實驗教學質(zhì)量的探討與實踐

序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]一篇實驗教學質(zhì)量的探討與實踐范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

一個全日制理工科大學生在大學四年的學習中，接受到的實踐教學應包括：基礎(chǔ)實驗教學、專業(yè)實驗教學、課程設(shè)計、科研訓練、畢業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)實習等，可相當一部分學生在進行畢業(yè)設(shè)計時，不知道如何進行設(shè)計工作，或?qū)λO(shè)計的電路不知如何去進行調(diào)試、修改，缺乏科學實驗的方法和分析問題、解決問題的能力，更談不上具有創(chuàng)新意識。面對這樣的情況，我們不禁自問，如何才能培養(yǎng)出具有開拓精神和創(chuàng)新能力，滿足當今社會需求的學生呢？在畢業(yè)設(shè)計之前，學生已經(jīng)經(jīng)歷過很多的實踐訓練尤其是實驗教學的訓練，這些實驗教學的目的正是為了培養(yǎng)學生的基本實驗技能，培養(yǎng)他們的實踐及綜合應用能力，培養(yǎng)他們分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新精神。但現(xiàn)狀卻是非常令人不滿意的，因此，提高實驗教學的質(zhì)量是我們亟待解決的課題。

１創(chuàng)造良好的實驗教學環(huán)境

１．１重視實驗教學工作

實驗教學是高等院校教學體系的一部分，是培養(yǎng)學生科學實驗方法和技能、分析問題與解決問題的能力、理論聯(lián)系實際的學風和實事求是的科學態(tài)度的手段，實驗教學相對于理論教學更具有直觀性、實踐性、綜合性的特點，在高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)中具有理論教學不可替代的地位與作用，實驗教學與理論教學不是主從、依附的關(guān)系，而是辯證統(tǒng)一的關(guān)系，只有重視實驗教學才能有效地提高實驗教學質(zhì)量。所以理論課教師必須同時承擔實驗教學任務(wù)，這樣才能充分了解學生實驗課的表現(xiàn)及學生的實踐能力，更好地將理論與實踐相結(jié)合。

１．２創(chuàng)造滿足實驗教學的必備條件

實驗教學不同于課堂理論教學之處就在于實驗教學必須依靠一定的實驗裝置和儀器、儀表。適當?shù)膶嶒瀳龅兀侠淼摹⑾冗M的實驗設(shè)備是保證實驗教學質(zhì)量必備的硬件條件，此外，制定與課程教學計劃相符合的、合理的實驗教學計劃與大綱，具有先進性、適用性的教材均是保證實驗教學質(zhì)量的必要條件。為此，我們適時地修改了實驗教學大綱，增加了新的實驗裝置，實驗指導教材的修訂正在編寫中。

１．３提高教師隊伍的素質(zhì)

教學由兩方面因素構(gòu)成：教與學，而教的主體是教師，教師的素質(zhì)會直接影響到教學質(zhì)量。從事實驗教學的教師首先應該嚴格要求自己，不斷學習、更新知識、提高自己的工程素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平，這樣才有可能用自己的知識去為學生答疑、解惑，去啟發(fā)和吸引學生，提高學生對實驗教學的興趣［１］；其次，應該充分認識實驗教學的重要作用，認識自己肩負的重任，全身心地投入到實驗教學中，才能把這項工作做得更好。新任實驗指導教師必須在老教師的指導下完成一到兩期的指導之后才能獨立上崗，以保證師資隊伍的素質(zhì)。

２充分發(fā)揮教師的主導作用，啟迪學生智慧

２．１循循善誘，開拓學生的思維

實驗教學重在過程，在大學基礎(chǔ)實驗教學過程中，首先要培養(yǎng)學生實驗的基本技能，指導學生掌握常規(guī)儀器的基本原理及使用方法。學生所做的往往是一些驗證型實驗，在教學過程中，首先提出具有代表性的問題，引導學生對所學相關(guān)理論進行回顧，再從理論入手啟發(fā)學生積極思考實驗方案。在進行信號與系統(tǒng)實驗中“系統(tǒng)的頻率響應特性測量”這一實驗項目時，告訴學生：實驗室提供給同學們的是一個未知特性的系統(tǒng)，要求大家測出該系統(tǒng)的頻率響應特性。那么，學生們首先必須知道什么是系統(tǒng)的頻率響應特性，其次是如何去測量。此時不是直接告訴學生測量的原理及方法，而是要求學生回顧，一個穩(wěn)定的系統(tǒng)在正弦信號激勵下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應（輸出）是什么，輸出信號與輸入信號有何異同，這些不同與輸入信號的頻率之間是否存在關(guān)系。由此一番引導之后，學生應該非常清楚，系統(tǒng)的頻率響應特性，就是指響應的幅度與相位隨激勵信號頻率改變的情況；頻率響應特性的測量就是測出在不同頻率激勵信號作用下輸出信號與輸入信號的幅度比和相位差。如何測出輸入、輸出信號的幅度比對于大多數(shù)學生來說都容易想到，但如何借助于常規(guī)儀器測出對于輸入、輸出信號的相位差學生們普遍不清楚，于是可以啟發(fā)學生將頻率相同但幅度、相位不同的兩個正弦信號畫在同一坐標系中，在頻率已知的情況下從圖上的坐標系中就可以確定相位差，在實驗室則可以將雙蹤示波器當作坐標紙，將輸入、輸出處信號同時顯示在示波器上即可測出相位差［２］。最后，只要將測量的數(shù)據(jù)描成曲線即可分別得出幅頻特性曲線與相頻特性曲線。這就是頻率響應特性的逐點測量法。這樣一來學生不僅知其然，而且知其所以然。

２．２讓學生學會理論聯(lián)系實際

實驗過程中，一旦出現(xiàn)了與理論不相符合的實驗現(xiàn)象，要啟發(fā)學生從不同的角度去分析這一實驗現(xiàn)象的形成原因，讓學生體會到理論來源于實踐，但實踐受客觀因素的影響有時與理想狀況是有區(qū)別的。應該在理論指導下進行實踐，在實踐中豐富理論知識，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的學風。譬如在做不同頻率的方波通過低通濾波器的實驗時，要求學生觀察下列三種情況下的輸出波形：ｆｉ＜ｆｃ＜３ｆｉ，３ｆｉ＜ｆｃ＜５ｆｉ，ｆｉｆｃ（其中ｆｉ為輸入信號的頻率，由學生自己選擇，ｆｃ為低通濾波器的截止頻率，可根據(jù)電路的參數(shù)算得）。在滿足條件的前提下，如所選輸入信號的頻率較低，看到的輸出信號則與理論上的結(jié)果有所不同。部分學生則會認為自己的實驗結(jié)果不正確，且認為不正確的原因是實驗設(shè)備或?qū)嶒炿娐返膮?shù)誤差造成的。此時應該對學生的分析提出質(zhì)疑，并啟發(fā)學生，理論上的結(jié)論是在何種條件下得到的，這種條件實驗中是否可以滿足。思考之后學生會明白，造成理論與實驗結(jié)果不同的原因是實驗中的濾波器是非理想的，而理想低通濾波器與非理想低通濾波器的幅頻特性是有區(qū)別的，這才是輸出信號與理論分析的結(jié)果不同的真正原因。

２．３培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力

實驗教學教的是方法。在教學過程中，當學生提出問題時教師不要急于回答，首先應引導學生自己去分析可能產(chǎn)生問題的原因，然后再指導學生去逐項排查，并找出解決問題的方法。在實驗教學中經(jīng)常會遇到這一類現(xiàn)象，學生會突然提出，剛才實驗還是好好的可現(xiàn)在示波器上什么波形都沒了，這時教師不能馬上告訴學生問題出在何處，而是提示學生出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能有：電源故障，用于觀察輸出信號的示波器或連接線有故障，信號源或輸入端的連接線有故障，實驗中用到的其他儀器故障，實驗電路由于虛焊、脫焊等造成的故障等；首先指導學生先逐一排查電路以外的儀器、儀表的故障，再排查電路的故障。這樣一步一步查找的過程既是學生對常規(guī)儀器、儀表使用的熟悉過程，也是對學生分析問題能力的一種培養(yǎng)，找到故障后排除故障的過程則是對學生解決問題能力的培養(yǎng)和鍛煉。

２．４重視實驗結(jié)果的真實性

培養(yǎng)學生以誠實的態(tài)度對待科學實驗，以實事求是的態(tài)度對待實驗結(jié)果是高校實驗教學的重要目的。教學過程中通過典型的例子讓學生懂得，不能為了自己所要說明的問題而隨意更改、增減數(shù)據(jù)，更不能嫁接別人的數(shù)據(jù)或偽造數(shù)據(jù)［３］。因為只有在真實的各組數(shù)據(jù)之間才能找到事物內(nèi)在的本質(zhì)，雖然有時也會出現(xiàn)不符合規(guī)律的數(shù)據(jù)，但只要找到不符合規(guī)律數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因，就會有所發(fā)現(xiàn)，甚至是重要的新發(fā)現(xiàn)。在觀察１０ＫＨｚ與１２ＫＨｚ，幅值均為５Ｖ的兩路正弦信號疊加時，要求學生測出疊加后信號的頻譜。一些學生測出的頻率成分為（２ＫＨｚ，－４２ｄＢ），（１０ＫＨｚ，５ｄＢ），（１２ＫＨｚ，５ｄＢ），（２２ＫＨｚ，－４３ｄＢ），并得出結(jié)論，兩路正弦信號疊加之后的頻譜中包含四個諧波分量。事實上，這個結(jié)論是錯誤的，學生為了證明疊加之后的信號中包含１０ＫＨｚ與１２ＫＨｚ的和頻（２２ＫＨｚ）與差頻（２ＫＨｚ）成分，找出了本不屬于疊加后信號的兩個頻率成分２ＫＨｚ，２２ＫＨｚ。但實驗中的確會出現(xiàn)這兩組數(shù)，從幅值的大小亦可看出２ＫＨｚ，２２ＫＨｚ的幅值還不到１０ＫＨｚ，１２ＫＨｚ幅值的１％，已大大低于我們所用選頻電頻表的測量范圍（－２０ｄＢ），與２ＫＨｚ，２２ＫＨｚ幅值大小相近的頻率成分還有好多，只是學生們認為不是正確數(shù)據(jù)沒記錄，這是一些干擾信號。所以對實驗結(jié)果的真實性進行分析去偽存真是正確結(jié)論的關(guān)鍵因素之一。

２．５注重實驗結(jié)果的分析與總結(jié)

高等學校擔負著培養(yǎng)開拓型、創(chuàng)新型人才的重任，而創(chuàng)新的學術(shù)思想、科學的實驗方法、嫻熟的實驗技能是開拓型、創(chuàng)新型人才必備的素質(zhì)。實驗教學中不僅要重視學生實驗技能和科學的實驗方法的培養(yǎng)，還要注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。理論來源于實踐，且理論的發(fā)展遵循螺旋式上升的規(guī)律：理論—實踐—理論，即在理論指導下進行實踐，將實踐的結(jié)果進行分析、總結(jié)上升為新的理論（結(jié)論）。倘若只重視實驗過程不注意實驗結(jié)果的分析與總結(jié)，就相當于只播種不收獲。對實驗結(jié)果棄之不顧就不可能有新的認識和發(fā)現(xiàn)，也就談不上創(chuàng)新。實驗教學中應要求學生認真觀察每一個現(xiàn)象，實驗結(jié)束后及時地整理、分析實驗數(shù)據(jù)，對于驗證型實驗，要求將實驗數(shù)據(jù)與理論值進行比較，判斷實驗結(jié)果是否與理論規(guī)律相符合，若不符合或誤差較大則要分析原因；對于設(shè)計型實驗應分析實驗結(jié)果是否滿足設(shè)計的指標要求；對于綜合型實驗，應要求學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象得出相關(guān)的結(jié)論。在做信號頻譜分析的實驗時，要求學生將實驗中測得的數(shù)據(jù)整理后畫成頻譜圖，并將數(shù)據(jù)與理論值進行比較，從而加深對典型信號的頻譜的印象；在觀察兩個不同頻率的正弦信號的疊加時，則要求學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和觀察到的波形得出一般性的結(jié)論，兩個不同頻率的正弦疊加后信號包含哪些頻率分量，疊加后的信號是否為周期性信號，兩正弦信號頻率相差較大或較小時的輸出信號波形有何特點，與實驗之前用ＭＡＴＬＡＢ仿真的結(jié)果是否相同［４］。若不要求學生得出這樣的結(jié)論，那么學生的認知只能停留在觀察到的波形上，根本不會上升為一般性的理論，今后若遇到類似的問題依然不知道正解是什么。

３調(diào)動學生的實驗興趣和積極性

３．１設(shè)計合理的實驗項目

我們的學生在學習的過程中，往往只重視理論教學而忽視實驗教學的重要性。對于信號與系統(tǒng)這樣理論性、邏輯性較強的課程，如果單純只從理論上灌輸給學生一些知識，學生會覺得很這門課公式多、較抽象、難理解，因此就會產(chǎn)生畏難情緒，自然也就不會有好的學習效果。所以在介紹理論知識的同時，設(shè)計一些合理的實驗項目，讓學生通過直觀的實驗現(xiàn)象理解相應的理論知識，這不僅對理論知識的理解會起到促進作用，還會讓學生通過實驗了解和掌握一些實驗的方法、實驗的手段，提高學生的實驗技能，培養(yǎng)學生在實踐中求知的積極性。譬如：在信號與系統(tǒng)課程中我們會講到周期信號的頻譜的概念，一個周期為Ｔ１的矩形脈沖，可用傅里葉級數(shù)將其展開成三角形式或指數(shù)形式的無窮級數(shù)，其展開式中的系數(shù)表示了各諧波分量的幅值的大小，因此我們說周期矩形脈沖包含了若干個頻率成分。學生一開始總是不明白，周期矩形脈沖信號既然周期為Ｔ１其頻率就應該是１／Ｔ１啊，怎么會有其他的頻率呢，為此，我們設(shè)計了周期信號頻譜的測試實驗，讓學生通過逐點測量的方法找出信號包含的一些頻率成分；同時我們還設(shè)計了方波的合成實驗，讓學生觀察一次諧波，然后一次與三次諧波疊加，再將一、三、五諧波進行疊加，逐步增加疊加的諧波次數(shù)合成的波形，通過觀察合成的波形學生會發(fā)現(xiàn)，疊加的諧波次數(shù)越多，合成的波形就越接近原來的矩形脈沖，從而理解周期矩形脈沖是由若干個不同的頻率成分（諧波分量）組合而成的。這種建立在測量數(shù)據(jù)、圖形上的實驗結(jié)果學生非常容易接受、理解，因此調(diào)動了學生參與實驗的積極性［５］。

３．２增加設(shè)計型實驗

為了增加學生的參與性，鍛煉學生的設(shè)計與創(chuàng)造能力，我們改變了過去教師設(shè)計好實驗電路，學生只按照實驗指導書按部就班操作的模式，增加了設(shè)計型實驗。我們在實驗課之前一周通知學生要做的內(nèi)容，并讓學生自己提供實驗方案。譬如，要做濾波器特性測量時，將學生分成若干組，每一組設(shè)計一個濾波器，并從理論上畫出系統(tǒng)的頻率響應特性，并要求分析用方波作為輸入時，理論上的輸出波形。實驗前，教師確認理論設(shè)計正確后，學生進入實驗室來完成自己設(shè)計的電路并測量其特性、分析實驗結(jié)果與理論是否一致；再譬如，在做兩個正弦信號相加的實驗之前要求學生用ＭＡＴＬＡＢ進行仿真，根據(jù)仿真的結(jié)果了解疊加后波形特點，然后再來實驗室通過實驗電路進行相加，從而可以更好地認識系統(tǒng)對信號的作用。這樣讓學生自己參與設(shè)計就會克服完全依賴教師的指導和實驗指導書，既培養(yǎng)了學生的分析、設(shè)計的能力，又大大調(diào)動了學生的積極性和興趣，有效提高了實驗教學的質(zhì)量。

３．３增加實驗成績的比例，考核內(nèi)容多元化

信號與系統(tǒng)實驗屬于課內(nèi)實驗，過去實驗成績只由考勤、實驗報告兩項組成，占總成績的２０％，為了調(diào)動學生的積極性，更好地培養(yǎng)學生的實踐和創(chuàng)新能力，考核內(nèi)容增加了ＭＡＴＬＡＢ上機和設(shè)計方案兩項，實驗成績的比例提高為總成績的３０％。

４結(jié)束語

教學質(zhì)量是高等學校的生命線，實驗教學是高校教學的重要組成部分，提高實驗教學質(zhì)量是鍛煉學生實踐能力，提高學生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生科學的實驗方法和創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力的重要手段。實驗教學質(zhì)量的提高與良好的實驗教學環(huán)境，教師的指導方式和方法，學生的學習態(tài)度有著密不可分的關(guān)系。

參考文獻：

［１］李進．實驗教學重在過程［Ｊ］．實驗室研究與探索，２００９，２８（９）：１—４．

［２］李進．實驗教學重在過程（續(xù)）［Ｊ］．實驗室研究與探索，２００９，２８（１０）：１—４．

［３］林健．注重卓越工程教育本質(zhì)，創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式［Ｊ］．中國高等教育，２０１１（６）：１９—２１．

［４］錢玲，虞粉英，李晟．信號分析與處理實驗指導書［Ｍ］．北京：科學出版社，２０１２．

［５］盧季霞．高校人才培養(yǎng)模式與實驗教學改革的探索［Ｊ］．科教文匯，２０１５（２）：４０—４２．

作者:虞粉英 單位:南京理工大學