测控电路课程设置与教学实践

测控电路课程设置与教学实践

理论教育和实践教育是大多数研究生教育的典型教育方法，是教育体系的有机组成部分。如果这两种缺陷和缺陷导致教育体系的不完整，对教育和教育没有负面影响。理论教学与实践教学存在着密切的内在联系测控电路课程是测控技术与仪器的专业主干课,电路基础、模拟电子技术、数字电子技术等先修课程为其理论基础,并且与工程实践紧密结合,但在教学中存在理论教学和实践教学脱节问题。因此,在测控电路课程教学中开展了理论和实验混合式教学模式的改革。下面主要针对该课程的教学改革内容、特色以及典型教学环节。1建立高层次实践教学与应用探索混合式教学的制度设计通过建设一支具有较高理论水平和丰富的实践教学经验的“双师型”教师队伍,设置理论教学与实践教学混合式教学环节,建立与之相适应的考核方法,将理论教学与实践教学有机联系在一起,解决教学中理论与实践脱节的问题,突出高层次实践教学在培养高水平应用型人才过程中的作用,提高学生的应用与创新能力,保证人才培养与社会需求的紧密衔接。1.1理论和实践教学相结合,实现高层次实践教学与实践教学的融合从测控专业高级应用型人才培养目标入手,构建理论教学与实践教学混合式的教学环节,淡化课堂理论教学与实践教学的界限,有机融合理论教学和实践教学,解决理论教学与实践教学脱节问题,实现高层次实践教学在培养高级应用型人才过程中的突出作用,使培养的学生从“高分低能”向“高分高能”转变,提高学生应用与创新能力、科学素养、实践精神和团队合作精神。混合式教学中充分发挥教师的主导作用与学生的主体作用。1.2学习、研究课程内容实现理论和实践混合式教学,教师的作用发生了改变,需要理论知识丰富、操作技能熟练、知识融会贯通;实时获取学生的问题,与采用不同实现方法、研究不同细节的学生进行讨论和指导;汇总学生疑点、错误的想法和解决问题的技巧,对理论知识和实践过程进行归纳和统一。1.3理论与实践统一、升华教学阶段一次教学活动流程为:理论教学(0.5学时)→实践教学(3学时)→理论和实践统一、升华(0.5学时)。在理论教学阶段,教师介绍基本概念并对相关知识点和应用进行引导。在实践教学阶段,教师指导学生通过实验验证有关理论,加深对理论知识的理解,并通过观察、思考、讨论等途径主动探索,掌握认识和解决问题的方法和步骤,研究测控电路的本质特性,发现电路理论和实验现象的联系、相符及差异情况,得出自己的结论和解释。在理论和实践统一、升华教学阶段,教师对理论知识、实验现象和各组学生主动探索得到的结论和解释进行总结、梳理、释疑并进行讨论。在教学环节中采用引导式、探究式、讨论式和参与式的教学方法,使学生之间、教师之间以及师生之间充分交流,实现理论和实践的有机统一,知识的升华。1.4考核方法设计针对理论和实践混合式教学方法,建立包含理论知识、实验动手能力、分析解决问题能力和创新能力等考核内容的考核方法,并提高其在总成绩中所占比例。2混合式教学方法的特点(1)提出在测控电路课程教学中采用“理论引导—实践探索—理论和实践统一、升华”的理论和实践混合式教学环节,并通过采用案例式、引导式、探究式、讨论式和参与式的教学方法,实现高层次实践教学,理论和实践的有机统一,知识的升华。(2)针对理论和实践混合式教学方法,提出包含理论知识、实验动手能力、分析解决问题能力和创新能力等考核内容的考核方法。(3)建立一支具有较高理论水平和丰富的实践教学经验的“双师型”教师队伍。(4)混合式教学方法具有其鲜明的特点:在教学内容上,将理论教学和实践教学的内容合二为一、组成一个有机整体,有效避免二者的分离和脱节;在教学组织方式上,实现理论课与实践课在时间和空间上的结合;在师资队伍上,授课教师均是具备较高理论水平和丰富的实践教学经验的“双师型”教师;在学生层面上,大大提高了学生学习的积极性、主动性和创造性,从“高分低能”向“高分高能”转变;有利于提高学生创新意识、科学素养、实践精神和团队合作精神。3单元电路的判断运算放大器是测控电路课程中最基本、最重要的器件,可以构成放大电路、运算电路、滤波电路、比较器、信号发生器等单元电路,放大器的虚短和虚断现象的正确判断是掌握放大器工作状态的关键。因此,在教改方案中设计了“运算放大器虚短和虚断特性及线性和非线性应用实验”的混合式教学活动,教学活动安排在实验室进行,具体教学活动流程设计如下。3.1“器虚短和虚断特性”的应用实验在理论教学阶段,教师强调“运算放大器虚短和虚断特性及线性和非线性应用实验”有关基本概念和知识点、说明要完成的验证性实验内容和实践探索引导内容。3.1.1运算放大器信号特性运算放大器等效电路和传输特性:通过介绍运算放大器等效电路,让学生了解运算放大器基本工作原理,掌握运算放大器外围接口特性及使用方法。介绍如图1所示的运算放大器电压传输特性,使学生了解图1(a)所示的理想运算放大器传输特性的本质就是放大倍数为无穷大的直流放大器,而图1(b)所示的实际运算放大器传输特性反映了运算放大器放大倍数并非无穷大。(1)运算放大器主要参数:了解输入失调电压、输入偏置电流等参数基本概念、理想值、实际值范围。(2)运算放大器基本电路类型:掌握同相放大器、反相放大器、差动放大器等线性应用和比较器等非线性应用的工作原理。(3)运算放大器虚短和虚断:理想放大器一定存在虚断,放大器是否存在虚短主要取决于运算放大器负反馈的深度。3.1.2反相放大器工作原理(1)比较器电路工作原理、失调电压和失调电流测量、判断虚短和虚断现象。(2)反相放大器工作原理、失调电压和失调电流测量、判断虚短和虚断现象。(3)积分电路工作原理。3.1.3电阻对虚短现象和放大个数的影响(1)研究运算放大器存在负反馈情况下负反馈电阻对虚短现象和放大倍数的影响。(2)研究积分电路在直流输入信号和不同频率交流输入信号情况下虚短现象和电路工作原理分析。3.2理论的实践应用在实践教学阶段,在教师指导下,学生通过实验验证有关理论,并通过观察、思考、讨论等途径探索有关内容,掌握认识和解决问题的方法和步骤,得出自己的结论和解释。3.3总结、梳理、释疑教师对理论知识、实验现象和各组学生主动探索得到的结论和解释进行总结、梳理、释疑并进行讨论,实现理论和实践的统一、升华。在这一阶段,教师利用实验过程拍摄的影像资料或者电路仿真软件展示理论知识和实验现象。3.3.1理想运算放大器的传输特性(1)比较器电路工作原理:运算放大器在开路情况下为比较器电路,当同相输入端电压大于反相输入端电压时输出为正饱和电压,当同相输入端电压小于反相输入端电压时输出为负饱和电压,通过实验可以验证图1(a)所示的理想运算放大器的传输特性。(2)运算放大器开路情况下虚断、虚短:利用图2所示运算放大器仿真电路演示运算放大器开路情况下是否存在虚断、虚短现象。通过电路中的电压表和电流表可以观察到同相输入端和反相输入端电流非常小,一般可以认为存在虚断现象,但同相输入端和反相输入端的电压一般不相等,不存在虚短现象。3.3.2放大器放大倍数a负反馈情况下环路放大个数a在运算放大器存在负反馈电路分析中,一般情况下认为运算放大器既存在虚断又存在虚短,而且理想的放大器的闭环放大倍数都是在假定放大器既存在虚断又存在虚短的情况下得出的,这就要求放大器的环路放大倍数足够大,为深度负反馈状态。环路放大倍数为开环放大倍数和反馈系数的乘积,当放大器选定后,环路放大倍数由反馈系数决定。因此,在实验中利用如图3所示实验电路,测试运算放大器负反馈电阻对放大器性能的影响。当负反馈电阻较小时,放大器反馈系数比较大,处于深度负反馈,存在虚短现象,放大器放大倍数的计算比较精确;当负反馈电阻较大时,放大器反馈系数比较小,不存在深度负反馈,同相输入端电压和反相输入端电压存在误差,放大器放大倍数的计算精度下降。3.3.3电容单方向充电特性(1)直流信号的积分:运算放大器在电容负反馈情况下是否存在虚短呢?这个问题无法直接得到答案,因为与输入信号有关。先考虑图4所示的直流输入情况,左边电路输入电压为-1V的直流信号,电路输出为正饱和电压,反相输入端的电压为-1V,不存在虚短;右边电路输入电压为+1V的直流信号,电路输出为负饱和电压,反相输入端的电压为+1V,同样不存在虚短。在直流输入情况下,电容单方向充电,运算放大器很快进入饱和。(2)交流信号的积分:图5所示为积分电路输入2V交流信号的工作情况,图5(a)、图5(b)、图5(c)所示电路中输入信号分别为10Hz,100Hz,500Hz。从稳态角度考虑:当输入信号频率越小时,电容的容抗就越大,信号的放大倍数越大,输出信号大、容易饱和;从暂态过程考虑:当输入信号频率越小时,充电电流方向变化较慢,电容单方向充电时间较长,输出信号较大。由图5(a)、图5(b)、图5(c)可知,当输入信号为10Hz时,出现了正负饱和现象,而且在饱和时间段内放大器的反相输入端的电压不为零,不存在虚短现象,当输入信号为100Hz和500Hz时,放大器输出信号变小,只出现了正饱和现象,而且在饱和时间段内放大器的反相输入端的电压不为零,不存在虚短现象。只出现正饱和的原因是因为一直有一个负的输入失调电压,即反向充电电流在起作用。因此,如果想使输出的交流信号不发生饱和现象,一种方法是在输入端串联一个与输入失调电压符号相反的直流电压,但输入失调电压存在漂移,实时补偿比较困难;另一种方法是在积分电路的反馈电容上并接一个电阻,也就是构成了低通滤波器,由于电路存有直流负反馈,存在虚短现象,如图5(d)所示。4教学改革与实验混合式教学模式应用成效总结为解决测控技术与仪器专业在测控电路课程教学中理论与实践脱节的问题,实现高层次实践教学环节在培养高级应用型人才中的突出作用,在测控电路教学中开展了测控电路课程理论和实验混合式教学模式的改革。文章介绍教学改革的内容、改革特色,并且以“运算放大器虚短和虚断特性及线性和非线性应用实验”的