摘要：“新工科”建设对大学物理实验教学提出了新的要求。示波器是观察和分析波形的重要工具，也是工科各专业常用的仪器。针对大学物理实验中示波器教学内容及思路与科技发展现状不相适应的问题，提出了新的教学思路。新思路按“明确目的、掌握用法、知识延伸”三个步骤逐次递进，围绕“波形观察”这一主题，结合学生的日常生活经验，让学生切实掌握示波器的基本用法，更好地服务于“新工科”背景下的人才培养。
关键词：大学物理实验;示波器;实验教学;新工科
“新工科”建设是当前我国高等工程教育的一项重大行动，推动着各高校的工科专业展开新一轮深刻变革[1,2]。在这一大背景下，工科专业的大学物理教学（包括理论和实验教学）扮演着不可或缺的重要角色，新工科的建设也对工科大学物理教学提出了新的更高要求[3]。示波器作为观察研究客观世界的重要手段，无论在物理类专业或是众多工科专业中都占据着一席之地。熟练掌握示波器的操作和运用，是新时代工科人才所必需的基本技能之一。因此，对示波器教学的改革，是新工科建设热潮及与之相适应的大学物理教学改革中不可或缺的具体一环[4]。本文针对新工科背景下传统示波器教学内容及理念所遇到的问题和挑战进行了反思，并提出了工科大学物理实验教学中讲授示波器相关内容的新思路，旨在使其能适应时展，更好地服务于新工科人才培养。
一、当前教学中存在的问题
示波器从结构原理上可分为两大类，一是基于阴极射线管（CRT）和模拟信号调理电路的模拟示波器，二是基于模数转换（ADC）和数字信号处理技术的数字存储示波器（简称数字示波器或DSO）。模拟示波器发展历史悠久，传统的示波器教学都以模拟示波器为讲解对象，首先从CRT的显示原理（包括偏转电场等概念）入手，接着介绍利用锯齿波实现电子束的水平扫描，再介绍各种具体的功能及操作（如输入通道切换、输入耦合方式、水平与垂直偏转因数、触发方式、扫描方式等）[5,6]。此种教学思路及方法沿用多年，但在新时代背景下存在一些不可忽视的问题：其一，数字示波器相对于模拟示波器具有不可比拟的优势，例如波形可存储、回放，适合于观察单次、偶发或极低重复频率波形，能进行实时定量测量等[7,8]。因此，前者取代后者已是不可逆转的潮流[9]，尤其工科专业的学生在后续的科研、生产中接触到的更多是数字示波器。然而一些高校在物理实验教学中，由于原有模拟示波器尚在使用或是大纲、讲义未及更新等种种主客观原因，仍在讲授传统的模拟示波器内容[5]，这与科技和生产力的发展现状不相适应。尤其在不少工科专业自身开设的实验课中早已普遍用上了数字示波器乃至虚拟示波器[9-11]，如果大学物理实验教学不能很好考虑如何与之对接，难免造成（或是加剧）物理基础实验教学与专业实验教学格格不入的局面。其二，单从物理教学的角度看，以CRT原理为出发点的讲授方式似乎更能为学生揭示物理内涵。然而对于知识储备尚不充分的学生而言，这样的切入点往往显得过于高深而阻碍了学生入门。尤其对于强调学以致用的工科专业，其大学物理课程无论是理论学时还是实验学时都已捉襟见肘，而要在本就安排紧张的实验课中把内容拔高到物理内涵、理论分析，更是勉为其难之事。由此带来的结果自然是物理内涵和原理被“架空”，只能顾及基本操作的讲解，甚至退化到“读说明书”式的介绍，无异于进一步退两步。其三，教学改革落入误区，在学时紧张、基本原理和操作未能讲清讲透的情况下，贸然采用“尝试教学法”“探索式学习”等方式，让一知半解的学生“看现象调旋钮”，捕捉波形基本靠运气，如此仓促上阵当然谈不上熟练掌握使用方法。考虑到以上种种问题，同时面对新工科建设的时代背景和机遇，有必要对大学物理实验中示波器的教学思路和方法作一番全新的梳理。
二、创新和改进思路
面向工科专业讲授示波器时，一定要突出其“工具”属性，并以此作为出发点和立足点，所有教学内容和思路都应紧紧围绕“观察波形”这一根本目的和核心功能进行展开。首先，针对“观察波形”这一目标，需要明确“波形”的定义，才能真正做到有的放矢。什么是波形？反映某种物理量（例如电压或电流）随时间（或者其他自变量）而变化的图形，即为波形。简言之，波形无非是一类具有特定物理内涵的图形，而示波器就是获取和分析这种图形的有力工具[11,12]。讲清这一概念，能让学生意识到“波形”以及捕捉、观察波形的过程绝非高深莫测，打消初入门的惶惑，树立起通过认识世界而改造世界的正确观念和信心。同时，这样的引入也牢牢抓住了模拟示波器与数字示波器的共同本质[4]。接下来便是结合“观察波形”的过程，逐步讲解示波器的各项基本操作。传统教学设计往往只针对实验室中现有的示波器型号介绍其面板上各旋钮、按钮和开关，造成事实上的“型号依赖”，学生即使当时学会了一些操作，日后接触到不同型号乃至不同类型的示波器时仍难免手足无措。如上文所述，波形是一种图形，而示波器的一切操作无非是对这一图形进行各种调整、以便更好地显示和观察。实际上，由于智能手机、平板电脑等数码产品的大规模普及，学生对于拍摄照片、查看照片以及对照片进行简单的后期处理等已经具备较多的感性认识和生活经验，只需稍加引导便可将其“移植”到示波器的认识和操作上来。例如：（1）查看照片时，照片过小或过大，导致看不清或看不全，怎么办？解决办法自然是对其进行缩放操作。而在用示波器观察波形时，调节水平/垂直偏转因数（灵敏度）的实际效果就是对波形进行水平/垂直方向的缩放，其目的是使欲观察的波形恰好充满屏幕，只不过这种缩放通常是分档调节而非无级调节。（2）查看照片时，照片位置没有对正屏幕中心，怎么办？在电脑上可以鼠标拖动或使用滚动条来移动图片。而对于示波器，则通常设置了专门的水平/垂直位置调节旋钮，可将波形移至屏幕中心或其他想要的位置。（3）拍摄照片时需要按动“快门”，使用手机拍照同样有虚拟的“快门”按钮。对于数字示波器，单次触发功能就相当于“快门”，用于捕捉单次出现的波形。而连续触发则相当于拍摄视频，通过持续不断地获取和显示波形，展示其连续的变化。但当波形重复频率甚低时，无法形成连续的视觉效果，此时“触发”变为“扫描”，如同查看幻灯片时翻页一样。其他一些功能，如辉度（亮度）调节和波形的存储/读取，完全类似于手机或电脑上的常规操作，学生几乎无需讲解即能掌握。而输入通道的选择或切换，也可类比于手机前后摄像头的转换。经过以上几步简单介绍，便可让学生了解到示波器的操作“有规可循”，并且能较好地抓住示波器的共性特点；在接触不同型号示波器时，不会因其具体设计上的细微差别而感到无从下手。以上两个环节即“明确目的”和“掌握用法”之后，已经实现了让学生掌握示波器基本用法的目标。此时倘若学生尚有余力，便可对示波器的原理作适当展开和延申，做到知其然更知其所以然。但需要注意的是，无论模拟示波器或是数字示波器，其原理方面的相关知识都更应当、也更适合放在其他专门课程中介绍。对于模拟示波器，示波管的原理通常在大学物理的电磁场部分有所涉及，而模拟信号调理电路则属于“模拟电子技术”以及“信号与系统分析”等课程的内容；对于数字示波器，其采用的模数转换和数字信号处理等核心技术更是有相应的专业课加以详述。因此，在示波器的实验教学中，对其原理的延伸性介绍一定要适度，要善于“埋伏笔”或是“穿针引线”，主动与其他课程中的相关内容相联系、相呼应，而不是越俎代庖、喧宾夺主，结果反而挤占了自身的宝贵学时，影响了核心知识的传授和关键技能的培养。图1总结了以上改进思路及其与传统教学设计的对比。
三、结语
本文结合“新工科”背景下工科专业人才培养的实际情况以及大学物理实验中示波器教学存在的若干问题，提出了为工科专业学生讲解示波器相关内容的新思路。“新工科”背景下的人才培养，需要“STEM”（即科学、技术、工程和数学）四环紧扣，而大学物理及其实验教学在其中起着至关重要的桥梁和骨干作用，不仅要主动作为，更要善于作为[3]。具体到示波器教学中，就需要大学物理教师不拘泥于实验室现有器材、不局限于物理学科和物理课程的窠臼，主动“跨界”提升自身的跨课程、跨学科视野及知识储备，积极与相关专业课程寻求联系和对接，乃至无缝连接和融入到新工科人才培养体系中去，才能打开新的教学思路，更好地服务于新时代复合型人才的培养。
作者:唐妍梅 李翔 单位:广西师范大学 桂林电子科技大学
