“电子测量实验”课程教学改革与探索_万云霞.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-10-20;修回日期:2022-05-17基金项目:吉林大学 2019 年实验技术项目(409020720144);吉林大学 2019 年本科教学改革项目(2019XYB229)第一作者:万云霞(1980)，女，博士，正高级工程师，主要从事频率域电磁探测仪器的研究工作，E-mail:wanyx jlu edu cn通信作者:孙慧慧(1984)，女，硕士，工程师，主要从事控制系统及信号处理的研究工作，E-mail:sunhuihui jlu edu cn“电子测量实验”课程教学改革与探索万云霞1千承辉1孙慧慧1*易晓峰1，2田宝凤1，2(1 吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130000)(2 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心，长春 130000)摘要:原有“电子测量实验”课程存在验证性实验多、综合性设计型实验少、与前沿理论联系不紧密、实验平台缺乏等问题，无法满足课程培养目标。针对上述问题，构建了“基础实验+综合拓展+科研引导”的递进式多层次实验课程体系;引入翻转课堂提升实验教学效果;研制开放式实验教学平台，支撑多层次个性化课程内容。应用表明，该课程体系提升学生应用前沿技术解决实际问题能力，锻炼学生创新思维。关键词:电子测量;递进式多层次实验课程;课程改革中图分类号:TN82;G6420文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0184-05Teaching eformation and Exploration for ElectronicMeasurement ExperimentsWAN YunxiaQIAN ChenghuiSUN HuihuiYI XiaofengTIAN Baofeng(1 College of Instrumentation Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130000，China)(2 National Engineering esearch Center of Geophysical Exploration Instruments，Jilin University，Changchun 130000，China)Abstract:The original Electronic Measurement Experiments Course has many problems such as more verification experiments，less comprehensive design experiments，poor connection with cutting-edge theory，and lack of experimental platform，and cannotmeet the training goals In view of the above problems，a progressive multi-level experimental curriculum system of“basicexperiment+comprehensive development+scientific research guidance”was constructed，which introduced flipped classroomto improve the effect of experimental teaching，and developed an open experimental teaching platform to support the multi-levelpersonalized course content The practice shows that the curriculum system improves students ability to apply cutting-edge tech-nology to solve practical problems and exercises students innovative thinkingKeywords:electronic measurement;progressive multi-level experimental course;curriculum reform“电子测量实验”课程是吉林大学测控技术与仪器专业大三学年的专业实验课程，是在学习了“电路分析基础”“模拟电子技术”“数字电子技术”“嵌入式技术”“数字信号处理技术”专业课程的前提下，综合多门课程开展信号与系统的测量、电子测量仪器的设计1。同时，该门课程的开展也为后续智能仪器、虚拟仪器的学习打下了理论与实践基础，是一门承前启后的专业实验课程。在2013 版实验教学大纲中，实验内容的设置缺少体现前沿技术发展的时代特征，前沿理论知识与实验体系衔接不够紧密，综合性、探究性实验比例较低。缺少配套的实验教学平台，无法支撑多层次个性化实验内容体系。因此，在 2018 版实验教学大纲修订之时，充分考虑了理论知识前沿性与专业基础性兼顾的问题，增加了综合性、设计性实验项目的比例，同时引入科研与工程实际问题开展实践探索研究，提升了课程的高阶性和创新性。在教学方法的创新方面，引入计算机辅助设计方法弥补硬件平台资源的不足，通过翻转课堂等方式践行“以学生为本”的教学理念，充分调动学生的积极性与参与度。应用电子测量与电子设计技术，基于基础性、探索性实验项目，自主研发实验平台，满足学生的探究式学习需求。在科研案例分享与实验过程中，注重社会主义核心价值观的渗透，激发学生科技报国的爱国主义情怀2。1递进式多层次实验课程“电子测量实验”课程是一门操作性、实践性很强的课程3 4，不仅要求学生会熟练操作各种电子测量设备，同时也要培养学生针对不同测量对象完成测量方案设计的能力，还要有相当一部分学生需要掌握电子测量仪器的工作与设计原理，具备综合设计的能力。因此，实验教学内容需要“厚基础，重前沿，多层次”，注重知识体系的思想性、科学性和时代性，加强实验内容向科研、工程领域的延伸5。在实验教学过程中，首先对学生进行基础实验操作的指导，重点进行常用电子测量设备的使用培训及验证性实验;在此基础上利用计算机辅助分析软件及自制实验教学平台开展综合性拓展实验;通过科研案例分析、工程问题引入等方式为学生接触前沿技术、解决实际问题提供有效途径6。图 1 为实验课程内容。图 1实验课程内容1 1基础实验操作夯实实验技能电子测量仪器的操作技能是进行信号测量及仪器设计的基础。因此，首先对学生进行电子测量仪器的操作培训与基础验证实验的指导。通过这个过程，学生掌握利用信号发生器、频率计、示波器、扫频仪、频谱分析仪、逻辑分析仪等基本测量设备进行信号参数测量及系统测试的方法。表 1 所示为“电子测量实验”课程基础实验部分。实验内容涉及理论课程的基本知识点，用于夯实理论、实验基础。通过以上 5 个基础实验的训练，学生初步掌握了电子测量仪器的使用，同时也完成了一些基本信号和系统的参数测量，对电子测量过程有了一定的了解，为后续的综合性拓展实验打下了坚实的基础。1 2综合拓展实验提升综合实践能力“学以致用”是科学研究的最终目的，综合拓展部分引导学生在掌握基本实践技能的前提下应用所学理论及实验技术，以解决实际问题为目标，完成综合性实用系统设计。从方案论证、仿真调试到实物连接，结合计算机辅助设计软件和自制实验教学平台自主完成仪器设计，提升综合实践能力。如图 2 所示为综合实验内容及涉及到的专业课程。表 1电子测量实验课程基础实验部分序号项目名称实验内容1信号发生器与数字示波器的应用与信号测量1 典型信号的产生与测量。2 信号发生器与示波器的阻抗匹配问题。3 数字示波器的校准。4 李沙育图形的显示。2交流电压的测量与误差分析1 信号发生器和数字万用表测量标准交流电压信号参数并进行误差分析。2 掌握数字万用表的检波方式及非正弦信号参数测量与转换关系。3电路幅频特性的测量1“逐点法”完成实验平台中带通滤波器的幅频特性曲线绘制。2 网络特性分析仪绘制带通滤波器幅频特性曲线。4含噪信号的测量与分析1 利用信号发生器产生带有噪声的含噪信号;2 利用频谱分析仪进行噪声频谱分析;3 调整频谱分析仪参数，感受频率分辨率的变化对频谱分析的影响;4 选择不同的窗函数，感受频谱泄露的程度。5数字系统时序分析及故障监测1 实验平台提供一个半开放式的测频单元，学生自行设计电路，实现频率测量;2 利用逻辑分析仪对测频单元时序进行观察;3 判断信号时序输出是否正常，如果时序不正常，自行检查连接电路，排除故障;4 故障检测。设计一个故障(通过连接错误接线或拔掉某根电线)，利用逻辑分析仪观察时序是否符合预期故障。图 2综合实验内容基于 DDS 技术的信号源设计实验中涉及模拟电子技术、单片机技术，仿真软件应用及直接数字频率合成技术等，学生利用自制实验平台提供的DDS 模块及外围资源，通过编写程序、调试，完成波形、频率、幅值可调的信号源设计。与“电路设计 焊接 程序调试”的传统实践训练方式相比，工作效率高，电路系统稳定。学生不必花费太多的时间用于检查硬件，可以投入更多的精力进行功能581第 3 期万云霞，等:“电子测量实验”课程教学改革与探索的开发与完善。交流电压特征参数测量是模拟测量技术的典型代表 7，一般的实验都是通过万用表实现。常用的万用表属于均值电压表，无法直接测量非正弦信号，并且测量结果存在很大的误差 8。为了让学生扎实掌握检波电路的设计与工作原理，本实验要求学生自行设计一款集峰值、均值、有效值检波功能为一体的交流电压测量仪器。首先，借助于 proteus 软件对电路进行仿真调试9，进而利用实验平台中的硬件资源进行实物连接，并对信号源输出的标准交流电压进行测量显示，分析误差。峰值、平均值、有效值检波电路采用模拟电路进行搭建，输出信号经过A/D 转换后送入单片机进行处理显示。实验过程涉及检波原理、单片机应用、电路设计元器件选取等相关知识，在验证理论知识的同时锻炼了综合设计能力，提升了解决问题的能力。在频率测量与仪器设计综合实验中，摈弃以往实验过程中只注重使用仪器测量信号的过程而忽视仪器设计能力锻炼的思路。学生综合利用模拟电子技术、数字电子技术、信号分析与测量技术等专业知识完成频率测量系统的设计与搭建。测量信号的放大电路采用模拟数字电子技术中的基极分压式射极偏置电路。通过理论计算、仿真、测试，理解射极电阻 e对提高电路静态工作点稳定性的作用。同时，为解决稳定静态工作点与提高电压增益的矛盾，并联在 e两端的大电容起到关键作用。整形电路建议学生采用模拟放大器完成。输出的模拟信号接入数字计数电路中涉及模拟信号与数字信号的电平匹配问题。测量信号的频率范围受限于所使用的电子元器件的工作频带。通过综合性的设计实验，学生将前序课程的专业知识融会贯通，真正做到理论应用于实践，并在实践中验证理论，加深了对理论知识的掌握，积累了丰富的实践经验。为后续的科研与工程问题分析与解决奠定了基础。1 3科研孵化课题支撑拔尖人才培养基础实验和拓展实验提升了学生的实验操作技能和综合设计能力，使其具备开展科学研究与解决工程实践问题的实践基础。依托教学团队所在国家级和省部级科研平台，孵化出一些与电子测量技术相关的科研训练项目，在实验引导课程中作为实验教学案例进行分享。通过这个过程，使学生了解所学专业知识可解决什么样的科学问题和工程问题，了解其在科学发展中的意义，激发学生的科学探索精神和创新意识10。同时，引导学生以团队的形式选做科研项目中孵化出的“微项目”，锻炼其科研攻关能力的同时提升了项目运行、管理能力。“微项目”技术类实施过程完全以科研项目的模式开展，完成项目方案论证