基于“雨課堂+雷實驗”開放創新實驗設計探索與研究

劉秀環,鞠一婷,陳占國,王海燕,李玉峰,王 奪

(吉林大學 a.通信工程學院;b.電子科學與工程學院，吉林 長春130012)

高等學校作為人才培養的重要基地，在“新工科”背景下，肩負著培養“具有更強實踐能力、創新能力、國際競爭力的高素質、復合型人才”的重要使命. 高校電子信息類專業要求具有很強的理論基礎和工程應用背景，并且各學科之間相互交叉、相互滲透[1]. 不斷擴大的高新技術產業對電子信息類“新工科”人才的需求日益增多. 如何向社會輸送出 “厚基礎、重實踐、富創新”的電子信息類人才是高校電子信息類專業教師應該思考的課題. 為順應新工科人才培養方略及OBE(Outcomes-Based Education)教育理念，電子信息類課程的教學應首要進行改革和創新[1-8]. 許多高校在傳統的電子信息類課程教學過程中多有重理論輕實踐、存在實驗內容陳舊且單一等弊端[2]，不利于培養學生的創新思維和實踐能力. 而且，傳統的教學目標主要關注學生知識掌握的多少，缺少有針對性的鍛煉學生解決問題的能力、團隊意識、溝通和協作能力[3]. 筆者在長期從事電子信息類課程理論和實驗教學中， 探索了理論和實驗教學的改革與研究. 在理論教學和基本實驗教學之外，開設出立足于課程基本理論的開放創新實驗，以利于培養學生的實踐能力和創新思維. 經過考察與調研[7-8]，將新型的智慧實驗教學平臺——“雨課堂+雷實驗”引入電子信息類開放創新實驗設計中，以拓展基礎實驗之外的電子信息類綜合實驗，并將任課教師的科研工作適度融入開放實驗教學中.

1 “雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學平臺

“雷實驗”是Lab of electronics intelligence的縮寫LEI的音譯，是由北京時代行云科技有限公司推出的全球首個基于“雨課堂”的智慧實驗教學方案， 成功將互聯網、微信、PC與智慧實驗硬件無縫結合. 具體實驗教學方案是基于雷實驗產品A+D Lab運行. A+D Lab是由硬件平臺和PC端軟件平臺結合組成. 基本的A+D Lab硬件部分包括1個智慧面包板和各種數據線；軟件部分則包含與“雨課堂”接口的實驗管理系統、“我的實驗室”和仿真軟件等多個模塊. 用戶在PC端成功安裝A+D Lab軟件后，雙擊A+D Lab啟動程序，并用手機微信“掃一掃”功能登錄A+D Lab主界面，如圖1所示. 教師登錄主界面進入TEACHERS模塊，可進行建立和發布實驗、查詢學生實驗進度、批閱實驗報告等. 學生登錄主界面進入STUDENTS模塊即啟動學生平臺，進行實驗仿真、搭建實驗、結合口袋實驗室提供的虛擬儀器進行虛實結合的實驗操作. 口袋實驗室——“我的實驗室”模塊包含示波器、信號發生器、可編程電源、邏輯分析儀、波特圖儀等虛擬儀器，如圖2所示.

圖1 A+D Lab軟件平臺主界面概覽

圖2 A+D Lab軟件平臺雷實驗界面

圖3是啟動學生平臺后將A+D Lab硬件智慧面包板與軟件平臺相結合，在PC端展現的虛擬信號發生器與示波器的照片.

圖3 A+D Lab虛擬信號發生器與示波器

將“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺引入實驗教學中，可以徹底打破時空限制，學生可以隨時隨地進行實驗，將教師從固化的教學環節中解放出來. “雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學平臺可將虛擬儀器與實際器件相結合，從而開展線上、線下相混合的實驗教學模式.

在新工科背景下，引入“雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學工具，將強化學生創新和行為互動，并兼顧課堂質量、任務部署以及設備管理的功能. 特別適合開展非實驗室環境下的線上實驗教學[9-10]，如果能引入“雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學平臺，將很好地開展電子信息類課程線上和遠程實驗教學.

2 基于“雨課堂+雷實驗”開放實驗設計思路

“雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學平臺所提供虛擬信號發生器和示波器以及電源等常用實驗儀器，可滿足絕大多數電子實驗的需求[8]. 因此，A+D Lab結合PC機和必要的電子器件，通過虛、實相結合，可以實現在課堂和實驗室之外開展實驗，非常適合電子信息類課程教學改革. 基于“雨課堂+雷實驗”的電子信息類開放實驗可以從以下方面進行設計：

2.1 基礎性和驗證性實驗

對于“電路”、“信號與系統”、“模擬電子電路”等課程中的基礎性和驗證性實驗，比如基爾霍夫定律、疊加定理、戴維南定理、單一元件阻抗的頻率響應特性、單管交流放大電路、基本模擬運算電路等實驗，學生可以在理論教學的課上或課外，基于“雨課堂+雷實驗”平臺進行實驗，從而對抽象的基礎理論獲得感性認識.

2.2 設計與綜合性開放實驗

可以將電子信息類各門課程之間相關內容相互融合，學生在完成這些課程的理論學習后，可以完成綜合性設計實驗. 比如將“電路”和“信號與系統”課程內容相互融合，讓學生設計實現信號各種運算的開放實驗. 這類基于“雨課堂+雷實驗”平臺的綜合性開放實驗，不限制時間和地點，學生可以在課余時間隨時隨地開展實驗.

2.3 與科研相結合的應用型開放實驗

任課教師將科研工作適度融入實驗教學中. 對于電子信息類專業的低年級學生，在完成專業基礎課程的學習后，可以基于“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺開展“立足基礎理論、面向科研應用”的開放創新實驗，不僅能讓學生較早地參與科學研究，而且更助于低年級學生更好地理解所學到的基礎理論，并能體驗到將基礎理論直接應用于解決實際問題的愉悅.

基于“課堂+雷實驗”智慧實驗平臺的綜合性和應用型開放實驗，一般需要2～3人的團隊協作完成，這有助于培養學生的創新思維和實踐能力以及團隊協作精神.

3 基于“雨課堂+雷實驗”開放實驗設計舉例

以基于“雨課堂+雷實驗”的應用型開放創新實驗的設計為例.

在研究Si， Ge等無反演對稱中心的半導體材料的場致線性電光效應時，需要確定由這樣的半導體材料構成的金屬—絕緣體—半導體—絕緣體—金屬(MISIM)結構器件在一定頻率范圍內的等效電容值. 將此部分科研工作融入實驗教學，設計成開放創新實驗，供本科低年級學生選做. 學生根據所掌握的“電路”、“信號與系統”等課程的基本理論，可以設計多種實驗方案，完成MISIM結構器件頻率響應特性分析及電容值的測定.

3.1 器件結構和實驗方案舉例

教師科研團隊為本科低年級學生提供了雙面沉積SiO2薄膜(薄膜厚度約1 μm)、單面沉積SiO2薄膜(薄膜厚度約2 μm)以及雙面均未沉積SiO2薄膜的3種Si (100) MISIM結構器件，其中Si半導體層厚度約3 mm. 沒有沉積SiO2的Si表面與金屬電極之間有厚度約160 μm的絕緣膠. 金屬電極為銅電極. MISIM器件結構示意圖如圖4所示.

圖4 MISIM器件結構示意圖

下面以1組學生設計的最簡單實驗方案為例. 選用定值電阻R，與待測MISIM結構器件進行串聯，在A+D Lab智慧面包板上構成二端網路，實驗原理圖如圖5所示，實物連接電路如圖6所示.

圖5 實驗原理圖

圖6 實驗測量電路圖

(a)輸出正弦信號

(b)測量正弦信號圖7 雷實驗平臺虛擬信號發生器輸出正弦信號及虛擬示波器測量正弦信號有效值截圖

3.2 實驗結果

(a) 雙面沉積SiO2薄膜Si(100)器件

(b) 單面沉積SiO2薄膜Si(100)器件

(c) 雙面未沉積SiO2薄膜Si(100)器件圖8 MISIM結構器件阻抗的幅頻特性

3.3 實驗小結

本例實驗是基于“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺實施完成的應用型開放實驗，學生利用自己的筆記本電腦、手機，教師科研團隊提供待測器件、及根據學生設計的合理實驗方案所需的必要元件，學生可以在實驗室之外的宿舍、圖書館等場所隨時開展實驗. 這類與教師科研工作相結合的“立足于基礎理論，面向科研應用”的應用型開放實驗，本科低年級學生即可設計完成. 而且，實驗數據處理與分析環節能促使學生早日接觸和應用數據分析軟件. 學生通過訓練，不僅對所學的基本理論能夠深入理解和融會貫通，也能提高設計、分析能力和動手實踐能力，并體驗到學以致用的愉悅，有助于培養學生的創新思維和科研興趣，增強小組成員之間的溝通與協作意識，助力達成課程的知識目標、能力目標和情感目標相融合.

4 結束語

基于“雨課堂+雷實驗”的應用型開放創新實驗設計，以MISIM結構器件的頻率響應特性研究為例，論述了“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺在電子信息類課程實驗教學改革中發揮的作用. 雷實驗A+D Lab Plus的功能更強大，口袋實驗室提供的虛擬儀器種類多，更利于電子信息類課程開放實驗設計與研究. 基于“雨課堂+雷實驗”的智慧實驗平臺，可以實現電子信息類課程實驗教學的虛、實相結合及線上、線下相混合模式，并徹底打破時空限制. 深入開展基于“雨課堂+雷實驗”的電子信息類課程實驗教學改革，不僅能夠克服教學中抽象理論脫離實際應用、實訓成本高、安全風險大的弊端，而且能夠順應新工科背景下的人才培養方略及新時代大學生的成長需求，對電子信息類專業人才的培養將具有深遠的意義.