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