前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的大學物理實驗示波器教學新思路，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：“新工科”建設對大學物理實驗教學提出了新的要求。示波器是觀察和分析波形的重要工具，也是工科各專業常用的儀器。針對大學物理實驗中示波器教學內容及思路與科技發展現狀不相適應的問題，提出了新的教學思路。新思路按“明確目的、掌握用法、知識延伸”三個步驟逐次遞進，圍繞“波形觀察”這一主題，結合學生的日常生活經驗，讓學生切實掌握示波器的基本用法，更好地服務于“新工科”背景下的人才培養。
關鍵詞：大學物理實驗;示波器;實驗教學;新工科
“新工科”建設是當前我國高等工程教育的一項重大行動，推動著各高校的工科專業展開新一輪深刻變革[1,2]。在這一大背景下，工科專業的大學物理教學（包括理論和實驗教學）扮演著不可或缺的重要角色，新工科的建設也對工科大學物理教學提出了新的更高要求[3]。示波器作為觀察研究客觀世界的重要手段，無論在物理類專業或是眾多工科專業中都占據著一席之地。熟練掌握示波器的操作和運用，是新時代工科人才所必需的基本技能之一。因此，對示波器教學的改革，是新工科建設熱潮及與之相適應的大學物理教學改革中不可或缺的具體一環[4]。本文針對新工科背景下傳統示波器教學內容及理念所遇到的問題和挑戰進行了反思，并提出了工科大學物理實驗教學中講授示波器相關內容的新思路，旨在使其能適應時展，更好地服務于新工科人才培養。
一、當前教學中存在的問題
示波器從結構原理上可分為兩大類，一是基于陰極射線管（CRT）和模擬信號調理電路的模擬示波器，二是基于模數轉換（ADC）和數字信號處理技術的數字存儲示波器（簡稱數字示波器或DSO）。模擬示波器發展歷史悠久，傳統的示波器教學都以模擬示波器為講解對象，首先從CRT的顯示原理（包括偏轉電場等概念）入手，接著介紹利用鋸齒波實現電子束的水平掃描，再介紹各種具體的功能及操作（如輸入通道切換、輸入耦合方式、水平與垂直偏轉因數、觸發方式、掃描方式等）[5,6]。此種教學思路及方法沿用多年，但在新時代背景下存在一些不可忽視的問題：其一，數字示波器相對于模擬示波器具有不可比擬的優勢，例如波形可存儲、回放，適合于觀察單次、偶發或極低重復頻率波形，能進行實時定量測量等[7,8]。因此，前者取代后者已是不可逆轉的潮流[9]，尤其工科專業的學生在后續的科研、生產中接觸到的更多是數字示波器。然而一些高校在物理實驗教學中，由于原有模擬示波器尚在使用或是大綱、講義未及更新等種種主客觀原因，仍在講授傳統的模擬示波器內容[5]，這與科技和生產力的發展現狀不相適應。尤其在不少工科專業自身開設的實驗課中早已普遍用上了數字示波器乃至虛擬示波器[9-11]，如果大學物理實驗教學不能很好考慮如何與之對接，難免造成（或是加?。┪锢砘A實驗教學與專業實驗教學格格不入的局面。其二，單從物理教學的角度看，以CRT原理為出發點的講授方式似乎更能為學生揭示物理內涵。然而對于知識儲備尚不充分的學生而言，這樣的切入點往往顯得過于高深而阻礙了學生入門。尤其對于強調學以致用的工科專業，其大學物理課程無論是理論學時還是實驗學時都已捉襟見肘，而要在本就安排緊張的實驗課中把內容拔高到物理內涵、理論分析，更是勉為其難之事。由此帶來的結果自然是物理內涵和原理被“架空”，只能顧及基本操作的講解，甚至退化到“讀說明書”式的介紹，無異于進一步退兩步。其三，教學改革落入誤區，在學時緊張、基本原理和操作未能講清講透的情況下，貿然采用“嘗試教學法”“探索式學習”等方式，讓一知半解的學生“看現象調旋鈕”，捕捉波形基本靠運氣，如此倉促上陣當然談不上熟練掌握使用方法。考慮到以上種種問題，同時面對新工科建設的時代背景和機遇，有必要對大學物理實驗中示波器的教學思路和方法作一番全新的梳理。
二、創新和改進思路
面向工科專業講授示波器時，一定要突出其“工具”屬性，并以此作為出發點和立足點，所有教學內容和思路都應緊緊圍繞“觀察波形”這一根本目的和核心功能進行展開。首先，針對“觀察波形”這一目標，需要明確“波形”的定義，才能真正做到有的放矢。什么是波形？反映某種物理量（例如電壓或電流）隨時間（或者其他自變量）而變化的圖形，即為波形。簡言之，波形無非是一類具有特定物理內涵的圖形，而示波器就是獲取和分析這種圖形的有力工具[11,12]。講清這一概念，能讓學生意識到“波形”以及捕捉、觀察波形的過程絕非高深莫測，打消初入門的惶惑，樹立起通過認識世界而改造世界的正確觀念和信心。同時，這樣的引入也牢牢抓住了模擬示波器與數字示波器的共同本質[4]。接下來便是結合“觀察波形”的過程，逐步講解示波器的各項基本操作。傳統教學設計往往只針對實驗室中現有的示波器型號介紹其面板上各旋鈕、按鈕和開關，造成事實上的“型號依賴”，學生即使當時學會了一些操作，日后接觸到不同型號乃至不同類型的示波器時仍難免手足無措。如上文所述，波形是一種圖形，而示波器的一切操作無非是對這一圖形進行各種調整、以便更好地顯示和觀察。實際上，由于智能手機、平板電腦等數碼產品的大規模普及，學生對于拍攝照片、查看照片以及對照片進行簡單的后期處理等已經具備較多的感性認識和生活經驗，只需稍加引導便可將其“移植”到示波器的認識和操作上來。例如：（1）查看照片時，照片過小或過大，導致看不清或看不全，怎么辦？解決辦法自然是對其進行縮放操作。而在用示波器觀察波形時，調節水平/垂直偏轉因數（靈敏度）的實際效果就是對波形進行水平/垂直方向的縮放，其目的是使欲觀察的波形恰好充滿屏幕，只不過這種縮放通常是分檔調節而非無級調節。（2）查看照片時，照片位置沒有對正屏幕中心，怎么辦？在電腦上可以鼠標拖動或使用滾動條來移動圖片。而對于示波器，則通常設置了專門的水平/垂直位置調節旋鈕，可將波形移至屏幕中心或其他想要的位置。（3）拍攝照片時需要按動“快門”，使用手機拍照同樣有虛擬的“快門”按鈕。對于數字示波器，單次觸發功能就相當于“快門”，用于捕捉單次出現的波形。而連續觸發則相當于拍攝視頻，通過持續不斷地獲取和顯示波形，展示其連續的變化。但當波形重復頻率甚低時，無法形成連續的視覺效果，此時“觸發”變為“掃描”，如同查看幻燈片時翻頁一樣。其他一些功能，如輝度（亮度）調節和波形的存儲/讀取，完全類似于手機或電腦上的常規操作，學生幾乎無需講解即能掌握。而輸入通道的選擇或切換，也可類比于手機前后攝像頭的轉換。經過以上幾步簡單介紹，便可讓學生了解到示波器的操作“有規可循”，并且能較好地抓住示波器的共性特點；在接觸不同型號示波器時，不會因其具體設計上的細微差別而感到無從下手。以上兩個環節即“明確目的”和“掌握用法”之后，已經實現了讓學生掌握示波器基本用法的目標。此時倘若學生尚有余力，便可對示波器的原理作適當展開和延申，做到知其然更知其所以然。但需要注意的是，無論模擬示波器或是數字示波器，其原理方面的相關知識都更應當、也更適合放在其他專門課程中介紹。對于模擬示波器，示波管的原理通常在大學物理的電磁場部分有所涉及，而模擬信號調理電路則屬于“模擬電子技術”以及“信號與系統分析”等課程的內容；對于數字示波器，其采用的模數轉換和數字信號處理等核心技術更是有相應的專業課加以詳述。因此，在示波器的實驗教學中，對其原理的延伸性介紹一定要適度，要善于“埋伏筆”或是“穿針引線”，主動與其他課程中的相關內容相聯系、相呼應，而不是越俎代庖、喧賓奪主，結果反而擠占了自身的寶貴學時，影響了核心知識的傳授和關鍵技能的培養。圖1總結了以上改進思路及其與傳統教學設計的對比。
三、結語
本文結合“新工科”背景下工科專業人才培養的實際情況以及大學物理實驗中示波器教學存在的若干問題，提出了為工科專業學生講解示波器相關內容的新思路。“新工科”背景下的人才培養，需要“STEM”（即科學、技術、工程和數學）四環緊扣，而大學物理及其實驗教學在其中起著至關重要的橋梁和骨干作用，不僅要主動作為，更要善于作為[3]。具體到示波器教學中，就需要大學物理教師不拘泥于實驗室現有器材、不局限于物理學科和物理課程的窠臼，主動“跨界”提升自身的跨課程、跨學科視野及知識儲備，積極與相關專業課程尋求聯系和對接，乃至無縫連接和融入到新工科人才培養體系中去，才能打開新的教學思路，更好地服務于新時代復合型人才的培養。
作者:唐妍梅 李翔 單位:廣西師范大學 桂林電子科技大學
