基于“口袋实验室”的实践教学模式实施方法

姜志鹏+陈正宇+阎浩

摘 要：口袋实验室教学模式是一种基于实验设备微型化的实验模式。文章分析了口袋实验室教学模式的目标，研究了这种模式的特点，提出了实施过程需要注意的要点，从设计实验项目时应遵循的主要原则和教学过程的组织角度作了分析和阐述。教学实践表明，基于该方法的口袋实验室教学能较好地实现教学目标。

关键词：口袋实验室;实践教学;实验设计;教学组织

中图分类号：TN915        文献标识码：A                文章编号：2095-1302（2015）09-00-02

0  引  言

口袋实验室实验教学模式是指将实验设备微型化，方便携带，允许实验者自选场合自选时间进行实验的一种教学模式。口袋实验室教学模式的提出是以集成技术迅猛发展为技术前提[1-3]，IC制造商，比如XILINX公司宣布已经推出了16 nm的高集成度FPGA芯片[4-6]。在这样高集成度的情况下，产生了大量的片上系统芯片（ System On Chip，SOC），如XILINX公司推出的Artix-7 FPGA 芯片[7]，片上提供了33280 个逻辑门，5 200个逻辑区域，1 800 Kb的快速RAM，5个时钟管理模块以及90个DSP区，另外还提供了片上模数转换器，使得在该芯片上实现一个完整的系统成为可能。

目前，口袋实验室在各类院校，尤其是工科物联网、电子、通信以及计算类、控制类专业中有日趋普及的趋势，但还未完全形成一套完整有效的理论体系。本文从口袋实验室的实验项目设计和实验过程的组织等角度进行了探索。

1  实验项目的设计

口袋实验室的目的是提高实验效果，而实验效果的提高离不开学生的实验兴趣。为了提高实验兴趣，一方面实验项目设计得富有挑战性，另一方面要确保经过学生的努力能实现主要设计目标，防止挫伤学生的积极性。为此，应满足以下3点要求。

1.1  工程性

工科院校本科层次学生的培养目标，主要还是工程能力的培养。因此在设计实验项目时，应注意项目的工程性特点。应当从本专业的实际工程项目中选择某些课题经适当简化后交给学生以口袋实验室的实验模式进行，并且应注意选题实现效果和参数不能过于理想化，应与现实工程接轨。比如，金陵科技学院在2015年的口袋实验室实验中，要求设计一个基于FPGA的数控恒流源，给出了明确的设计参数下限，这些参数均与工程实践密切相关，并且也是可以实现的。

1.2  挑战性

挑战性特点决定了所设计的实验项目的实现方案需要经过努力才能获得，学生们不能轻易获取，如果设计方案直接到达学生手中，就使学生们的创新思维得不到训练，使实验效果大打折扣。一个良好的口袋实验室实验项目，应要求学生查阅大量的文献资料，经过充分的小组讨论和论证，得出几种可能方案，并一一验证是否可行，是否最佳，也只有通过这样一个过程，才使得实验不能在几节课的时间内完成，从而必须利用口袋实验室在课余时间完成实验。

1.3  自主性

口袋实验室把实验过程从固定时间固定地点的实验室搬移到了其他场合，这就对实验项目的自主性提出了较高的要求。学生应能在教师较少指导甚至不指导的情况下，自主完成分析课题，解决有可能出现的各方面问题的任务。当实验课题需要用到课堂上还未教过或者根本不教的知识时，学生应能高度自主地展开自学，而不是坐等教师讲课后再做实验。

2  实验过程的组织

2.1  实验选题

为了保证前述实验项目的挑战性，就必须防止本届学生轻易从往届学生处获得项目的设计结果。为此，金陵科技学院建立了严格的选题制度，即要求当年度的设计选项不得与三年内的课题相同，必须经过变化。此外，规定同一年度对某一年级的选题，至少应包含三个课题，这也从一定程度上增加了课题的可选性，提高了学生的学习兴趣。

2.2  建立团队

由于口袋实验室教学模式使学生在实验过程中脱离了教师的视线，某种程度上对学生的自觉性提出了较高的要求。而团队从一定程度上能对个体产生约束作用。同时，现代工程教育理念也要求学生具备团队合作意识[5]，因此，教师应在实验之初认真组织团队建设，从态度、学习能力、特长等角度对团队成员合理调配，最后每组选定组长，组长对全组承担监督、任务分配的职能。

2.3  建立团队间的交流机制

为了提高实验对学生知识理解、知识广度方面的促进作用，应在实验期间建立稳定的团队间交流机制，在团队交流期间，由各组分别阐述各自的设计方案，交流可能遇到的问题，共享已经查到的资料，从而使实验的效率大大提高。

2.4  实验结果考核

基于口袋实验室的实验教学模式，由于将实验的大部分时间交给了学生，学生的表现往往对教师来说是个盲区，从而对考核结果的公平合理性提出了挑战。在金陵科技学院基于口袋实验室的教学实践中，从时间上突出了阶段性考核的特点，从方式上突出了个人面试的特点。每组在实验之初就撰写详细的实验进度，将实验过程分为若干个阶段，教师平时不干预学生的实验，但在阶段时间节点，将专门组织时间检查学生阶段任务的完成情况。未能如期完成任务的团队，要求分析原因并在下一阶段有所改进。阶段任务如期完成情况占总评成绩的一部分。然后每个阶段组织小型面试，对每个团队成员进行随机问答，考察学生的知识掌握情况，并直接影响该成员的总评成绩。

3  口袋实验设备的选择

口袋实验设备的选择，应以体积小、功能全、操作方便、可扩展性强为主要原则。要求实验设备“体积小”，即要求设备能随身携带，甚至可以放在口袋中，这样才能满足学生有设计灵感和实验欲望时随时获取设备的要求。“功能全”的要求是指所选择的口袋式设备能提供丰富的软硬件资源，方便实验时的功能实现，这是口袋实验室实验效果得到保证的必然要求。“操作方便”是指口袋式设备的使用应简易可行，不需要太多的外接设备即可使用，只有这样才能满足口袋实验在任意场合都可实行的实际要求。“可扩展性强”是指由于口袋实验设备的体积小，所提供的功能不可能面面俱到，应根据具体实验要求扩展外部设备以便扩展实验功能，这个要求同样是为了保证口袋实验的实验质量。

以金陵科技学院为例，在实施电子类、物联网类等相关专业的口袋实验教学实践时选择用的口袋实验设备之一是DIGILENT公司的BASYS3板，如图1所示。该板体积小巧，板上核心芯片为XILINX公司的Artix7 FPGA，核心功能可编程。板上资源丰富、接口齐全，如表1所列。它所提供的PMOD接口能够连接从蓝牙收发器、无线收发器、红外收发器、GPS等各类外扩设备[8]，能够完成工业控制、物联网等众多功能，且使用时只需一根电源线与电脑相连即可。因此该板比较适合用于口袋实验设备。

图1  BASYS3口袋实验板资源图[9，10]

表1  BASYS3口袋实验板资源一览表

序号 资源 序号 资源

1 电源正常指示 9 FPGA配置复位

2 PMOD接口 10 编程模式选择

3 模拟信号接口 11 USB接口

4 4位数码管 12 VGA接口

5 拔动开关（16个） 13 UART/JTAG接口

6 发光二极管（16个） 14 外部电源

7 按钮（5个） 15 电源开关

8 FPGA编程指示 16 电源选择

4  结  语

基于口袋实验设备的实验教学模式，充分发挥设备易携带易操作且功能丰富的特点，使学生可以在任意场合任意时间，只要有实验欲望或创作灵感，均可进行实验，大大解决了实验室空间受限、时间有限等问题，金陵科技学院的教学实践结果表明，这种实验模式能显著提高学生的动手创新能力，对其他高校相关专业的教学实践有明显的借鉴意义。

参考文献

[1]赵娟.中国集成电路设计公司现状分析[J].集成电路应用，2015（3）：34-36.

[2]杨荣，陈丽红，冯黎.半导体制造设备进步支撑半导体产业持续发展[J].集成电路应用，2015（4）：28-31.

[3]黄盼.集成电路的现状及其发展趋势[J]. 品牌，2015（3）：166.

[4] Banqiu Wu. Next-generation lithography for 22 and 16 nm technology nodes and beyond[J]. Science China（Information Sciences），2011，54（5）：959-979.

[5] Xilinx将推出16nm的FPGA和SoC，融合存储器、3D-on-3D和多处理SoC技术[J]. 电子产品世界，2015（Z1）：65.

[6]薛士然. 16nm FinFET+技术带来FPGA的巨大变革[J].单片机与嵌入式系统应用，2015（4）：80.

[7] Xilinx Inc.Artix7 FPGA Product Brief[EB/OL].http：//www.xilinx.com/artix，2014

[8] Digilent Inc.Pmods Reference Manual[EB/OL].http：//www.digilentic.com，2015

[9] Digilent Inc.Basys3 FPGA Board Reference Manual[EB/OL].http：//www.digilentic.com，2014

[10]徐彬，詹华群. 基于Basys开发板的VGA显示控制设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（2）：42-45.