發布時間：2018-09-21所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：在桂林電子科技大學電子信息特色的辦學理念與大學物理綜合實驗改革的雙重驅動下，以示波器的原理與使用實驗為綜合改革對象，在大學物理實驗中構建了實踐與應用能力培養較強的綜合改革示范項目，取得了較好的教學效果。為電子信息類工程應用型人才培養
摘要：在桂林電子科技大學電子信息特色的辦學理念與大學物理綜合實驗改革的雙重驅動下，以示波器的原理與使用實驗為綜合改革對象，在大學物理實驗中構建了實踐與應用能力培養較強的綜合改革示范項目，取得了較好的教學效果。為電子信息類工程應用型人才培養，以及為當前新工科建設作出了積極的探索。
關鍵詞：示波器,物理實驗,電子信息,應用
一、引言
基于大學物理實驗的重要性[1，2]，在大學本科教育中獨立開設大學物理實驗課。傳統的普通物理實驗往往只注重某一個側面，在設計實驗時也就只突出要分析的這一個側面，給學生的感覺是一個物理現象只表現一種物理意義。隨著素質教育的提倡，要求學生要有綜合分析能力，能夠對一個物理現象進行全方位的分析。
2017年2月以來，從“復旦共識”、“天大行動”到“北京指南”，標志著以新工科建設為主題的高等工程教育改革進入到一個新的階段[3-6]。為了滿足國家戰略和新興產業發展的需求，需要培養具有全球視野、創新精神和實踐能力的復合型人才。因此，作為基礎實驗課的大學物理實驗課程需要及時有效地調整其教學方法滿足復合型人才的培養要求。
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象的變化過程。其他非電學量借助于傳感器技術將其轉變為電信號后，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。數字示波器采用數字電路進行模/數轉換，并通過存儲器實現對觸發前信號進行記憶的一種具備存儲功能的數字化設備。數字示波器除了具有模擬示波器的功能外，還具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等獨特優點[7]。
本文以我校在數字示波器實驗上的教學探索為基礎[8]，在我校電子信息特色和物理實驗綜合改革的驅動下，對數字示波器原理與使用實驗項目進行設計，構建具有較強實踐性以及綜合能力培養的示范性實驗項目，全面提升大學生的實驗素養。
二、實驗內容與設計思路
地方院校的實踐教學工作要做出有一定影響力的一個重要的實現途徑就是結合地方院校豐富、扎實的歷史沉淀，以及結合產業特色，進行有特色的教學建設[9，10]。桂林電子科技大學具有電子信息特色鮮明的學科特點[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，是符合自身特色及發展定位的。例如，信號發生器和數字示波器是電子類專業的基本設備，物理實驗中不僅設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計再次應用信號發生器和示波器，使學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建出具有綜合訓練功能的示范性實驗項目。圖1展示了示波器綜合訓練內容的構建。在示波器實驗中，同時提供了模擬信號發生器和數字信號發生器，使學生能使用到兩種常見的信號發生器。在專門的數字示波器原理與使用實驗中，實驗內容也進行了兩方面的提升：一方面是將傳統實驗內容中對正弦波的觀測和測量調整為不僅觀測正弦波，也觀察多種波形，因為數字信號發生器可以提供高達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，激發學生的興趣和思考。在示波器的綜合應用方面，通過在其他物理實驗(如聲速測量、光速測量等)中設計測試方法，將示波器作為監控和測試手段，不僅應用上了示波器，也會應用到信號發生器，而且使得實驗結果具有了可視化和數據化。
三、實驗教學情況分析
1.數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于學生如何較好地認知實驗設備進行了探討[8]，但只是從偏技巧的角度訓練學生如何更有效的操控信號發生器和示波器，在實驗內容的深度和廣度上缺乏探索。從綜合能力訓練及認知的深度構建的實驗內容，可以讓學生同時接觸兩種信號發生器(如圖2所示)，認知常用的模擬信號發生器和數字信號發生器在波形輸出、操控性方面的共性和差異性以及信號波形及參數的準確性。
數字信號發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。數字示波器除了有類似于模擬示波器的調節外，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勢，例如很多操作實現了數字化，測量方式有自動測量和光標測量，信號的圖形和測試參數可以存儲，等等。設備數字化是大趨勢，數字化的示波器和信號發生器的使用可以使學生做到觸類旁通，以后在遇到類似的數字化設備時，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為正弦波與三角波時，李薩如圖形出現了兩個拐點;當徹底變為兩個三角波合成時，李薩如圖形出現了四個拐點，形狀由蝴蝶形改變為方塊形;如果是兩個方波合成時，李薩如圖形則變為四個點的形狀，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果，學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?這可以與大學物理理論課學習到的振動合成的理論知識緊密結合，訓練了學生分析問題的能力。
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，這可以向學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果。學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生的認知，提升分析實驗現象的綜合能力。
2.示波器和信號發生器的綜合應用。
考慮到我校電子信息學科的特色，在學校立項了“基于培養電子信息科學素養和研究能力的大學物理實驗中心建設”項目，對實驗平臺和項目進行升級或重新構建。因此，我們在實驗項目和內容的設計上，著力突出電子信息特性，這里以數字示波器作為示范項目。圖4展示了數字示波器在動態磁滯回線、混沌電路、聲速測量、光強測量和光速測量實驗中的應用，有的實驗也要用到信號發生器作為激勵源。
在這些實驗中，數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參數的測量。同時，數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變為電量(如光強測量)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變為電信息，其輸出信號用示波器檢測后，可在顯示屏上觀察到清晰穩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計，學生除了在專門的數字示波器原理與使用實驗中學習示波器和信號發生器外，還可以在多個物理實驗中應用到它們。通過綜合性的實驗改革，數字示波器及應用具有較強實踐訓練功能的綜合實驗，使我校的大學物理實驗課具有更多的電子信息特色，學生對示波器和信號發生器有了更深的認識和較為熟練的應用，形成了規模效益及示范效應。
四、結語
以桂林電子科技大學的電子信息類學科特色為指導，為培養好電子信息類工程應用型人才，對數字示波器原理與使用實驗進行了綜合改革提升。通過實驗內容和檢測方法的設計，構建的綜合訓練項目內容更加豐富，學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用上的訓練。我們認為綜合改革后的數字示波器原理與使用實驗適用于電子類地方高校，而且與學校的學科特色緊密結合。
參考文獻：
[1]王化忠.中美大學物理實驗教學模式的比較研究[J].云南農業大學學報,2013,7(1):54-58.
[2]何焰藍,于曉燕,彭剛,楊衛新,劉一星,馬奇奇.美國波特蘭大學物理基礎教學啟示與借鑒[J].高等理科教育,2015,(2):31-34.
[3]“新工科”建設行動路線“(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,推進工程教育改革創新——“綜合性高校工程教育發展戰略研討會”綜述[J].復旦教育論壇,2017,15(2):20-27.
[5]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究,2017,38(2):26-35.
[6]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究,2017,(3):1-6.
[7]李杉,趙輝.數字示波器的優點和使用注意事項[J].科技傳播,2012,4(16):204-205.
[8]許積文,楊玲,王華,丘偉,任明放.數字示波器的原理與使用實驗教學中的問題與對策[J].廣西物理,2013,34(2):49-51.
[9]嚴一民.電子科技大學物理實驗中心簡介[J].實驗科學與技術,2013,11(5):282-286.
[10]王生懷,徐風華,LITukun,陳育榮.地方本科院校特色實踐教學平臺建設探索[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.本科院校工程應用型人才培養模式改革探索[J].中國高教研究,2012,(1):107-110.
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