李 剛， 林 凌

(天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072)

0 引言

鑒于實驗在教學中的重要作用，很多教師針對實驗教學中的實驗項目進行了探索：高翠云[1]、趙倩[2]、范迪[3]、于璐[4]和呂繼東[5]等設(shè)計了各種單項實驗，馬千里[6]、葉繼倫[7]、劉毅飛[8]、李正美[9]、沈義民[10]和趙曉明[11]等設(shè)計了多種生物醫(yī)學實驗平臺或?qū)嶒炏到y(tǒng)，這些實驗系統(tǒng)(平臺)有實驗種類多，涉及面廣，學生操作容易的特點，但上述的實驗無深度，很容易陷入“驗證性實驗”的怪圈，未能在更高層面考慮實驗的設(shè)計。

實際上，對于工程教育而言，實踐(實驗)絕不僅僅停留在驗證理論教學的某個知識點理解上，也不僅僅在理解某個原理上，還不僅僅停留在所謂的學習上。實踐(實驗)在教書育人、培養(yǎng)科學思維和學習能力上可以發(fā)揮重要的作用。本文從課程的整體、系統(tǒng)層面考慮實驗教學的問題，總結(jié)了十幾年來在“生物醫(yī)學電子學”課程的教學實踐中，力圖實現(xiàn)實驗教學的四大作用：

(1)實踐誘發(fā)學習興趣——學習的最高境界和最好狀態(tài)；

(2)實踐提供感性認識——有助于理解和避免指鹿為馬；

(3)實踐促進理論學習——書到用時方恨少！

(4)實踐檢驗學習成效——學以致用，體現(xiàn)學習的目的。

1 實踐(實驗)在工程教育中的四大作用

下面從一個實驗(問題)來說明實踐(實驗)在工程教育中的四大作用。

每一輪本科生“生物醫(yī)學電子學”教學的第一堂課，筆者都要向后排的學生提出這樣一個開放性的問題(每堂課向坐在最后的學生提問可以保證課堂教學的秩序)：輸入占空比為50%的方波到一個RC電路，RC電路的輸出是什么？

這個問題看似簡單，但對現(xiàn)在的學生來說卻是一個難度相當高的問題，幾乎沒有學生能夠全面、正確地回答這個問題。在問過十幾名學生之后，筆者作如下幾個層面的引導：

(1)即使簡單到只有兩個元件的電路，也必定能夠完成一定的信號處理功能，RC電路的正確連接也只有圖1所示的兩種形式。

(a)電容上輸出形式 (b)電阻上輸出形式圖1 RC電路

(2)電路的形式固然重要，電路的參數(shù)也很重要。如圖1(a)的電路，在其τ=RC與輸入方波周期T相對大小不同時，電路的輸出波形很不一樣(圖2)。實質(zhì)上電路在起到“特定”的信號處理(運算)功能，如表1所列。

表1 τ與T相對大小不同時RC電路的功能

(3)RC電路完全可以用于正弦波信號的微、積分處理，請學生注意：所需進行微分、積分處理(計算)時信號頻率在幅頻特性曲線的位置。

(4)工程近似的“度”的概念：圖1(b)電路的傳遞函數(shù)為：

(a)1Hz(放大細節(jié)圖) (b)1Hz(縮小圖) (c)10Hz

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

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

(j)5kHz (k)10kHz (l)1MHz圖2 不同頻率輸入時圖1(a)電路的輸出波形(摘自學生的作業(yè))(R=1k 、C=0.47μF)

(1)

或

(2)

其中：

ω0=1/RC=1/τ

(3)

①當τ<

H(jω)=jωRC

(4)

說明電路起“微分”作用。

②同樣：當τ～T，也即|jω/ω0|～1時，或者說信號頻率處于高通濾波器附近，電路容許高于截止頻率的信號通過，低于截止頻率的信號有不同程度的衰減。

③當τ>>T，也即|jω/ω0|?1時，式(1)可以近似為：

H(jω)=1

(5)

說明電路讓信號毫無衰減地通過。

工程上的“近似”是抓住關(guān)鍵的好方法：既沒有改變問題的實質(zhì)，又使分析簡潔、清晰。

(5)方波信號的前、后沿既可表示信號本身的高頻成分，又可揭示系統(tǒng)的低通濾波器的截止頻率的粗略值；方波信號的上、下底的下降(上升)情況既可表示信號本身的低頻成分，又可揭示系統(tǒng)的高通濾波器的截止頻率的粗略值。

(6)其實，(5)給出的是“方波測試”原理，又稱為瞬態(tài)測量原理。在工程上，可以快速、簡便地確定系統(tǒng)的頻帶，甚至有的場合還非得“方波測試”方法不可，如心電放大器中的0.05Hz(3.3s)高通濾波器(又稱為“時間常數(shù)電路”)的測試。

(7)這也是理解“高速”參數(shù)及其概念的有效方法。一般而言，學生容易接受“高頻”參數(shù)及其概念，理解“高速”參數(shù)及其概念有困難。

(8)學習電子學或電子電路，必須掌握元器件的性能與參數(shù)，似乎這是一個簡單的問題，理所當然的問題。其實不然，有學生采用1支100 F的電容和1支100 Ω的電阻做圖1(a)實驗，電路輸出竟然是近乎完美的方波？！

(9)萬用表和示波器在同學們看來，除了損壞外，就是完美、理想的儀器，也是輕而易舉地可以掌握的儀器！同樣有學生做圖1(a)實驗，在輸入幾Hz方波時，示波器上顯示的波形既有前、后沿的積分現(xiàn)象，也有上、下底的下降(上升)情況？！

通過該問題及其實驗，讓學生

(1)領(lǐng)悟“不做不知道自己的不知道，要做好才知道自己差多少”；

(2)哪怕再簡單的電路，要真正掌握還需要“勇于實踐X深入思考”；

(3)既要思考3層以上的深度，又要聯(lián)系3層以上廣度(與其他課程，如數(shù)學、信號與系統(tǒng)等課程聯(lián)系起來)。

這樣，也就體現(xiàn)實踐的四大作用：

1)實踐誘發(fā)學習興趣

所提的問題極為“簡單”卻完全不能回答，這給學生以強烈的震撼，將盲目自滿甚至自傲的玻璃心打個粉碎。在實驗過程中，做得越多，想得越多，就越體會到“學習”真的不那么“簡單”。千言萬語的說教不如一個“自主性、綜合性和探索性”的實驗來得有效。同時，實驗過程中反復推進、反復受挫又反復有進展，都會給學生帶來興趣和信心。實際上，這就應(yīng)該是專業(yè)課的課程思政應(yīng)有之義。

2)實踐提供感性認識

本文舉例的這個問題實際上在多門課程中涉及到：“電路原理”或“電路分析”、“模擬電子基礎(chǔ)”、“信號與系統(tǒng)”，但學生們普遍掌握不好，主要原因是：

——即使課堂上能夠講述清楚、全面和細致(這幾乎做不到)學生也未必記得住。

——像這樣“簡單”的問題也幾乎不會安排寶貴的學時去做實驗，即使是安排了實驗，也難以有深入、全面的指導和要求，也近乎于沒有學生能夠主動、認真、細致地去完成。

——現(xiàn)有的方方面面的條件也不足以支撐學生長時間的、有思考地實驗。

綜上所述，有效的自主性、綜合性和探索性實驗可為學生提供清晰、全面、有條理、深刻的感性認識，為后續(xù)學習提供條件，很容易理解課堂上的教學內(nèi)容。

3)實踐促進理論學習

在現(xiàn)在的教學及其管理模式下，課時短、課程多，要讓學生真正掌握課程內(nèi)容和具備足夠的工程能力是不可能的。需要培養(yǎng)學生的綜合能力和學習能力才有可能達到讓學生真正掌握課程內(nèi)容和具備足夠的工程能力的目的，而其先決條件是讓學生具有學習的主動性和了解學習的方向與目標，只有實踐才能提供這一條件，之后學生將主動地補充大量理論知識，從而促進理論學習。

4)實踐檢驗學習成效

對于工科教育，其根本目的是“學以致用”，是否學到，也只有通過實踐來檢驗而不是通過卷面考試來檢驗。實際上，很多專業(yè)課教師十分發(fā)憷出考題，指望僅靠卷面試題來測試學生掌握電子學課程內(nèi)容和具備足夠的工程能力是不可能！

2 結(jié)語

本文通過一個極其“簡單”的電路實驗來說明實踐在《(生物醫(yī)學)電子學》的教學中的4大作用：這個問題看似簡單，卻蘊含豐富的、包含知識與能力的內(nèi)涵，要完整、全面的理解和掌握這些內(nèi)涵，只有通過實踐才能達到這個目的。