基于独立自主、流程优化、故障诊断的实验方法研究

尹光明， 张 莹

(东北大学 信息科学与工程学院，沈阳 110004)

0 引 言

实践教学是人才教育的重要环节，与理论教学形成相互支撑的统一整体，是实践理论、验证理论和发展理论的关键。实践教学对培养学生科学实验能力，工程实践能力，掌握高新技术能力，科技创新能力具有关键作用[1-4]。只有脚踏实地，扎实推进实践教学改革，才能有效解决阻碍实践教学发展的诸多问题，稳步提高实践教学质量。

然而,实验教学中仅少部分同学能够独立完成实验，大部分同学跟着做、抄着做，还有少部分同学基本不会做。实验报告类同性大,实验成绩缺乏公平，实验数据造假等问题普遍存在。这些问题的根本原因就在于学生没有独立自主完成实验内容，严重影响了实验教学质量。而这些问题长期未能得到很好的解决，是因为对独立自主缺乏本质性的了解，仅仅认为是学生的独立性不高，自觉性不高。其实不然，更大的原因在于实验教师缺乏有效的实验方法去疏导、引导学生掌握正确的实验技能，独立完成实验。经过长时间艰苦的摸索，发现独立自主(Independence)与流程优化(Process optimization)、故障诊断(Fault diagnosis)具有紧密的内在联系，并据此提出了IPF实验方法。经教学验证，该方法有效地解决了上述诸多问题，基本改变了实验教学的面貌。

1 独立自主是实验教学的核心

1.1 要求独立自主完成实验，学生才能重视实验课程

长期以来，相对于理论教学，学生轻视实验教学是不争的事实。究其原因是因为实验课程比较容易“蒙混”过关。实验教学大体可分为预习，实验室做实验，整理实验报告这3个过程。

预习，到现在还没有好的方法去检验学生的预习情况。学生写了预习报告就算是预习了吗？显然不一定。预习报告可以抄写。上课提问预习情况倒是好方法，但是时间有限，总共能提问几个同学？而且一个实验内容能有多少个不同的问题提问学生？上课前网络答题预习内容，就能保证学生不作弊？有的学生甚至找优秀同学替自己答题。

实验室做实验，学生是可以互相讨论，研讨的。实验过程中互相切磋，研究实验难点是值得提倡的事情。但问题是有多少学生独立思考，冥思苦想而解决不出来的时候与同学探讨呢？经过长时间的跟踪研究发现，有不少同学具有投机心理，即投入最少的成本获得最大的利益。稍有不懂的地方，不假思索直接求救于同学。因此，实验过程中人声鼎沸，学生窜来窜去的现象并不少见。表面上的研讨，其实是作假的温床。有的学生大可不急，迟早会有优秀的学生率先做出实验结果，到时照抄着做就可以了。这样怎能培养学生的工程实践能力？

实验报告，已经是公认的“鸡肋”了。一个班的实验报告基本上是五六个版本，很难见到每个学生个性化的分析和结果。实验室做实验的时候，实验数据就是五六个版本，实验报告自然而然也就是了。其背后的含义不言而喻。实验报告是实验数据的整理和分析过程，是培养学生分析数据，验证理论，撰写科技论文能力的重要途径，如果学生得不到严格撰写实验报告的训练，甚至造假实验数据，其后果不堪设想。现今国内学术界造假成风，是否与基础训练缺乏有关？

解决上述问题的核心就是严格要求学生独立完成实验内容，禁止学生走动和探讨问题。因为只能靠自己，学生不做充分的预习是做不出实验结果的，自然就没有了检不检查预习的问题；因为独立完成实验，实验数据也是互相独立的，撰写实验报告也是相对独立的。随之，学生不得不重视实验教学，不投入精力去做实验，实验成绩是不好拿到手的。

1.2 独立自主做实验，才能准确评估学生实验能力

如果实验不是独立完成的，是很难科学评估学生的实验能力。预习很难分出层次，实验过程互相讨论、互相传抄，实验报告类同性大，怎能评出公平的分值呢？而失去了公平的教学，能引起学生的重视，引起学生的兴趣吗？对此学生也有很大的意见。因为优秀的学生得不到好的实验分值，而作弊的学生却游刃有余。

实验课上要求学生独立自主完成实验，指导教师在实验过程和结果验收中可以考察每个学生对实验原理的掌握程度、基础理论的清晰程度、实验操作的规范程度、故障问题的解决能力、实验结果的准确程度，科学公平地评价学生的实验能力。独立得出原始实验数据，杜绝了实验报告造假的可能性。

1.3 实验设备要符合独立自主做实验的要求

科学、规范的实验教学离不开高质量的实验教学设备[5-7]。作为优质的教学资源，性能优异的实验设备在科学实验、培养学生创新精神、提高工程实践能力方面起到举足轻重的作用[8-12]。

独立自主做实验对实验设备提出了很高的要求。学生独立做实验必然会有一个摸索，犯错，纠正，再犯错，再纠正这样一个过程。这是求知中的必然过程。实验设备要支撑这样的过程，并且要保证学生的人身安全和数据的精度。

电子实验室原有的实验设备并不能满足独立自主做实验的要求。2010年起，经过3年多的研发，制备了70台综合电子实验箱。经过几年运行，验证了设备的适用性能,因此再增加了70台，有力地保证了独立自主实验教学的开展。并根据这一过程的提炼，指出了高校购置实验设备应遵守的原则即安全性、精确性、可靠性、可扩展性[13]。

2 流程优化是实验教学的必要途径

独立自主做实验，仅要求学生独立完成实验内容，是得不到很好的效果的。其中重要的一个原因是实验流程优化不够充分，学生难以用现有的资料独立完成实验内容。

现有的实验指导书都以内容为主线分块编写的，即实验目的、实验设备、实验内容、实验原理、实验步骤、实验报告要求、预习要求为内容编写。这样写有助于学生理解实验内容，但实际实验过程是一步一步按流程完成的，是要把实验内容按流程分散开来的。根据现有的实验资料，学生应具有很好的自学能力和综合分析能力才能独立完成实验内容。原先一个班级只有少部分学生能够独立完成实验内容，也证实了这一推断。因此，指导教师应该把实验流程优化以后形成文件，提供给学生。

流程优化应该把整个实验过程分成若干步骤，每个步骤应包含该步骤应完成的实验内容，实验设备及操作方法，应注意的事项，实验结果的合理分析，学生经常碰到的故障问题及解决方法等内容。指导教师要根据常年累月积累的大数据，不断优化实验流程并形成文件。流程文件要达到大部分学生根据这一文件基本上都能完成实验内容的标准。但也要注意不能把实验所有的细节、难点提供给学生，这样不利于培养学生独立思考，分析问题，解决问题的能力。流程优化文件将会体现指导教师的业务能力。

流程优化文件有利于实验技术的传承。实验教师的素质决定了实验教学的质量，进而决定了所培养人才的质量。实验教学不同于理论教学，有其独特的一面。实验教学中不但包含大量的理论知识，还包含指导教师常年累月积累的经验知识。这些经验是实验教学宝贵的技术财富。因为指导教师转岗，退休，他们所具有的丰富的经验知识无形中流失，继任的指导教师又得从零开始积累经验。而这种经验很难在短时间内获得。根据以往的经验，没有5年以上的实验教学经历，难说有什么经验知识。如果把优秀实验教师丰富的经验知识写入到流程优化文件，对实验技术的传承有不可估量的积极作用。

3 故障诊断是实验教学必要的方法

学生不能独立完成实验，另一重要的原因是学生故障诊断能力薄弱。作为初学者，学生在实验过程中会碰到千奇百怪的故障问题，简单的故障问题或许能解决，但故障稍一复杂就无所适从，毫无办法。这不能归咎于学生。这种现象关系到实验教学中长期忽略的一个问题——故障诊断能力的培养问题。理论教学中不会涉及到故障诊断方面的知识，唯有实验指导教师在长期的实验教学中积累经验，提炼成知识体系传授给学生，才是唯一的出路。

故障诊断需要学生精通实验原理。精通实验原理才能从纷乱的实验现象中找到大概的解决问题的方向，不然都不知从哪里着手。熟悉实验设备操作，才能避免低级的操作失误。但这些远远不够，还需要很多课本以外的扩展知识。举一例子，数电实验中经常会碰到竞争冒险的问题，在教材中这一内容一笔带过，并且没有提出很好的解决方法。学生在实验中碰到此类问题，连最优秀的同学都毫无头绪，一筹莫展。指导教师应该把此类问题作为课题去研究，并把研究成果写进流程优化文件，供学生学习、参考。涉及到模拟电子的故障诊断，比数字电子复杂得多。复杂模拟系统的故障诊断方法是世界性的难题[14-16]，说明实验教学中的故障诊断方法需要实验指导教师投入精力去研究，探索。

4 IPF实验方法在电子实验教学中的实践

IPF实验方法在我校国家电工电子教学示范中心的电子实验教学中得到了成功应用。

首先指导教师根据长期的实验教学中积累的大数据，编写了流程优化文件。该文件根据实验流程的每一步骤包含了实验内容、实验设备操作方法、电子器件的技术指标，数据的精度要求，易出现的故障问题及解决方案等内容。该文件要根据每一课堂出现的问题，指导教师不断加以优化。学生在课堂上根据流程文件独立完成实验内容。

实验课堂上严格禁止学生走动，禁止讨论问题，有问题可以跟指导教师直接交流。指导教师根据学生的问题可以判断该学生预习没有、对实验原理掌握没有、基本操作熟悉没有、流程文件仔细阅读理解没有。并且把这些反应到实验成绩上。完成实验的学生经验收合格，应安静离开实验室，禁止指导其他同学做实验。实验课堂成绩主要评估规定时间里完成实验的质量，即实验操作科学规范、实验数据完整准确。实验验收每个同学给一次机会，如果验收时实验有误，该生不但要修改，而且要排到最后检查，并且反映到实验成绩上。这一举措意义在于避免学生粗心大意，培养严谨认真、求真务实的科学实验的精神。学生重复犯错、重复检查，将会大大增加指导教师的工作量。

刚开始，学生极不适应。实验想“蒙混”过关的同学原形毕现。第1节课每个班大概有10名左右的同学在规定时间里完成实验内容，实验课不得不延长0.5 h。指导教师进行了详尽的解释，并指导学生如何适应这种新的实验方法。第2节课大概有1/2的同学符合要求，但到了第3节课以后基本上有2/3以上的同学能够独立完成实验。没有完成实验的同学也要区别对待，有的同学实验原理清楚、操作规范，但遇到了学生难以解决的疑难问题；而有的同学则一窍不通。

实践表明，用IPF实验方法指导学生做实验，学生完全能够有能力独立自主完成实验。实验教学质量得到了质的改善，并取得了3方共赢的效果。学生重视起实验教学了，自主学习能力明显提高，而且得到了公平合理、科学规范的实验成绩；流程文件包含了大量有效的实验方法，实验教师减少了大量的低层次、多重复的工作内容，而专注于疑点、难点问题的解决；学校未投入多少经费的条件下，教学质量得到质的飞跃。

5 结 语

科学的发展依赖于独立思考。学生不能独立自主完成实验，一切实验教学改革将显得苍白。IPF实验方法有效地解决了这一难题。经验证，该方法具有良好的可操作性，并在电子实验教学中得到了成功实践。IPF实验方法具有在其他实验教学中推广的价值。