试论实践在电子学教学中的四大作用

李 刚， 林 凌

(天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072)

0 引言

鉴于实验在教学中的重要作用，很多教师针对实验教学中的实验项目进行了探索：高翠云[1]、赵倩[2]、范迪[3]、于璐[4]和吕继东[5]等设计了各种单项实验，马千里[6]、叶继伦[7]、刘毅飞[8]、李正美[9]、沈义民[10]和赵晓明[11]等设计了多种生物医学实验平台或实验系统，这些实验系统(平台)有实验种类多，涉及面广，学生操作容易的特点，但上述的实验无深度，很容易陷入“验证性实验”的怪圈，未能在更高层面考虑实验的设计。

实际上，对于工程教育而言，实践(实验)绝不仅仅停留在验证理论教学的某个知识点理解上，也不仅仅在理解某个原理上，还不仅仅停留在所谓的学习上。实践(实验)在教书育人、培养科学思维和学习能力上可以发挥重要的作用。本文从课程的整体、系统层面考虑实验教学的问题，总结了十几年来在“生物医学电子学”课程的教学实践中，力图实现实验教学的四大作用：

(1)实践诱发学习兴趣——学习的最高境界和最好状态；

(2)实践提供感性认识——有助于理解和避免指鹿为马；

(3)实践促进理论学习——书到用时方恨少！

(4)实践检验学习成效——学以致用，体现学习的目的。

1 实践(实验)在工程教育中的四大作用

下面从一个实验(问题)来说明实践(实验)在工程教育中的四大作用。

每一轮本科生“生物医学电子学”教学的第一堂课，笔者都要向后排的学生提出这样一个开放性的问题(每堂课向坐在最后的学生提问可以保证课堂教学的秩序)：输入占空比为50%的方波到一个RC电路，RC电路的输出是什么？

这个问题看似简单，但对现在的学生来说却是一个难度相当高的问题，几乎没有学生能够全面、正确地回答这个问题。在问过十几名学生之后，笔者作如下几个层面的引导：

(1)即使简单到只有两个元件的电路，也必定能够完成一定的信号处理功能，RC电路的正确连接也只有图1所示的两种形式。

(a)电容上输出形式 (b)电阻上输出形式图1 RC电路

(2)电路的形式固然重要，电路的参数也很重要。如图1(a)的电路，在其τ=RC与输入方波周期T相对大小不同时，电路的输出波形很不一样(图2)。实质上电路在起到“特定”的信号处理(运算)功能，如表1所列。

表1 τ与T相对大小不同时RC电路的功能

(3)RC电路完全可以用于正弦波信号的微、积分处理，请学生注意：所需进行微分、积分处理(计算)时信号频率在幅频特性曲线的位置。

(4)工程近似的“度”的概念：图1(b)电路的传递函数为：

(a)1Hz(放大细节图) (b)1Hz(缩小图) (c)10Hz

(d)100Hz (e)300Hz (f)500Hz

(g)800Hz (h)1kHz (i)2kHz

(j)5kHz (k)10kHz (l)1MHz图2 不同频率输入时图1(a)电路的输出波形(摘自学生的作业)(R=1k 、C=0.47μF)

(1)

或

(2)

其中：

ω0=1/RC=1/τ

(3)

①当τ<

H(jω)=jωRC

(4)

说明电路起“微分”作用。

②同样：当τ～T，也即|jω/ω0|～1时，或者说信号频率处于高通滤波器附近，电路容许高于截止频率的信号通过，低于截止频率的信号有不同程度的衰减。

③当τ>>T，也即|jω/ω0|≫1时，式(1)可以近似为：

H(jω)=1

(5)

说明电路让信号毫无衰减地通过。

工程上的“近似”是抓住关键的好方法：既没有改变问题的实质，又使分析简洁、清晰。

(5)方波信号的前、后沿既可表示信号本身的高频成分，又可揭示系统的低通滤波器的截止频率的粗略值；方波信号的上、下底的下降(上升)情况既可表示信号本身的低频成分，又可揭示系统的高通滤波器的截止频率的粗略值。

(6)其实，(5)给出的是“方波测试”原理，又称为瞬态测量原理。在工程上，可以快速、简便地确定系统的频带，甚至有的场合还非得“方波测试”方法不可，如心电放大器中的0.05Hz(3.3s)高通滤波器(又称为“时间常数电路”)的测试。

(7)这也是理解“高速”参数及其概念的有效方法。一般而言，学生容易接受“高频”参数及其概念，理解“高速”参数及其概念有困难。

(8)学习电子学或电子电路，必须掌握元器件的性能与参数，似乎这是一个简单的问题，理所当然的问题。其实不然，有学生采用1支100 F的电容和1支100 Ω的电阻做图1(a)实验，电路输出竟然是近乎完美的方波？！

(9)万用表和示波器在同学们看来，除了损坏外，就是完美、理想的仪器，也是轻而易举地可以掌握的仪器！同样有学生做图1(a)实验，在输入几Hz方波时，示波器上显示的波形既有前、后沿的积分现象，也有上、下底的下降(上升)情况？！

通过该问题及其实验，让学生

(1)领悟“不做不知道自己的不知道，要做好才知道自己差多少”；

(2)哪怕再简单的电路，要真正掌握还需要“勇于实践X深入思考”；

(3)既要思考3层以上的深度，又要联系3层以上广度(与其他课程，如数学、信号与系统等课程联系起来)。

这样，也就体现实践的四大作用：

1)实践诱发学习兴趣

所提的问题极为“简单”却完全不能回答，这给学生以强烈的震撼，将盲目自满甚至自傲的玻璃心打个粉碎。在实验过程中，做得越多，想得越多，就越体会到“学习”真的不那么“简单”。千言万语的说教不如一个“自主性、综合性和探索性”的实验来得有效。同时，实验过程中反复推进、反复受挫又反复有进展，都会给学生带来兴趣和信心。实际上，这就应该是专业课的课程思政应有之义。

2)实践提供感性认识

本文举例的这个问题实际上在多门课程中涉及到：“电路原理”或“电路分析”、“模拟电子基础”、“信号与系统”，但学生们普遍掌握不好，主要原因是：

——即使课堂上能够讲述清楚、全面和细致(这几乎做不到)学生也未必记得住。

——像这样“简单”的问题也几乎不会安排宝贵的学时去做实验，即使是安排了实验，也难以有深入、全面的指导和要求，也近乎于没有学生能够主动、认真、细致地去完成。

——现有的方方面面的条件也不足以支撑学生长时间的、有思考地实验。

综上所述，有效的自主性、综合性和探索性实验可为学生提供清晰、全面、有条理、深刻的感性认识，为后续学习提供条件，很容易理解课堂上的教学内容。

3)实践促进理论学习

在现在的教学及其管理模式下，课时短、课程多，要让学生真正掌握课程内容和具备足够的工程能力是不可能的。需要培养学生的综合能力和学习能力才有可能达到让学生真正掌握课程内容和具备足够的工程能力的目的，而其先决条件是让学生具有学习的主动性和了解学习的方向与目标，只有实践才能提供这一条件，之后学生将主动地补充大量理论知识，从而促进理论学习。

4)实践检验学习成效

对于工科教育，其根本目的是“学以致用”，是否学到，也只有通过实践来检验而不是通过卷面考试来检验。实际上，很多专业课教师十分发憷出考题，指望仅靠卷面试题来测试学生掌握电子学课程内容和具备足够的工程能力是不可能！

2 结语

本文通过一个极其“简单”的电路实验来说明实践在《(生物医学)电子学》的教学中的4大作用：这个问题看似简单，却蕴含丰富的、包含知识与能力的内涵，要完整、全面的理解和掌握这些内涵，只有通过实践才能达到这个目的。