基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施方法

0 引 言

口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指將實(shí)驗(yàn)設(shè)備微型化，方 便攜帶，允許實(shí)驗(yàn)者自選場(chǎng)合自選時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的一種教學(xué) 模式?？诖鼘?shí)驗(yàn)室教學(xué)模式的提出是以集成技術(shù)迅猛發(fā)展為 技術(shù)前提 [1-3]，IC 制造商，比如 XILINX 公司宣布已經(jīng)推出 了 16 nm 的高集成度 FPGA 芯片 [4-6]。在這樣高集成度的情 況下，產(chǎn)生了大量的片上系統(tǒng)芯片（ System On Chip，SOC）， 如 XILINX 公司推出的 Artix-7 FPGA 芯片 [7]，片上提供了 33 280 個(gè)邏輯門，5 200 個(gè)邏輯區(qū)域，1 800 Kb 的快速 RAM， 5 個(gè)時(shí)鐘管理模塊以及 90 個(gè) DSP 區(qū)，另外還提供了片上模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，使得在該芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)成為可能。

目前，口袋實(shí)驗(yàn)室在各類院校，尤其是工科物聯(lián)網(wǎng)、電子、 通信以及計(jì)算類、控制類專業(yè)中有日趨普及的趨勢(shì)，但還未完 全形成一套完整有效的理論體系。本文從口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)項(xiàng) 目設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程的組織等角度進(jìn)行了探索。 

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì) 

口袋實(shí)驗(yàn)室的目的是提高實(shí)驗(yàn)效果，而實(shí)驗(yàn)效果的提高 離不開學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。為了提高實(shí)驗(yàn)興趣，一方面實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)得富有挑戰(zhàn)性，另一方面要確保經(jīng)過學(xué)生的努力能實(shí)現(xiàn) 主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，防止挫傷學(xué)生的積極性。為此，應(yīng)滿足以下 3 點(diǎn)要求。

1.1 工程性 

工科院校本科層次學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，主要還是工程能力 的培養(yǎng)。因此在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)注意項(xiàng)目的工程性特點(diǎn)。 應(yīng)當(dāng)從本專業(yè)的實(shí)際工程項(xiàng)目中選擇某些課題經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化后交 給學(xué)生以口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行，并且應(yīng)注意選題實(shí)現(xiàn) 效果和參數(shù)不能過于理想化，應(yīng)與現(xiàn)實(shí)工程接軌。比如，金 陵科技學(xué)院在 2015 年的口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，要求設(shè)計(jì)一個(gè)基 于 FPGA 的數(shù)控恒流源，給出了明確的設(shè)計(jì)參數(shù)下限，這些 參數(shù)均與工程實(shí)踐密切相關(guān)，并且也是可以實(shí)現(xiàn)的。

1.2 挑戰(zhàn)性 

挑戰(zhàn)性特點(diǎn)決定了所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)方案需要經(jīng) 過努力才能獲得，學(xué)生們不能輕易獲取，如果設(shè)計(jì)方案直接 到達(dá)學(xué)生手中，就使學(xué)生們的創(chuàng)新思維得不到訓(xùn)練，使實(shí)驗(yàn)效 果大打折扣。一個(gè)良好的口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)要求學(xué)生查 閱大量的文獻(xiàn)資料，經(jīng)過充分的小組討論和論證，得出幾種 可能方案，并一一驗(yàn)證是否可行，是否最佳，也只有通過這 樣一個(gè)過程，才使得實(shí)驗(yàn)不能在幾節(jié)課的時(shí)間內(nèi)完成，從而必 須利用口袋實(shí)驗(yàn)室在課余時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)。 

1.3 自主性 

口袋實(shí)驗(yàn)室把實(shí)驗(yàn)過程從固定時(shí)間固定地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室搬 移到了其他場(chǎng)合，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的自主性提出了較高的要求。 學(xué)生應(yīng)能在教師較少指導(dǎo)甚至不指導(dǎo)的情況下，自主完成分析 課題，解決有可能出現(xiàn)的各方面問題的任務(wù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)課題需要 用到課堂上還未教過或者根本不教的知識(shí)時(shí)，學(xué)生應(yīng)能高度 自主地展開自學(xué)，而不是坐等教師講課后再做實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)過程的組織 

2.1 實(shí)驗(yàn)選題 

為了保證前述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的挑戰(zhàn)性，就必須防止本屆學(xué)生輕 易從往屆學(xué)生處獲得項(xiàng)目的設(shè)計(jì)結(jié)果。為此，金陵科技學(xué)院 建立了嚴(yán)格的選題制度，即要求當(dāng)年度的設(shè)計(jì)選項(xiàng)不得與三年 內(nèi)的課題相同，必須經(jīng)過變化。此外，規(guī)定同一年度對(duì)某一 年級(jí)的選題，至少應(yīng)包含三個(gè)課題，這也從一定程度上增加了 課題的可選性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 建立團(tuán)隊(duì) 

由于口袋實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中脫離了教師的視線，某種程度上對(duì)學(xué)生的自覺性提出了較高的要求。而 團(tuán)隊(duì)從一定程度上能對(duì)個(gè)體產(chǎn)生約束作用。同時(shí)，現(xiàn)代工程教 育理念也要求學(xué)生具備團(tuán)隊(duì)合作意識(shí) [5]，因此，教師應(yīng)在實(shí)驗(yàn) 之初認(rèn)真組織團(tuán)隊(duì)建設(shè)，從態(tài)度、學(xué)習(xí)能力、特長(zhǎng)等角度對(duì) 團(tuán)隊(duì)成員合理調(diào)配，最后每組選定組長(zhǎng)，組長(zhǎng)對(duì)全組承擔(dān)監(jiān)督、 任務(wù)分配的職能。 

2.3 建立團(tuán)隊(duì)間的交流機(jī)制 

為了提高實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)理解、知識(shí)廣度方面的促進(jìn)作 用，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)期間建立穩(wěn)定的團(tuán)隊(duì)間交流機(jī)制，在團(tuán)隊(duì)交流 期間，由各組分別闡述各自的設(shè)計(jì)方案，交流可能遇到的問題， 共享已經(jīng)查到的資料，從而使實(shí)驗(yàn)的效率大大提高。 

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核 

基于口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，由于將實(shí)驗(yàn)的大部分 時(shí)間交給了學(xué)生，學(xué)生的表現(xiàn)往往對(duì)教師來說是個(gè)盲區(qū)，從而 對(duì)考核結(jié)果的公平合理性提出了挑戰(zhàn)。在金陵科技學(xué)院基于 口袋實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)實(shí)踐中，從時(shí)間上突出了階段性考核的特點(diǎn)， 從方式上突出了個(gè)人面試的特點(diǎn)。每組在實(shí)驗(yàn)之初就撰寫詳細(xì) 的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，將實(shí)驗(yàn)過程分為若干個(gè)階段，教師平時(shí)不干預(yù) 學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，但在階段時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將專門組織時(shí)間檢查學(xué)生階 段任務(wù)的完成情況。未能如期完成任務(wù)的團(tuán)隊(duì)，要求分析原因 并在下一階段有所改進(jìn)。階段任務(wù)如期完成情況占總評(píng)成績(jī)的 一部分。然后每個(gè)階段組織小型面試，對(duì)每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行 隨機(jī)問答，考察學(xué)生的知識(shí)掌握情況，并直接影響該成員的總 評(píng)成績(jī)。

3 口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇 

口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇，應(yīng)以體積小、功能全、操作方便、 可擴(kuò)展性強(qiáng)為主要原則。要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備“體積小”，即要求設(shè) 備能隨身攜帶，甚至可以放在口袋中，這樣才能滿足學(xué)生有設(shè) 計(jì)靈感和實(shí)驗(yàn)欲望時(shí)隨時(shí)獲取設(shè)備的要求?！肮δ苋钡囊?是指所選擇的口袋式設(shè)備能提供豐富的軟硬件資源，方便實(shí) 驗(yàn)時(shí)的功能實(shí)現(xiàn)，這是口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)效果得到保證的必然 要求?！安僮鞣奖恪笔侵缚诖皆O(shè)備的使用應(yīng)簡(jiǎn)易可行，不需 要太多的外接設(shè)備即可使用，只有這樣才能滿足口袋實(shí)驗(yàn)在任 意場(chǎng)合都可實(shí)行的實(shí)際要求?！翱蓴U(kuò)展性強(qiáng)”是指由于口袋實(shí) 驗(yàn)設(shè)備的體積小，所提供的功能不可能面面俱到，應(yīng)根據(jù)具 體實(shí)驗(yàn)要求擴(kuò)展外部設(shè)備以便擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)功能，這個(gè)要求同樣是 為了保證口袋實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

以金陵科技學(xué)院為例，在實(shí)施電子類、物聯(lián)網(wǎng)類等相 關(guān)專業(yè)的口袋實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐時(shí)選擇用的口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一是 DIGILENT 公司的 BASYS3 板，如圖 1 所示。該板體積小巧， 板上核心芯片為 XILINX 公司的 Artix7 FPGA，核心功能可 編程。板上資源豐富、接口齊全，如表 1 所列。它所提供的 PMOD 接口能夠連接從藍(lán)牙收發(fā)器、無線收發(fā)器、紅外收發(fā)器、 GPS 等各類外擴(kuò)設(shè)備 [8]，能夠完成工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)等眾多 功能，且使用時(shí)只需一根電源線與電腦相連即可。因此該板比 較適合用于口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

4 結(jié) 語

基于口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，充分發(fā)揮設(shè)備易攜 帶易操作且功能豐富的特點(diǎn)，使學(xué)生可以在任意場(chǎng)合任意時(shí) 間，只要有實(shí)驗(yàn)欲望或創(chuàng)作靈感，均可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大解決了 實(shí)驗(yàn)室空間受限、時(shí)間有限等問題，金陵科技學(xué)院的教學(xué)實(shí) 踐結(jié)果表明，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥茱@著提高學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)新能力， 對(duì)其他高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐有明顯的借鑒意義。