許積文　袁昌來　熊健　周建華　李震春　張艷麗

摘要：在桂林電子科技大學(xué)電子信息特色的辦學(xué)理念與大學(xué)物理綜合實驗改革的雙重驅(qū)動下，以示波器的原理與使用實驗為綜合改革對象，在大學(xué)物理實驗中構(gòu)建了實踐與應(yīng)用能力培養(yǎng)較強的綜合改革示范項目，取得了較好的教學(xué)效果。為電子信息類工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)，以及為當前新工科建設(shè)作出了積極的探索。

關(guān)鍵詞：示波器；物理實驗；電子信息；應(yīng)用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）28-0275-03

一、引言

基于大學(xué)物理實驗的重要性[1，2]，在大學(xué)本科教育中獨立開設(shè)大學(xué)物理實驗課。傳統(tǒng)的普通物理實驗往往只注重某一個側(cè)面，在設(shè)計實驗時也就只突出要分析的這一個側(cè)面，給學(xué)生的感覺是一個物理現(xiàn)象只表現(xiàn)一種物理意義。隨著素質(zhì)教育的提倡，要求學(xué)生要有綜合分析能力，能夠?qū)σ粋€物理現(xiàn)象進行全方位的分析。2017年2月以來，從“復(fù)旦共識”、“天大行動”到“北京指南”，標志著以新工科建設(shè)為主題的高等工程教育改革進入到一個新的階段[3-6]。為了滿足國家戰(zhàn)略和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，需要培養(yǎng)具有全球視野、創(chuàng)新精神和實踐能力的復(fù)合型人才。因此，作為基礎(chǔ)實驗課的大學(xué)物理實驗課程需要及時有效地調(diào)整其教學(xué)方法滿足復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求。

示波器是一種用途廣泛的電子測量儀器，它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。其他非電學(xué)量借助于傳感器技術(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，都可以用示波器來觀察。同時，還可以測量它們的相位、頻率以及電流、電壓的大小等參數(shù)。數(shù)字示波器采用數(shù)字電路進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過存儲器實現(xiàn)對觸發(fā)前信號進行記憶的一種具備存儲功能的數(shù)字化設(shè)備。數(shù)字示波器除了具有模擬示波器的功能外，還具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點[7]。

本文以我校在數(shù)字示波器實驗上的教學(xué)探索為基礎(chǔ)[8]，在我校電子信息特色和物理實驗綜合改革的驅(qū)動下，對數(shù)字示波器原理與使用實驗項目進行設(shè)計，構(gòu)建具有較強實踐性以及綜合能力培養(yǎng)的示范性實驗項目，全面提升大學(xué)生的實驗素養(yǎng)。

二、實驗內(nèi)容與設(shè)計思路

地方院校的實踐教學(xué)工作要做出有一定影響力的一個重要的實現(xiàn)途徑就是結(jié)合地方院校豐富、扎實的歷史沉淀，以及結(jié)合產(chǎn)業(yè)特色，進行有特色的教學(xué)建設(shè)[9，10]。桂林電子科技大學(xué)具有電子信息特色鮮明的學(xué)科特點[11]，著力加強電子類物理實驗項目的建議，深化電子信息特色教學(xué)，是符合自身特色及發(fā)展定位的。例如，信號發(fā)生器和數(shù)字示波器是電子類專業(yè)的基本設(shè)備，物理實驗中不僅設(shè)置了專門的實驗項目，而且在其他實驗項目中也通過實驗設(shè)計再次應(yīng)用信號發(fā)生器和示波器，使學(xué)生能夠熟練掌握這些基本電子工具。因此，我們在物理實驗中構(gòu)建出具有綜合訓(xùn)練功能的示范性實驗項目。

圖1展示了示波器綜合訓(xùn)練內(nèi)容的構(gòu)建。在示波器實驗中，同時提供了模擬信號發(fā)生器和數(shù)字信號發(fā)生器，使學(xué)生能使用到兩種常見的信號發(fā)生器。在專門的數(shù)字示波器原理與使用實驗中，實驗內(nèi)容也進行了兩方面的提升：一方面是將傳統(tǒng)實驗內(nèi)容中對正弦波的觀測和測量調(diào)整為不僅觀測正弦波，也觀察多種波形，因為數(shù)字信號發(fā)生器可以提供高達16種波形，而且可以自定義波形；另一方面是在李莎如圖形合成中，不僅有兩個正弦波的合成，也可以將常見的正弦波、三角波、鋸齒波、方波進行合成，形成廣義的李薩如圖形，激發(fā)學(xué)生的興趣和思考。在示波器的綜合應(yīng)用方面，通過在其他物理實驗（如聲速測量、光速測量等）中設(shè)計測試方法，將示波器作為監(jiān)控和測試手段，不僅應(yīng)用上了示波器，也會應(yīng)用到信號發(fā)生器，而且使得實驗結(jié)果具有了可視化和數(shù)據(jù)化。

三、實驗教學(xué)情況分析

1.數(shù)字示波器原理與使用實驗的提升。我們曾對示波器實驗中關(guān)于學(xué)生如何較好地認知實驗設(shè)備進行了探討[8]，但只是從偏技巧的角度訓(xùn)練學(xué)生如何更有效的操控信號發(fā)生器和示波器，在實驗內(nèi)容的深度和廣度上缺乏探索。從綜合能力訓(xùn)練及認知的深度構(gòu)建的實驗內(nèi)容，可以讓學(xué)生同時接觸兩種信號發(fā)生器（如圖2所示），認知常用的模擬信號發(fā)生器和數(shù)字信號發(fā)生器在波形輸出、操控性方面的共性和差異性以及信號波形及參數(shù)的準確性。數(shù)字信號發(fā)生器提供了信號波形自編輯功能，可以提供自定義的波形圖。數(shù)字示波器除了有類似于模擬示波器的調(diào)節(jié)外，因其采用嵌入式的軟件來對信號進行處理，有其獨特的功能和優(yōu)勢，例如很多操作實現(xiàn)了數(shù)字化，測量方式有自動測量和光標測量，信號的圖形和測試參數(shù)可以存儲，等等。設(shè)備數(shù)字化是大趨勢，數(shù)字化的示波器和信號發(fā)生器的使用可以使學(xué)生做到觸類旁通，以后在遇到類似的數(shù)字化設(shè)備時，可以較好的對其進行操作。

在李薩如圖形合成上，將標準李薩如圖形擴展到廣義李薩如圖形。圖3（a）-（d）展示了頻率比為1∶2的正弦波合成的標準李薩如圖形以及由其他波形合成的廣義李薩如圖形。當合成的波形由兩個正弦波變?yōu)檎也ㄅc三角波時，李薩如圖形出現(xiàn)了兩個拐點；當徹底變?yōu)閮蓚€三角波合成時，李薩如圖形出現(xiàn)了四個拐點，形狀由蝴蝶形改變?yōu)榉綁K形；如果是兩個方波合成時，李薩如圖形則變?yōu)樗膫€點的形狀，完全不是封閉的曲線。當采用不同的波形合成李薩如圖形時，會獲得形狀存在巨大差異的結(jié)果，學(xué)生就需要對這些李薩如圖形的演變行為進行分析，它們是如何受到信號波形形狀影響的呢？這可以與大學(xué)物理理論課學(xué)習(xí)到的振動合成的理論知識緊密結(jié)合，訓(xùn)練了學(xué)生分析問題的能力。圖3（e）展示了當頻率比為1∶1，x軸輸入信號為鋸齒波，y軸輸入信號為三角波，合成的李薩如圖形則是三角波的形狀，這可以向?qū)W生解釋波形的合成過程，即被測信號與鋸齒波掃描信號的合成結(jié)果。學(xué)生可以采用更多的波形、頻率比或者改變信號的相位，可以獲得更多的廣義李薩如圖形，為波形的合成拓寬思路以及豐富學(xué)生的認知，提升分析實驗現(xiàn)象的綜合能力。

2.示波器和信號發(fā)生器的綜合應(yīng)用?？紤]到我校電子信息學(xué)科的特色，在學(xué)校立項了“基于培養(yǎng)電子信息科學(xué)素養(yǎng)和研究能力的大學(xué)物理實驗中心建設(shè)”項目，對實驗平臺和項目進行升級或重新構(gòu)建。因此，我們在實驗項目和內(nèi)容的設(shè)計上，著力突出電子信息特性，這里以數(shù)字示波器作為示范項目。圖4展示了數(shù)字示波器在動態(tài)磁滯回線、混沌電路、聲速測量、光強測量和光速測量實驗中的應(yīng)用，有的實驗也要用到信號發(fā)生器作為激勵源。在這些實驗中，數(shù)字示波器不僅會使用波形顯示模式（Y-T）和李莎如圖形顯示模式（X-Y）去觀察信號變化的行為，而且也能對其進行相關(guān)參數(shù)的測量。同時，數(shù)字示波器測量的信息有的就是直接電信號（如混沌電路），有的則是傳感器將非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ㄈ绻鈴姕y量）后進行間接測試。例如，在光強測量中，CCD光強分布測量儀將光信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔?，其輸出信號用示波器檢測后，可在顯示屏上觀察到清晰穩(wěn)定的相對光強分布曲線，而且還可以測量出光的強度和衍射條紋位置。

通過對物理實驗項目的全局考量及測量方法的設(shè)計，學(xué)生除了在專門的數(shù)字示波器原理與使用實驗中學(xué)習(xí)示波器和信號發(fā)生器外，還可以在多個物理實驗中應(yīng)用到它們。通過綜合性的實驗改革，數(shù)字示波器及應(yīng)用具有較強實踐訓(xùn)練功能的綜合實驗，使我校的大學(xué)物理實驗課具有更多的電子信息特色，學(xué)生對示波器和信號發(fā)生器有了更深的認識和較為熟練的應(yīng)用，形成了規(guī)模效益及示范效應(yīng)。

四、結(jié)語

以桂林電子科技大學(xué)的電子信息類學(xué)科特色為指導(dǎo)，為培養(yǎng)好電子信息類工程應(yīng)用型人才，對數(shù)字示波器原理與使用實驗進行了綜合改革提升。通過實驗內(nèi)容和檢測方法的設(shè)計，構(gòu)建的綜合訓(xùn)練項目內(nèi)容更加豐富，學(xué)生不僅更加熟練掌握了儀器的使用，而且獲得了示波器實際應(yīng)用上的訓(xùn)練。我們認為綜合改革后的數(shù)字示波器原理與使用實驗適用于電子類地方高校，而且與學(xué)校的學(xué)科特色緊密結(jié)合。

參考文獻：

[1]王化忠.中美大學(xué)物理實驗教學(xué)模式的比較研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，7（1）：54-58.

[2]何焰藍，于曉燕，彭剛，楊衛(wèi)新，劉一星，馬奇奇.美國波特蘭大學(xué)物理基礎(chǔ)教學(xué)啟示與借鑒[J].高等理科教育，2015，（2）：31-34.

[3]“新工科”建設(shè)行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017，（2）：24-25.

[4]胡波，馮輝，韓偉力，徐雷.加快新工科建設(shè)，推進工程教育改革創(chuàng)新——“綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會”綜述[J].復(fù)旦教育論壇，2017，15（2）：20-27.

[5]林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017，38（2）：26-35.

[6]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

[7]李杉，趙輝.數(shù)字示波器的優(yōu)點和使用注意事項[J].科技傳播，2012，4（16）：204-205.

[8]許積文，楊玲，王華，丘偉，任明放.數(shù)字示波器的原理與使用實驗教學(xué)中的問題與對策[J].廣西物理，2013，34（2）：49-51.

[9]嚴一民.電子科技大學(xué)物理實驗中心簡介[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013，11（5）：282-286.

[10]王生懷，徐風華，LI Tukun，陳育榮.地方本科院校特色實踐教學(xué)平臺建設(shè)探索[J].實驗室研究與探索，2016，35（5）：201-204.

[11]古天龍，景新幸，郭慶，魏銀霞.本科院校工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革探索[J].中國高教研究，2012，（1）：107-110.