。这些实验项目从基础到高级，对于第1 个实验项目典型环节的动态性能实验是自动控制原理实验中的基础，这个实验可以不设置故障或尽量少设置故障，或者故障也要尽可能的简单易发现，因为这个实验项目是后续实验的基础，也是后续实验故障调试排除的基础信息。对于4 个实验项目设置故障的数量和难度也要循序渐进，让学生在这个过程中故障的调试和排除能力逐步提高。随着故障数量和难度的提高，实验的时间可能变得不可控，所以有些实验可以考虑开放性实验，让学生利用课外时间来完成［5-8］。

2.2 被动型故障制造（学生层面）

被动型故障是指学生在正常的实验过程中由于自己的疏忽大意或实验预习不充分或实验指导书提高难度等原因导致产生的一类故障。这里能做的就是提高实验指导书的难度，让学生在实验过程中更容易出现错误。目前厂家提供的实验指导书参考，对于实验操作步骤写得非常详细，考虑非常周全，以致学生可以不懂实验原理，不理解实验内容，不加思考，依样画葫芦就能完成实验内容，获得正确的实验数据和结论。因此，需要改变现有的实验指导书，把实验目的、实验原理和实验内容写得尽量具体和清晰，但是实验步骤写得尽量概要和笼统，隐藏具体实验操作细节。实验用到的仪器设备结构原理，用途和安全操作写得尽量具体和清晰，但是仪器设备的具体操作写得概要和笼统。实验教师在指导学生的实验问题时的讲解也要按照如图2 所示要求执行。只有这样，学生在做实验过程中，不能生搬硬套，实验仪器设备的操作使用也不会千篇一律。同样的实验过程，学生根据目的针对性选择操作仪器设备，每个学生都有不一样的思路，完成任务会产生不同的执行路径，同时也会产生不同的被动型故障［9-10］。

图2 实验指导书和实验仪器设备讲解要求

2.3 对学生能力的要求

在引入故障后的实验项目中，故障调试并排除故障成为实验的主要内容，故障调试部分也是最锻炼学生的综合能力，即学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。这就要求学生首先要掌握基本能力（正确的实验操作或实验步骤）；能分析当前获得的实验数据或实验现象是否正常，如判断存在故障，则需利用示波器，万用表等其他检测仪器，逐个点、逐个模块地排查故障，定位故障；根据故障现象找出故障原因，并排除故障，得到正确的实验数据或实验结论。

在自动控制原理第2 个实验项目二阶系统瞬态响应和稳定性实验中，其实验用模拟电路图如图1 所示，假如把标注为500 kΩ 电阻R1，实际换成200 kΩ 电阻，学生按照电路图在实验箱上正确无误地连好电路图，也无法得到正确的实验响应曲线，此时就需要学生首先要能发现问题，即此处故障引起二阶系统瞬态响应最大超调量Mp的实验测量值（55%）与理论计算值（35.1%）差别很大。知道实验电路图有错误后，学生就要利用已有测量仪器去排查故障并排除。正确的做法就是用示波器测量M1 模块的OUTA 点输出信号，得到的响应曲线如图3（a）［正确的响应曲线如图3（b）］所示（假定输入的阶跃信号幅值为3 V）。学生需要对前面做过的实验1 的知识（M1 模块是一个积分环节，积分环节的积分时间常数的理论计算方法和根据响应曲线的积分时间常数实验测量方法）已熟练掌握，这样，学生能通过图1 的响应曲线（即OUTA 点的输出信号）可以测量出实际积分时间常数t=0.4 s，根据积分环节的理论时间常数计算公式计算出t=R1C1=500 ×0.002=1 s。两者数值存在很大的差异，判断出不是误差因素造成而应该是电路中存在错误。首先断开OUTA 点之后的电路连接，示波器测量A1运放模块输出点的信号，如果正常，即如图4 所示（这里学生就能了解A1 模块的作用了，即是一个比例系数K=1 的反向模块）。用示波器再测OUTA 点的信号，还是如图1 所示响应曲线，即找到故障位置在M1积分环节模块。根据实验一掌握的知识判断出电阻R1或电容C1存在问题，找到问题原因，也就很容易排除这个故障了。

图3 Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路中OUTA点输出信号

图4 Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路A1模块输出信号

对于其他主动型故障和学生自己实验过程中生成的被动型故障，故障调试过程都是一样的：学生首先能自己发现实验现象异常或实验结果不对的问题所在，然后借助实验检测仪器设备自主设计调试排除故障的路径，根据中间检测结果情况，排查故障大概位置，逐个分析故障原因，排除全部故障，得到正确的实验结果。

3 在实验项目中引入实验故障的教学成效

在实验项目中引入实验故障，实现一个发现问题—分析问题—解决问题的过程［11-14］，在这个过程中的不同阶段，需要学生不同的能力。学生只有在深入理解并完全掌握实验内容和相关知识后，具有较强的实验现象观察能力，才能发现问题；学生需要熟练掌握并能运用相关的已学知识，具有一定的经验和深入分析问题的能力，才能对发现的问题深入分析原因，找到问题解决办法；学生需要熟练掌握使用常用的检测工具和具有很强的调试能力，才能迅速排除故障，解决问题。

（1）故障调试能激发学生的学习兴趣。简单、枯燥的实验内容很难激发学生的学习兴趣，具有一定的探索性、未知性的实验内容才能激发学生动手做实验的兴趣。通过掌握的知识和积极的思考，学生能不断发现实验故障，不断排除故障，内心一定有成就感，学习的兴趣油然而生。

在实验项目中引入实验故障，使得实验过程的主要任务变成了发现问题并解决问题，使得实验不会过于简单，枯燥乏味。这样整个实验过程难度提高了，但是学生也在不断地自己解决问题的过程中获得快乐，也在解决问题的过程中对掌握知识进行了实际运用，深刻体会学以致用，学有所用的道理，将大大地激发起学生学习新知识的兴趣［15-17］。

（2）故障调试能深入掌握并运用知识。课堂上教师通过讲授理论知识，很多学生只能达到了解熟悉知识的程度。尤其是对于象自动控制理论这类课程，比较抽象，也比较难学会的理论知识，很多学生感觉听不懂，课程结束后，都不知道学了这些知识有什么用，知识与实践脱钩，没有真正为学生解惑，在现实中碰到问题时，就难以运用理论知识去解决问题。理论知识很多都是从长期实践中探索出来的，理论知识学习要与实践结合起来，课堂上学习理论知识，在实践中学习运用所学知识去解决实际问题。脱离实践的教学是很难让学生达到深入掌握知识的程度，要运用知识去解决问题就更难了。

在一些实验项目中引入故障调试，就为学生提供了运用知识解决实际问题的途径。故障调试是一个发现问题，解决问题的过程，是一个理论知识运用到实践中，并发挥解决问题能力的过程。在这个过程中，让学生明白自己学会了什么知识，更让他们明白这些知识有什么用，怎么用。在运用知识解决问题的过程中，允许了学生更多的自主性，不同的学生有不同的认识理解，解决同样的问题就会用不同的方法，不同的技术手段，创新就有可能，因为思想火花，灵光一现是需要实践基础的。

（3）故障调试能锻炼并提高学生综合能力。故障调试首先需要学生已深入理解并完全掌握本实验内容和相关知识，需要很细致地观察发现问题的能力；还要能熟练运用已学知识和一定的经验，深入地分析问题的能力；最后要能用掌握的理论知识和借助现有的检测仪器设备，做好故障的调试并排除故障。在故障调试的过程中，往往需要同组几个同学各自发挥自己的特长，团结合作，才能完成任务。故障调试是运用知识解决实际问题的过程，对问题，不同的学生有不同的见解，大家相互讨论，找出解决问题的最优方法。

一个实验故障，就是一个实际的小问题。一个工程，就是一个实际的大问题，或者是由许多小问题综合而成。完成一个工程项目的核心就是解决一个一个出现的问题，在这个过程中，需要发挥其中每一个人的完全作用，也就锻炼了其中每一个人的综合能力。

4 结语

故障调试在实验项目教学中的运用，是突出问题核心，发现问题—分析问题—解决问题，全过程都需要学生专注分析，分析不是简单的思考，而是结合现象和结果，输出解决问题的方案。实践证明，引入故障调试模式后，学生实验过程中，思维更积极，实验兴趣更大，同学间的讨论更热烈。这样的实验过程，提高了学生学习的主动性，锻炼了学生创新实践能力，同时，对实验教师也提高了要求，促使实验教师不断学习，深入掌握，更新实验资源，形成一个良性循环。