獨立院校“口袋實驗室”建設與教學改革

譚貴生 石宜金 馮微瑋 張桂蓮 張瀅

摘? 要：針對應用型獨立院校的特點和電子信息工程的現狀，需要提高學生的實驗能力和創新能力。目前，實驗課程存在實驗課時不足，訓練強度不夠等問題，提出一種基于“口袋實驗室”的教學模式。文章包括實驗室的建設和管理;教學培養方案;以驅動項目的教學改革和全方位鼓勵學生參加競賽活動。實踐證明教學改革能提高學生的綜合運用能力、實踐能力和創新能力;該模式為其他高校相關專業的改革，提供借鑒價值和參考意義。

關鍵詞：口袋實驗室;實驗教學改革;能力培養;獨立院校

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）33-0153-04

Abstract： In order to improve students' experimental ability and innovation ability according to the characteristics of applied independent colleges and the status of electronic information engineering. There are some problems in the experimental course， such as insufficient experiment lesson and insufficient training intensity. We presented a method based on pocket labs. This article introduced laboratory construction and management， teaching training scheme， project teaching and compete in a contest. We have achieved good results on the cultivation of students' comprehensive capacity， practical， innovation ability and significance of other college.

Keywords： pocket labs; experiment teaching reform; ability raise; independent college

隨著電子技術的發展需求和國家對高等人才的更高要求，因而，如何保證教學實驗，培養具有實踐和創新能力人才，需要對教學模式和方法改革，建立合理教學體系，是應用型獨立院校的基本發展，也是提高大學課程的深化改革，提高教學質量的關鍵[1-2]。對電子信息類專業學生提高理論知識和綜合能力、創新能力的培養的教學改革勢在必行[3]。

基于以上分析，本文提出“口袋實驗室”的教學建設與改革，首先能解決傳統實驗室中帶來的弊端，其次給學生更大的靈活性，讓學生有充分的想象力和創新能力;最后培養學生的自主學習能力和動手實踐能力。通過新的教學改革，可以為本科畢業設計、大學生電子設計大獎提供服務。

一、電子專業傳統實驗教學模式的弊端

全國開設電子信息類專業高等院校約500所，但絕大部分院校是用實驗箱教學，從教學實踐活動中發現，實驗內容陳舊、教學形式單一和教學手段落后，與國家提出來的教育方針差距大[4-6]。傳統教學存在的弊端有以下三個方面：

（一）實驗內容和設備陳舊

實驗課程教學中，絕大部分院校都是應用實驗箱為主，實驗箱的集成度高，實現的功能很豐富，但同學很難搞懂實驗的原理，學生只有按照實驗說明書給定參數或者教師預先設計好的實驗步驟完成實驗，不具備學生自主設計性實驗。另外實驗箱都是集成模塊，如果保護不好，實驗箱都會遭到不同程度的損壞，嚴重影響教學。

（二）教學形式單一

教學儀器是教學的必要手段，實驗設備屬于精密儀器，比較貴重，保管就尤為重要;還有實驗班級較多，往往連續幾天安排實驗課程，絕對不會讓學生把設備帶走或者外借;顯然這種實驗的教學形式不利于培養學生的創新能力和實踐能力。

（三）教學手段落后

目前，教學方法都是填鴨式教學，老師給學生的知識已經定論，學生很難發現問題和研究問題。傳統的教學，嚴重影響學生的實驗能力和創新能力，為了解決這些問題，引入“口袋實驗室”的教學改革，這是一個很好解決方案。

二、口袋實驗室建設與管理

（一）口袋實驗室簡介

口袋實驗室PL（Pocket Labs）最早是由美國斯坦福大學Clifton Roozeboom博士提出的，隨后，英國的德蒙福特大學設計一款以FPGA/ARM為核心的開發板，供學生實驗和項目開發使用[7]。近幾年，由美國德州儀器（TI）和賽靈思（Xilinx）中國大學計劃項目引入中國，國內最早由哈爾濱工程大學、東南大學等引進口袋實驗室，提出一種新的教學模式。目前，集成芯片的快速發展為口袋實驗室提供優越條件，如XILINX推出的Artix-7 FPGA集成芯片，包括33280個邏輯門，5200個邏輯區域，1800Kb的快速ARM，還有5個時鐘管理模板和90個DSP區，組成一個完整的集成系統[8-9]。口袋實驗室具有“小身材，大能量，開源性”的優點，方便學生二次開發，無論何時何地，學生都可以實驗和二次開發，增強學生積極性和創新性。

（二）實驗室的建立

從傳統實驗室到開發性實驗室，彌補傳統實驗的不足，我校準備新建口袋實驗室，根據電子信息工程專業和物聯網專業，購買100套單片機最小系統的開發板， FPGA和DSP開發板各50套，不同的類型、型號的傳感器與控制模塊;包括單片機，觸摸屏，紅外避障，振動傳感器，脈搏傳感器，繼電器，WiFi模塊和3G模塊等。新實驗室不能缺少電腦、直流可編程電源、數字信號發生器、數字萬用表等常規設備，這些設備傳統實驗室已經有，可以直接使用。口袋實驗室中的套件樣式多，覆蓋面廣，可以包括電子信息工程專業的所有核心課程實驗，如模擬電路，數字電路，單片機，FPGA/CPLD等多個方面，應用相關實驗設備可以幫助學生掌握專業技能，支持學生進行創作各類新作品。

（三）實驗室管理制度

為了充分發揮實驗室的作用和意義，讓全校師生共同受益，實現全開放、全共享的創新實驗室，制定實驗室管理辦法，借鑒清華大學，西南交通大學，哈爾濱工程大學的實驗室管理辦法[10-11]，提出“圖書式”管理理念，保證口袋實驗室的集中管理與資源共享，有助于新的理念更好實施。根據圖書館的信息管理系統，學生和教師可以憑有效證件，對口袋實驗資源的借用、歸還、預約、續借、罰款等管理功能。建立一個全開放、全共享實驗資源平臺，有助于新的教學理念更好實施，讓學生最大限度地利用實驗資源和最大的自由空間。

三、口袋實驗室的教學改革

口袋實驗室給學生更大的靈活性，讓學生有充分的想象力和創新能力;最后培養學生的自主學習能力和動手實踐能力，如何保證教學秩序和教學改革成果，提出以下幾個方面：

（一）培養方案

全方位的教學培養計劃和方案，把握專業發展理念，將專業教育的工作貫穿整個教學計劃，才能使全新口袋實驗發揮最大作用。

1. 專業意識

新生入學時進行專業教育，講解電子信息工程專業的前景和未來，讓學生充分了解自己畢業和就業前景，提高專業意識和專業技能。先給每位新生發一套口袋實驗室，然后給出一些小課題或者題目，讓學生自己琢磨，查找資料，自學相關課程，給以后的課程打下基礎，極大的提高學習積極性和創新性。通過實驗過程中，慢慢的培養學生的專業基礎和專業意識，幫助學生的就業和創業。

2. 選題

口袋實驗室的題目選擇，要保證題目的難易程度，為了能夠充分鍛煉學生的學習能力、創新能力和合作能力，防止學生抄襲別人的內容，獨立或者團隊完成實驗設計，才能達到培養方案和培養目標。選題尤為重要，要遵循以下三個特點[9]：

（1）工程性

電子信息工程專業屬于工程專業，一定要培養學生的工程能力，在教學實驗環節必不可少的，選題必須具有工程性特點。

（2）挑戰性

題目不能讓學生輕易完成，如果太簡單，就不能達到培養目標，所以題目需要一定的挑戰性。挑戰性需要學生不斷的努力學生，查找相關書籍，收集文獻資料，設計實驗的步驟，還要小組的討論、論證，提出可行方案，進行驗證。

（3）自主性

口袋實驗室具有“小身材，大能量，開源性”的優點，方便學生二次開發，具有優越的條件，完成課題沒有具體時間、地點的要求，學生可以利用課余時間進行項目設計和實現;需要學生的自主學習能力，不能缺少自主性。課余時間進行實驗時，教師指導次數是有限的，全靠學生自己完成課題。

3. 團隊合作與交流平臺

從傳統的教學模式到新的教學模式，絕大部分脫離教師的視線，保證教學秩序，必須要進行監督，最有效的辦法就是組隊，2-3人一組，就形成一個團隊，團隊也能提高合作意識。團隊的成員互補，包括特長、學習能力、完成實驗的態度，能夠達到共同學習，共同進步。

4. 教學評價體系

實驗考核是實驗教學的重要環節，也是檢驗學生對知識掌握程度、動手能力、查閱文獻能力以及思維和表達能力等。建立公平公正合理的教學評價體系起到關鍵性作用。因此，在實驗考核中，采取措施：從階段考核、面試環節，實驗文檔設計和自評與互評等方面來考核學生的能力。

（1）階段考核

從選題到實驗設計過程中，為了更好的把握學生設計進度，將實驗過程分成若干個階段，老師不做任何干擾，只是在每個階段時間點，進行考核，給出成績。

（2）面試環節

通過階段檢查和最終答辯，對組員隨機問答，考察學生對課題知識掌握程度，給出相應的成績。階段考核中，增加試驗討論環節，讓成員拿出自己的思路方案，進行討論給出綜合設計方案，老師能了解各位同學的知識結構和設計能力。

（3）實驗文檔設計

實驗文檔是實驗重要的組成部分，設計好的試驗文檔，有助于學生了解實驗目的和實驗原理和方法，鍛煉語言表達能力，提高邏輯條理性。

（4）自我評價和同學評價

單獨教師評價不夠全面，讓學生自我評價和同學相互評價，更能反映團隊的合作精神、每個學生知識的結構、努力程度，綜合評價才能顯示成績的公平性。

5. 師資培養

在獨立學院，師資比較薄弱，培養更好、更強的師資團隊，請有經驗的專家或者教授進行指導;也可以聯合校企合作單位，引進工程師，能夠提高教師的教學能力和科研能力。

（二）基于驅動項目的教學模式

口袋實驗室在高校中應用廣泛，但是沒有一套完整的理論體系和實驗方法，本文提出基于驅動項目的實驗教學，逐漸完善一套實驗體系。電子信息工程專業絕大部分課程都是要離不開實驗，基于項目驅動教學，盡量把理論教學安排實驗室進行，讓學生可以理論與實際相結合，能提高教學的效率。

1. 口袋實驗室教學中的應用

以工程實際能力和創新實踐為導向，項目驅動的教學，培養學生工程思維及工程創新能力。基于項目驅動為主線設計，通過查閱文獻和實驗資料，再根據課程標準，設計出相關課程的工程項目。在FPGA可編程邏輯器件，組合邏輯電路，單片機，嵌入式系統設計等課程中，進行驗證實驗和設計實驗。教學過程中，教師引導學生通過項目設計，培養學生的創新能力和動手能力。

2. 單片機口袋實驗的應用

單片機是電子信息工程最重要專業課之一，課程主要是理論與實踐相結合，利用項目驅動方法可以改善單片機實踐效果，提高學生的思維能力和動手能力。傳統單片機實驗課程比較局限，單片機口袋實驗室的設計可以大大改善現狀。首先，銜接理論與實驗教學;其次，提高實驗的擴展性;最后，做好實驗的時間和空間，才能保證實驗成效。

單片機的口袋實驗室的設計，在核心模塊加上基礎模塊實現的。核心模塊包括STC51單片機最小系統和仿真下載電路。基礎模塊包括蜂蜜器、6位數碼管、字庫芯片（SPI接口）、熱敏電阻、光敏電阻、RS485接口等，能完成定時器、數碼管、SPI通信、光強檢測、RS485串口等基礎實驗。拓展實驗完成畢業設計，課程設計以及國家級比賽，拓展模塊設計避障小車、溫度控制器和FPGA的數字示波器等，通過口袋實驗室所具備的基礎功能和拓展功能的組合，可以在單片機教學中，設計出一套完整的理論體系和實驗方法。