基于口袋實驗室的電子技術開放實驗室教學改革與實踐

張康立

（江南大學物聯網工程學院 江蘇·無錫 214122）

0 引言

電子技術實驗課程在面向低年級學生同時面向部分非電類工科專業，對學生工程素養的培養的基礎性地位不可替代。電子技術實驗包括電子技術實驗基礎知識、模擬電路實驗、數字電路實驗、電子電路調試與故障檢測技術、常用元器件及測量儀器。通過該課程實驗學習學生不僅能夠認知常用電子元器件并能夠選型、掌握常用測量儀器儀表使用、模擬及數字電路基礎驗證、設計一定復雜度的模數混合電路。但現實中學生只能在固定的實驗設備中進行簡單“傻瓜”型的操作，無法進行自主性實驗，此時需要創新實驗模式與管理手段，探索新的實驗方式來達到增強學生的實踐動手能力的實驗教學目的。

1 基于口袋實驗室的實驗教學改革

以新工科背景及符合專業工程認證體系新修訂的實驗教學大綱為指導、在不顯著增加學時數的前提下加大實驗內容深度與廣度，增加綜合設計性實驗比例，增強學生的自主實驗能力，為此我們采用混合式的教學模式，這個模式以“口袋實驗室”自主實驗平臺進行實驗，結合Ultralab智能實驗室系統進行實驗數據采集及管理同時在課后實行開放實驗室管理模式。

1.1 “口袋實驗室”平臺教學規劃

口袋實驗室設備的選擇應以體積小、功能全、操作簡單、可擴展性為主要原則，為此我們選擇了ADS(Analog Discovery Studio)實驗平臺(如圖1)，該設備是一款功能齊全的便攜式虛擬儀器平臺。配備13種儀器，包括示波器，邏輯分析儀，頻譜分析儀，波形發生器等，能完成各種實驗和實驗數據的測量，同時具有可更換的面包板，采用ADS實驗平臺的實驗無論在實驗方法、實驗場地、實驗時間上都擺脫了以前舊的實驗模式的缺點和不足。

圖1：ADS硬件平臺

在實驗方法上，學生使用實驗室事先配發的導線和實驗所需元器件，根據實驗要求在面包板上進行自主搭建實驗電路。然后通過PC端的WinForm虛擬儀器配套軟件（如圖2）對實驗過程中的各種數據進行測量。這一過程改變了以往舊的實驗模式中在已有的固定搭建的電路中簡單拔插連接導線的實驗過程，極大鍛煉了學生動手能力。

圖2：WinForm軟件界面

在實驗場地上，學生利用ADS不僅可以在實驗室開展實驗，當課內未完成實驗時,還可以在課后繼續完成后續實驗。同時配合Ultralab智能實驗系統實現在線采集數據，上傳數據，在線完成實驗報告。極大的擴展了學生的實驗時間和實驗的自主性。

為了配合“口袋實驗室”平臺的使用，輔助學生進行實驗、方便學生課前預習和課后自主性實驗，實驗室教師團隊在慕課平臺創建了在線實驗課程。課程中上傳了實驗前的準備說明、實驗講義、實驗PPT，實驗相關視頻等。每個實驗課程都建立獨立的QQ群，在群里可以進行答疑、資料共享，幫助學生進行實驗。

1.2 Ultralab智能實驗室系統的教學規劃

隨著計算機化、網絡化在現代教學特別是實驗教學中的作用越來越明顯和越來越深入，實驗數據需要進行實時查看和歷史回放，實驗過程需要進行重現、實驗設備也需要進行在線管理，所以與“口袋實驗室”這樣自主性實驗平臺的相配套的智能實驗系統就成為必須，Ultralab智能實驗室系統就是這樣一款在線智能實驗管理系統。對于老師來說可以利用Ultralab智能實驗室系統進行自主創建實驗課程、這些實驗課程可以是基礎實驗、綜合設計性的實驗、拓展性的實驗等。當完成實驗設計并發布后，可以接收學生申請和預約實驗，批改實驗報告、管理實驗室設備等工作，而對于學生來說可以申請和預約課內和課外的實驗，可以遠程開展實驗，上傳實驗數據，實時和查看實驗結果。查詢實驗報告批改和評價等。

為了拓展學生實驗的場地和實驗時間，Ultralab智能實驗室系統提供了各種登錄平臺方式，學生在實驗室內通過局域網或者在實驗室外通過校園網登錄智能實驗室系統平臺(見圖3),登錄后進行實驗的預約同時自主選擇自己的實驗臺(見圖4)，結合ADS虛擬儀器平臺進行實驗，采集實驗數據，最后編輯實驗報告進行在線提交。

圖3：Ultralab智能實驗室系統登錄

圖4：Ultralab智能實驗室系統實驗預約

為了拓展實驗室的使用時間，實驗室實行課后對學生進行開放。智能實驗系統對實驗室進行開放管理，課后需要使用實驗室的學生通過智能實驗平臺進行網上預約，預約成功后在預約好的時間內通過刷卡進入實驗室，在預約指定的實驗臺進行實驗。預約的實驗時間結束后實驗臺自動終止實驗。實驗室管理人員可以通過遠程登錄智能實驗平臺查看實驗室使用情況，根據需要進行遠程關閉實驗臺電源，從而實現無人值守實驗室管理的要求。實現實驗室的開放管理后，學生不僅在課后可以充分利用實驗室的硬件資源，同樣也可以使用實驗室的智能實驗系統資源，在課后所做的實驗可以是未完成的課上的實驗的繼續，也可以是學生突發靈感的實驗拓展。這樣方式極大的激發學生對實驗的興趣，擴展了學生對實驗時間的投入時間，增強了學生的實踐能力。

1.3 “口袋實驗室”教學案例分析

開展基于“口袋實驗室”的實驗實驗教學時，首先實驗教師在Ultralab智能實驗系統創建實驗，設計實驗要求，給出實驗任務和說明，同時在慕課平臺系統上傳實驗相關資源包括各種文檔、視頻等同時設置討論版塊，布置實驗思考題以及實驗后的拓展任務，相關資料同時在QQ群同步實時共享。完成實驗創建后在平臺中啟用實驗，給指定班級創建的實驗課程，最后發布實驗課程，這時學生可以通過Ultralab智能平臺在實驗前進行預約實驗，并在預約的時間內開始實驗，實驗過程中按照實驗要求進行設計和搭建電路，使用虛擬儀器采集實驗數據并上傳，完成實驗后，進入實驗報告編寫，在實驗過程中的已采集的實驗數據會自動填入到實驗報告中，學生完成實驗報告編寫后保存提交報告，隨后老師對實驗報告進行批改，學生隨時可以查看實驗報告及成績（見圖5）。

圖5：實驗基本流程

這里我們以實驗《RLC串聯諧振電路的研究》為例，電路原理圖如圖6，通過分析電路圖并不是很復雜，但相對于舊的實驗模式來說新的實驗平臺需要學生自己選擇元件、自己搭建電路、自己進行電路的調試。在這個過程中鍛煉了學生動手設計能力，在搭建電路中遇到問題解決問題的能力。

圖6：實驗電路原理圖

首先，根據電路原理圖學生完成元件的選擇，電路的設計和搭建，該實驗電路需要輸出電壓Ui=500mVPP的信號源，通過ADS的虛擬儀器中的任意波形發生器來生成這個信號源，這需要學生通過WaveForms軟件進行設置（見圖7），因Wave-Forms的操作使用較為復雜，為此我們在慕課上上傳了軟件操作的流程說明圖片以方便學生進行學習，以下各圖都包含了WaveForms的操作說明。信號源設置完成后，ADS函數信號發生器的紅黑夾子夾到電路的電源兩端，ADS測量電壓的藍白線接到電路的電阻兩端準備測量電阻兩端電壓（見圖8）。下一步找出電路的諧振頻率，在實驗中將ADS的電壓表接線接到R1電阻兩端，通過設置ADS的虛擬儀器Wavegen(波形發生器)令信號源的頻率由小逐漸變大，當虛擬儀器Voltmeter（電壓表）中的U0的度數最大時，讀得信號源上的頻率值即為電路的諧振頻率(見圖9)，把調好的實際諧振頻率的正弦波用示波器顯示出來，在實驗系統中采集出來，放在實驗報告中(見圖10)。諧振頻率調節完畢后開始測量Uc與Ul的值。然后在諧振點兩側按頻率遞增或遞減2KHz，依次各取4個測量點。逐點測出Uo,Uc,Ul。完成實驗后把各項數據和波形采集到實驗報告中（見圖11）然后進行提交。

圖7：函數信號發生器設置

圖8：電阻兩端電壓測量B

圖9：調節實際諧振頻率

圖10：示波器顯示諧振頻率的正弦波

圖11：實驗數據的采集

從整個實驗過程可以看出實驗數據的采集只需要ADS連接PC進行軟件操作。擺脫了以往實驗笨重的實驗箱連接各種實驗儀器。學生完全可以在宿舍、圖書館、教室里通過網絡連接智能實驗系統完成各類實驗。擺脫了老的實驗模式的地點、時間的限制。在自主的實驗過程中還可以隨時加入同學和老師的討論群和討論版塊進行實時實驗思路的討論。在討論中拓展實驗思路，解決實驗中遇到的各種問題。

考慮到新的實驗模式下，有部分實驗可能是在課外獨立完成的，如何防止學生之間對實驗數據的抄襲現象，如何公正全面評價學生的實驗能力呢？首先 ADS口袋實驗室平臺配合Ultralab智能實驗系統在實驗過程中按照實驗步驟逐步進行實驗數據的采集，其次對所采集的實驗數據、波形圖、各種實驗結果打上了學生本人的學號姓名水印，這種水印是根據每個學生所預約的實驗平臺進行設置的，具有唯一性和不可抄襲性，從根本上杜絕了抄襲現象。同時實驗報告包含了整個實驗的所有步驟和細節，把學生的實驗操作過程完整的呈現出來。方便了學生老師對實驗內容進行查詢。

最后，教師對學生實驗進行評價。

實驗室老師根據Ultralab智能實驗系統提交的實驗報告，進行線上批改，按照實驗步驟逐項給分，這部分分數在一些基礎實驗中可以由系統自動判分，所得分數是實驗數據結果得分，除了以上實驗得分以外另外一部分是根據學生的實驗態度、預習情況、答疑情況、慕課學習情況、課后實驗的拓展情況進行主觀評分，這兩部分分數比例可以在系統中自主進行設置。實驗批改完成后，學生可以實時查看到分數，對實驗過程也可以進行歷史查詢。對不明白或者不理解的實驗可以在課后進行預約重新進行實驗。

2 結束語

通過“口袋實驗室”平臺借助于Ultralab智能實驗系統大大拓展了學生的實驗時間、實驗場地、實驗方式。讓學生不再局限于原來固定的幾個實驗學時，同時加深了實驗難度和實驗廣度，讓學生從原來的被動實驗轉換到主動實驗，對實驗發生濃厚興趣，當學生在學習過程中迸發出的靈感時也能有用武之地。另外一方面隨著實驗難度的增強，實驗自由度的增大，學生在實驗過程中會遇到大量以往實驗不會遇到的問題，這是通過QQ群詢問老師，與同學在線進行討論，再通過課后實驗的驗證，把學生主動性完全發揮出來，極大的鍛煉學生學習和實踐能力，這樣我們的實驗教學改革的目的也就達到了。