基于PocketLab® 口袋实验室的“电子线路”实验改革

王 蓉， 王 欢， 冯 军， 黎 飞， 杨 非， 李连鸣

(东南大学 信息科学与工程学院， 江苏 南京 210096)

1 引言

随着社会对学生素质要求的提高，学生作为独立个体，自主性增强，其多样化和自主创新的需求随之提升。同时，MOOC、翻转课堂等全新的教学方式盛行，使得提高学生的分析、设计能力和独立解决问题的能力变得越来越重要[1]。特别是对于实践性较强的课程体系，需要将实践教学纳入常态化教学体系，这样才能极大地发挥理论和实践教学的互相促进作用，极大地提升学生的动手实践能力和解决问题的能力。

“电子线路”作为一门电子类的专业基础课，内容涵盖了半导体器件、放大器分析与设计、频响、反馈、集成运放的应用、功率电路以及振荡器等多方面内容[2～3]，知识点多，理论和实践结合性要求高，工程应用背景强。该课程的实验作为理论课的有效补充，不仅可以加强学生对理论知识的消化和吸收能力，而且可以增强学生动手实践和创新能力，提高分析和解决问题能力。在目前该课程的实验教学中，分析和设计环节的比重较少，对于实验结果分析和总结也不够，知识的扩展受限。另一方面，电学实验的测量和调试离不开测量仪器，但目前该课程实验手段对实验地点和时间均提出了很大的限制，使得实验只能在确定的地点和规定的时间开展。针对以上问题，我们将“电子线路基础”课程和“电子线路实验”课程综合考虑，统筹安排，为每位学生建立PocketLab®便携式口袋实验室，从实验内容、授课方式、实验方式和考核方式上进行了全面改革。

1 授课方式改革

为了让学生能随时随地开展自主性实验研究，我们为每位学生构建了基于Multisim仿真软件平台和Pocketlab便携硬件实验平台的一体化授课平台，这是一个以学生为本，使每个学生都独立拥有的口袋实验室，以此改善实验灵活性，拓展学生的实验时间和空间，实现学生随时随地、随具体学习、随创新需求开展实验。这个便携式实验平台如图1所示。

图1 便携式实验平台

理论课教师同时负责实验课教学，充分发挥他们的教学经验和对课程体系重点难点的把握能力，授课形式上更为灵活。授课教师根据理论课进度，合理安排实验课进度，使学生及时消化知识，开展创新活动。理论课上，授课教师可以根据教学内容和进度，充分调动教学手段和资源，采用仿真实验演示、口袋实验室、学生自主动手仿真或测试等，寓实践与理论，加强教学效果。完全验证性实验由学生在某个时限内，自由安排时间，完成对理论课学习的反哺；实验课上，教师则把重点放在开展研究性，探讨性为主的创新设计的引导上，引导学生完成自主设计性实验的设计和测试，并开展有益的问题探索，实现创新机制教学。

2 实验内容改革

为了充分调动学生的积极性，最大限度发挥配置的口袋实验室的优势，在实验教学内容上，我们也做了积极的改革；既要训练学生的动手能力，帮助他们理解电子线路知识，又要培养学生的创新精神，促使学生从活学到活用的转变。因此，在每个实验内容的设置上，我们充分兼顾验证性实验和设计性实验的比例，发挥学生的主观能动性，在消化知识的基础上，提高应用知识于实践的能力。实验内容充分反映理论教学中的重点和难点，对“电子线路”理论课内容实现全覆盖，包括二极管、三极管、场效应管等器件特性，单级和多级放大器、频率响应、反馈、补偿、运放、功率放大器和振荡器等十个实验[4]。每个实验我们都安排了“背景知识回顾”和“背景知识小考察”，以培养学生对所学理论知识的掌握、复习和运用，“一起做仿真”注重仿真工具的使用和仿真方法的培养；“动手搭硬件”注重硬件搭试和测试分析能力的提升；“设计大挑战”给出设计类题目，“研究与发现”提出探索性问题，注重培养学生在实践中发现问题和解决问题的素养训练。实验中配有大量的思考题，启发学生对实验现象进行思考，并鼓励对思考结果进行理论分析和实践验证。

对实验环节统筹规划，基于Multisim仿真平台和Pocketlab口袋实验室的硬件平台，将理论计算，软件仿真和硬件实验三个环节贯穿每个实验。这三个环节也是现代电子设计的主要三个阶段：①理论分析和计算是设计、测试的基础；②利用EDA软件工具针对分析或设计的电路进行仿真，验证设计和分析的正确性；③硬件实现和测试，并分析测试结果。

实验课程体系教学模式如图2所示。

图2 实验课程教学模式

实验内容不应局限于实验课要求的内容。鼓励学生对理论课上不懂的内容，可以自行设计实验，随时随地进行验证；如对电子设计竞赛或其他电子设计感兴趣的学生，可以采用口袋实验室，自己动手设计系统和电路，进行设计、仿真和硬件测试验证。

3 实验考核方式的改革

口袋实验室可以极大的扩展学生做实验的时间和空间维度，给了学生足够的实验自由度和自主创新实践的空间，但同时也需要防范部分学生抄袭或懒做现象。因此，我们在考核方式上进行了改革。考核既重视过程性，也重视最终期末考核；既重视学生报告撰写能力，也重视学生语言表达能力；既重视学生理论分析能力，也重视学生动手实践和设计能力。在此宗旨上，我们将学生的考核成绩划分为三个部分：实验报告、实验验收和现场考试。

学生平时的实验报告占比20%。每个实验要求学生完成统一的实验报告，报告中需要提交相应实验的理论分析、仿真结果、硬件照片、硬件测试波形和思考题解答。所有报告均以电子版形式提交。教师通过电子文稿的比对，尽可能减少抄袭可能性。

实验验收环节占比30%。采取抽查方式，随堂随机抽取学生进行实验验收。要求学生现场演示仿真结果和硬件测试结果，并针对该实验提出若干问题，要求学生当场回答并打分。这样，一方面可以了解学生的实验情况，另一方面，可以通过和学生的问题交流，进一步加强学生对实验的认知。

学期结束时，进行现场考试，占比50%。在统一的考试时间内，给出实验考试题目和具体设计要求，现场限时完成电路设计、软件仿真和硬件调试，并现场打分。考试题目为平时实验的综合，每个学生的设计指标略有不同，并且完成时间也是考核的一部分，鼓励学生抓紧时间，开动脑筋，完成设计和调试。现场考试照片如图3所示。

4 改革成果

通过理论学习和软件仿真，学生对电子线路知识有了深入的认识，在此基础上再通过实际的硬件实验来验证对所学知识的理解，并形成结论，既加深了对理论知识和实际硬件系统的认知，又培养了动手能力，实现理论和实践的有机结合。为了拓展学生能力，我们还给出思考题，让学生提出自己的实验方案，并通过Multisim软件和口袋实验室进行验证，培养了他们通过实验实践来发现问题、分析问题和解决问题的能力。

图3 现场考试照片

“电子线路”的实验改革，也对学生的“电子线路”理论课学习起到了促进作用。“电子线路”实验改革后，理论课考试成绩优秀率显著上升，不及格率略有下降。分析后发现，改革对于原本处于中等偏上和中等的学生帮助最大，改进的教学和学习方法，使他们对知识掌握的更牢固，应用更灵活，导致优秀率大幅度上升。对学习困难的学生也有一定的帮助，不及格率有所下降。

5 结语

“电子线路”实验课程改革以建立学生人手拥有自主口袋实验室为目标，让学生实验打破时间空间局限性，做到可以随时随地做实验。实验模式为“理论计算 + Multisim仿真 + 口袋实验室测试验证”，实验内容突出设计与思考。课程改革后，对学生的理论知识掌握，动手能力培养和实验实践探索能力都起到了积极作用。该实验模式同时可推广到“电路分析”和“数字电路”等一系列电类课程。