測控電路課程設(shè)置與教學(xué)實踐

測控電路課程設(shè)置與教學(xué)實踐

理論教育和實踐教育是大多數(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，對教育和教育沒有負(fù)面影響。理論教學(xué)與實踐教學(xué)存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系測控電路課程是測控技術(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),并且與工程實踐緊密結(jié)合,但在教學(xué)中存在理論教學(xué)和實踐教學(xué)脫節(jié)問題。因此,在測控電路課程教學(xué)中開展了理論和實驗混合式教學(xué)模式的改革。下面主要針對該課程的教學(xué)改革內(nèi)容、特色以及典型教學(xué)環(huán)節(jié)。1建立高層次實踐教學(xué)與應(yīng)用探索混合式教學(xué)的制度設(shè)計通過建設(shè)一支具有較高理論水平和豐富的實踐教學(xué)經(jīng)驗的“雙師型”教師隊伍,設(shè)置理論教學(xué)與實踐教學(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)與實踐教學(xué)有機聯(lián)系在一起,解決教學(xué)中理論與實踐脫節(jié)的問題,突出高層次實踐教學(xué)在培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才過程中的作用,提高學(xué)生的應(yīng)用與創(chuàng)新能力,保證人才培養(yǎng)與社會需求的緊密銜接。1.1理論和實踐教學(xué)相結(jié)合,實現(xiàn)高層次實踐教學(xué)與實踐教學(xué)的融合從測控專業(yè)高級應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)入手,構(gòu)建理論教學(xué)與實踐教學(xué)混合式的教學(xué)環(huán)節(jié),淡化課堂理論教學(xué)與實踐教學(xué)的界限,有機融合理論教學(xué)和實踐教學(xué),解決理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫節(jié)問題,實現(xiàn)高層次實踐教學(xué)在培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才過程中的突出作用,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)、實踐精神和團隊合作精神。混合式教學(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)容實現(xiàn)理論和實踐混合式教學(xué),教師的作用發(fā)生了改變,需要理論知識豐富、操作技能熟練、知識融會貫通;實時獲取學(xué)生的問題,與采用不同實現(xiàn)方法、研究不同細(xì)節(jié)的學(xué)生進行討論和指導(dǎo);匯總學(xué)生疑點、錯誤的想法和解決問題的技巧,對理論知識和實踐過程進行歸納和統(tǒng)一。1.3理論與實踐統(tǒng)一、升華教學(xué)階段一次教學(xué)活動流程為:理論教學(xué)(0.5學(xué)時)→實踐教學(xué)(3學(xué)時)→理論和實踐統(tǒng)一、升華(0.5學(xué)時)。在理論教學(xué)階段,教師介紹基本概念并對相關(guān)知識點和應(yīng)用進行引導(dǎo)。在實踐教學(xué)階段,教師指導(dǎo)學(xué)生通過實驗驗證有關(guān)理論,加深對理論知識的理解,并通過觀察、思考、討論等途徑主動探索,掌握認(rèn)識和解決問題的方法和步驟,研究測控電路的本質(zhì)特性,發(fā)現(xiàn)電路理論和實驗現(xiàn)象的聯(lián)系、相符及差異情況,得出自己的結(jié)論和解釋。在理論和實踐統(tǒng)一、升華教學(xué)階段,教師對理論知識、實驗現(xiàn)象和各組學(xué)生主動探索得到的結(jié)論和解釋進行總結(jié)、梳理、釋疑并進行討論。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,實現(xiàn)理論和實踐的有機統(tǒng)一,知識的升華。1.4考核方法設(shè)計針對理論和實踐混合式教學(xué)方法,建立包含理論知識、實驗動手能力、分析解決問題能力和創(chuàng)新能力等考核內(nèi)容的考核方法,并提高其在總成績中所占比例。2混合式教學(xué)方法的特點(1)提出在測控電路課程教學(xué)中采用“理論引導(dǎo)—實踐探索—理論和實踐統(tǒng)一、升華”的理論和實踐混合式教學(xué)環(huán)節(jié),并通過采用案例式、引導(dǎo)式、探究式、討論式和參與式的教學(xué)方法,實現(xiàn)高層次實踐教學(xué),理論和實踐的有機統(tǒng)一,知識的升華。(2)針對理論和實踐混合式教學(xué)方法,提出包含理論知識、實驗動手能力、分析解決問題能力和創(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踐教學(xué)經(jīng)驗的“雙師型”教師隊伍。(4)混合式教學(xué)方法具有其鮮明的特點:在教學(xué)內(nèi)容上,將理論教學(xué)和實踐教學(xué)的內(nèi)容合二為一、組成一個有機整體,有效避免二者的分離和脫節(jié);在教學(xué)組織方式上,實現(xiàn)理論課與實踐課在時間和空間上的結(jié)合;在師資隊伍上,授課教師均是具備較高理論水平和豐富的實踐教學(xué)經(jīng)驗的“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、科學(xué)素養(yǎng)、實踐精神和團隊合作精神。3單元電路的判斷運算放大器是測控電路課程中最基本、最重要的器件,可以構(gòu)成放大電路、運算電路、濾波電路、比較器、信號發(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)計了“運算放大器虛短和虛斷特性及線性和非線性應(yīng)用實驗”的混合式教學(xué)活動,教學(xué)活動安排在實驗室進行,具體教學(xué)活動流程設(shè)計如下。3.1“器虛短和虛斷特性”的應(yīng)用實驗在理論教學(xué)階段,教師強調(diào)“運算放大器虛短和虛斷特性及線性和非線性應(yīng)用實驗”有關(guān)基本概念和知識點、說明要完成的驗證性實驗內(nèi)容和實踐探索引導(dǎo)內(nèi)容。3.1.1運算放大器信號特性運算放大器等效電路和傳輸特性:通過介紹運算放大器等效電路,讓學(xué)生了解運算放大器基本工作原理,掌握運算放大器外圍接口特性及使用方法。介紹如圖1所示的運算放大器電壓傳輸特性,使學(xué)生了解圖1(a)所示的理想運算放大器傳輸特性的本質(zhì)就是放大倍數(shù)為無窮大的直流放大器,而圖1(b)所示的實際運算放大器傳輸特性反映了運算放大器放大倍數(shù)并非無窮大。(1)運算放大器主要參數(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、實際值范圍。(2)運算放大器基本電路類型:掌握同相放大器、反相放大器、差動放大器等線性應(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電阻對虛短現(xiàn)象和放大個數(shù)的影響(1)研究運算放大器存在負(fù)反饋情況下負(fù)反饋電阻對虛短現(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和不同頻率交流輸入信號情況下虛短現(xiàn)象和電路工作原理分析。3.2理論的實踐應(yīng)用在實踐教學(xué)階段,在教師指導(dǎo)下,學(xué)生通過實驗驗證有關(guān)理論,并通過觀察、思考、討論等途徑探索有關(guān)內(nèi)容,掌握認(rèn)識和解決問題的方法和步驟,得出自己的結(jié)論和解釋。3.3總結(jié)、梳理、釋疑教師對理論知識、實驗現(xiàn)象和各組學(xué)生主動探索得到的結(jié)論和解釋進行總結(jié)、梳理、釋疑并進行討論,實現(xiàn)理論和實踐的統(tǒng)一、升華。在這一階段,教師利用實驗過程拍攝的影像資料或者電路仿真軟件展示理論知識和實驗現(xiàn)象。3.3.1理想運算放大器的傳輸特性(1)比較器電路工作原理:運算放大器在開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輸出為負(fù)飽和電壓,通過實驗可以驗證圖1(a)所示的理想運算放大器的傳輸特性。(2)運算放大器開路情況下虛斷、虛短:利用圖2所示運算放大器仿真電路演示運算放大器開路情況下是否存在虛斷、虛短現(xiàn)象。通過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)路放大個數(shù)a在運算放大器存在負(fù)反饋電路分析中,一般情況下認(rèn)為運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,在實驗中利用如圖3所示實驗電路,測試運算放大器負(fù)反饋電阻對放大器性能的影響。當(dāng)負(fù)反饋電阻較小時,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)的計算比較精確;當(dāng)負(fù)反饋電阻較大時,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)的計算精度下降。3.3.3電容單方向充電特性(1)直流信號的積分:運算放大器在電容負(fù)反饋情況下是否存在虛短呢?這個問題無法直接得到答案,因為與輸入信號有關(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,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,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,運算放大器很快進入飽和。(2)交流信號的積分:圖5所示為積分電路輸入2V交流信號的工作情況,圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)所示電路中輸入信號分別為10Hz,100Hz,500Hz。從穩(wěn)態(tài)角度考慮:當(dāng)輸入信號頻率越小時,電容的容抗就越大,信號的放大倍數(shù)越大,輸出信號大、容易飽和;從暫態(tài)過程考慮:當(dāng)輸入信號頻率越小時,充電電流方向變化較慢,電容單方向充電時間較長,輸出信號較大。由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可知,當(dāng)輸入信號為10Hz時,出現(xiàn)了正負(fù)飽和現(xiàn)象,而且在飽和時間段內(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)輸入信號為100Hz和500Hz時,放大器輸出信號變小,只出現(xiàn)了正飽和現(xiàn)象,而且在飽和時間段內(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)正飽和的原因是因為一直有一個負(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不發(fā)生飽和現(xiàn)象,一種方法是在輸入端串聯(lián)一個與輸入失調(diào)電壓符號相反的直流電壓,但輸入失調(diào)電壓存在漂移,實時補償比較困難;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)改革與實驗混合式教學(xué)模式應(yīng)用成效總結(jié)為解決測控技術(shù)與儀器專業(yè)在測控電路課程教學(xué)中理論與實踐脫節(jié)的問題,實現(xiàn)高層次實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才中的突出作用,在測控電路教學(xué)中開展了測控電路課程理論和實驗混合式教學(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“運算放大器虛短和虛斷特性及線性和非線性應(yīng)用實驗”的