歐陽(yáng)建明，彭 剛，何焰蘭，羅 劍, 鄭浩斌

(國(guó)防科技大學(xué) 文理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

示波器是一種用途廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，能夠直觀地顯示被測(cè)電壓信號(hào)的波形，記錄、存儲(chǔ)、處理待研究變化過程的波形參量[1]. 示波器使用實(shí)驗(yàn)是目前很多理工類普通高等學(xué)校的必修公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]. 在傳統(tǒng)線下教學(xué)實(shí)踐中，由于示波器原理較為復(fù)雜，學(xué)生在有限的實(shí)體實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)難以掌握示波器的原理和使用. 隨著信息化教育技術(shù)的發(fā)展，以MOOC和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為代表的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)和手段能拓展學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間，為實(shí)體實(shí)驗(yàn)提供有力的補(bǔ)充.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中將源于企業(yè)管理的“精益思想”[3]對(duì)教學(xué)品質(zhì)進(jìn)行控制. “精益思想”的核心是消除生產(chǎn)過程中的一切浪費(fèi)，通過對(duì)生產(chǎn)過程中每一環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)檢測(cè)與管控、及時(shí)反饋與改進(jìn)，達(dá)到降低成本、提高質(zhì)量、無浪費(fèi)和零庫(kù)存，確保企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì)，在教育領(lǐng)域中也有著巨大的啟發(fā)和借鑒意義. 在教學(xué)過程中利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、課堂研討等形式設(shè)置質(zhì)量控制節(jié)點(diǎn)，控制整體教學(xué)質(zhì)量.

由于課時(shí)等因素的限制，國(guó)防科技大學(xué)“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程中涉及到示波器的使用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有 “示波器的使用”和“聲速的測(cè)定”，2個(gè)實(shí)驗(yàn)的定位不同，前者主要學(xué)習(xí)示波器的原理和示波器的基本使用，后者則需要利用示波器實(shí)現(xiàn)空氣中聲速的測(cè)量. 2個(gè)實(shí)驗(yàn)分工不同，通過前者的學(xué)習(xí)，掌握示波器的使用，在此基礎(chǔ)上結(jié)合換能器聲能-電能-聲能的轉(zhuǎn)換，要求學(xué)生采用不同的方法測(cè)量聲速. 2個(gè)實(shí)驗(yàn)均開設(shè)有MOOC和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在線下實(shí)驗(yàn)中一次完成，共計(jì)6學(xué)時(shí)(不包括線上課時(shí)). 從2018年開始國(guó)防科技大學(xué)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開展了線上線下混合式教學(xué)與研討式教學(xué)實(shí)踐，并以“精益思想”進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量控制.

1 結(jié)合MOOC與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展線上教學(xué)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以分為預(yù)習(xí)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié). 預(yù)習(xí)是做好實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ). 由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器及場(chǎng)地的限制，學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)通常難以接觸到實(shí)體實(shí)驗(yàn)，而缺乏接觸儀器的預(yù)習(xí)會(huì)使得預(yù)習(xí)效果大打折扣. 在實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，線上學(xué)習(xí)資源是很好的預(yù)習(xí)平臺(tái). 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，是實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充. 2015年國(guó)防科技大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程與科大奧銳公司合作， 建設(shè)了國(guó)家級(jí)數(shù)理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，中心的核心任務(wù)之一是為物理實(shí)驗(yàn)課程提供線上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)條件. MOOC自登陸中國(guó)后得到了迅猛的發(fā)展，目前在各平臺(tái)上線課程超過1萬門. 目前MOOC主要是理論課程，實(shí)驗(yàn)課程還比較少，2015年開始國(guó)防科技大學(xué)以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等為主要實(shí)驗(yàn)支撐，建設(shè)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC[4]，2017年在“愛課程”平臺(tái)上線，并在2018年獲得國(guó)家級(jí)精品在線開放課程認(rèn)定. 這些優(yōu)秀的線上資源(圖1)可為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供良好的線上學(xué)習(xí)條件，學(xué)生先進(jìn)行MOOC學(xué)習(xí)，了解示波器的基本原理后，登陸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)，進(jìn)一步了解示波器的使用，為實(shí)體實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ). 學(xué)生在預(yù)習(xí)完成后需要在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)原理和儀器基本操作，測(cè)試合格后學(xué)生方可進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié). 這是教學(xué)質(zhì)量控制的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，指導(dǎo)教師可通過后臺(tái)數(shù)據(jù)掌握學(xué)生預(yù)習(xí)過程中的難點(diǎn)問題.

(a)

(b)圖1 線上教學(xué)資源圖

2 以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試反饋為依據(jù)，線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)突出重點(diǎn)

雖然經(jīng)過MOOC學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)，但是學(xué)生對(duì)于一些涉及實(shí)驗(yàn)原理和儀器操作的關(guān)鍵問題的掌握可能還不夠全面. 教師可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后臺(tái)得到學(xué)生預(yù)習(xí)測(cè)試中的難點(diǎn)問題(圖2)，在實(shí)驗(yàn)講授環(huán)節(jié)重點(diǎn)突出講解.

在示波器的使用實(shí)驗(yàn)中的主要問題包括：

1)模擬示波器的掃描原理

波形顯示原理是實(shí)驗(yàn)的核心原理之一. 電子槍出射的電子通過電偏轉(zhuǎn)打在不同的位置，從而顯示波形. 通過分析電子在極板電場(chǎng)作用下以及作用后的運(yùn)動(dòng)過程，可以得到電子最終在屏幕上的偏轉(zhuǎn)距離為

其中：Ud為偏轉(zhuǎn)極板電壓，l為極板長(zhǎng)度，U2為加速電壓，d為極板間距，L為極板與屏幕的距離. 偏轉(zhuǎn)距離與偏轉(zhuǎn)極板所加電壓成正比. 如果在豎直偏轉(zhuǎn)極板上加需要觀測(cè)的電壓，在水平偏轉(zhuǎn)極板上加鋸齒波電壓，由于鋸齒波電壓在1個(gè)周期內(nèi)電壓與時(shí)間成線性正比例關(guān)系，因此可以把水平方向變成時(shí)間軸，實(shí)現(xiàn)示波器的水平掃描.

2)模擬示波器的同步觸發(fā)原理

如果鋸齒波電壓周期是豎直方向正弦波周期的整數(shù)倍，即可以在屏幕上呈現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波形. 但鋸齒波由示波器內(nèi)部產(chǎn)生，而待測(cè)電壓是外加的，難以做到2個(gè)電壓周期為嚴(yán)格整數(shù)倍關(guān)系，因此需要進(jìn)行觸發(fā)，設(shè)置觸發(fā)電平. 當(dāng)信號(hào)達(dá)到觸發(fā)電平，鋸齒波發(fā)生器強(qiáng)制觸發(fā)，產(chǎn)生1個(gè)周期的鋸齒波，水平方向掃描1次，呈現(xiàn)1個(gè)鋸齒波周期的波形. 然后鋸齒波發(fā)生器等待信號(hào)再次達(dá)到觸發(fā)電平，再次掃描，從而實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā).

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋

3 學(xué)生自主探索儀器，針對(duì)共性問題進(jìn)行討論

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，因此對(duì)于示波器各按鍵功能和操作教師不需要過多講解，由學(xué)生結(jié)合MOOC、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、儀器說明書等進(jìn)行自由探索. 探索的目標(biāo)是要在示波器上呈現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波形. 自主探索后針對(duì)學(xué)生遇到的共性問題進(jìn)行討論，增加學(xué)生對(duì)儀器及操作的理解.

示波器使用中遇到的共性問題主要包括：

1)由于沒有信號(hào)輸入、示波器接地或者垂直偏轉(zhuǎn)因子過大等，使得屏幕上沒有波形，只有1條直線；

2)由于觸發(fā)電平設(shè)置不合適，波形不穩(wěn)定；

3)由于觸發(fā)源設(shè)置不合適，波形水平移動(dòng).

實(shí)驗(yàn)共性問題的討論以學(xué)生為主，遇到問題的學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)身說法，由其他學(xué)生進(jìn)行解答，指導(dǎo)教師進(jìn)行引導(dǎo). 通過這些共性問題的討論引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，提高全體學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理及儀器使用的掌握能力. 這是教學(xué)質(zhì)量控制的第2個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過研討解決儀器操作中的共性問題.

4 開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力

示波器的使用實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生了解示波器的基本原理，學(xué)習(xí)和掌握示波器的基本操作. 在此基礎(chǔ)上學(xué)生通過示波器使用實(shí)例，提高對(duì)示波器使用的掌握程度，這是聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的主要目的. 由于已經(jīng)有了示波器的使用基礎(chǔ)，聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)可以作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一般可分為2個(gè)環(huán)節(jié)：1)教師提出命題與要求；2)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主完成實(shí)驗(yàn). 學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)涉及實(shí)驗(yàn)方法的選擇、實(shí)驗(yàn)方案的制定、測(cè)量?jī)x器的選擇、測(cè)量的開展、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析. 由于采用線上線下混合式教學(xué)，通過MOOC介紹壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)、換能器電能與聲能和聲能與電能的轉(zhuǎn)換原理以及換能器的諧振頻率的概念與實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也可以隨時(shí)進(jìn)行線上學(xué)習(xí). 本實(shí)驗(yàn)提出要求：采用2種以上的方法測(cè)量聲速，并且要求利用逐差法處理數(shù)據(jù).

在聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，按照實(shí)驗(yàn)原理的不同可以采取不同的實(shí)驗(yàn)方法，不同的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)示波器的功能要求與操作也不同，如共振法要求學(xué)生能穩(wěn)定地顯示單通道信號(hào)；相位比較法要求學(xué)生使用示波器的雙蹤功能同時(shí)顯示并比較2個(gè)通道的信號(hào)；李薩如圖法要求學(xué)生使用示波器的X-Y功能. 通過聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)一步熟悉示波器使用，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力.

5 開展課堂研討，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的深入思考

研討式教學(xué)通過自主學(xué)習(xí)，學(xué)生之間進(jìn)行討論，從討論中獲得新知，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的深入思考. 在線下教學(xué)實(shí)踐中，在學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)前安排課堂研討題，這些研討題包括與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相關(guān)的題目、與實(shí)驗(yàn)原理和儀器操作相關(guān)的題目以及與實(shí)驗(yàn)拓展相關(guān)的題目等.

在示波器的使用實(shí)驗(yàn)中的研討題為：

1)觸發(fā)區(qū)各按鍵旋鈕有什么作用？

2)為什么實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的李薩如圖形會(huì)不斷旋轉(zhuǎn)？如何才能使李薩如圖形靜止？

3)哪些儀器原理與示波器類似？

聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的研討題為：

1)接收器接收到的實(shí)際為“駐波+行波”而非完全的行波或駐波，對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？

2)滿足駐波條件時(shí)接收器位于波節(jié)處，為什么信號(hào)幅度最大？

3)還可以用什么方法測(cè)量聲速？

4)如何利用聲速測(cè)量來測(cè)定未知鹽水濃度？

學(xué)生帶著這些問題開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后開展課堂研討，研討采取師生互動(dòng)、學(xué)生小組討論等形式，以學(xué)生為研討主體，教師加以引導(dǎo). 這是教學(xué)質(zhì)量控制的第3個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過研討加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握和理解.

6 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用拓展，提高基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軍味和品味

大部分的軍事技術(shù)和一些最新科技都與基本物理原理密切相關(guān)，教學(xué)內(nèi)容中充分發(fā)掘基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與軍事技術(shù)及最新科技的聯(lián)系，啟發(fā)學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步思考. 示波器的使用實(shí)驗(yàn)可以拓展到網(wǎng)靶法測(cè)量電磁炮炮口初速，聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)可以拓展到聲吶的原理與聲速測(cè)量對(duì)于海軍作戰(zhàn)的作用等(圖3). 在線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)還可以以這些軍事應(yīng)用以及最新科技為引，在完成實(shí)驗(yàn)和研討后對(duì)這些拓展內(nèi)容進(jìn)行解答，前后呼應(yīng)，引發(fā)學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更深層次的思考，提升課程的品味和軍味.

(a)網(wǎng)靶法測(cè)量電磁炮彈初速

(b)聲波原理及聲速測(cè)量的應(yīng)用圖3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用拓展

7 結(jié)束語(yǔ)

示波器使用教學(xué)中采取線上線下混合式教學(xué)，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)時(shí)間和空間的限制，學(xué)生隨時(shí)隨地都可以通過MOOC和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí). 線下教學(xué)過程中采取教學(xué)與研討相結(jié)合，提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的理解，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器與操作，拓展學(xué)生的視野，最終提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力. 以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)組合授課與實(shí)驗(yàn)，通過基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)掌握物理實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和基本儀器的操作，通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提高綜合實(shí)踐能力. 針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果反饋不足問題，以“精益思想”為指導(dǎo)，在教學(xué)過程中設(shè)置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制，提高整體教學(xué)質(zhì)量. 在教學(xué)內(nèi)容的安排上，充分發(fā)掘基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)與軍事技術(shù)或最新科技的聯(lián)系，提高課程的軍味和品味.