“口袋实验室”支持的理实一体化教学模式研究

华春梅

（渤海船舶职业学院，辽宁 兴城125105）

0 引言

为了提高电子信息类专业学生的工程实践能力与创新能力，电气工程系拟在教学中引入“口袋实验室”，进一步丰富理实一体化教学模式。该模式突破了传统实验室场地限制以及开放时间的局限性，使学生能够利用业余时间，在寝室等实验室之外的其他场所进行实训；除此之外，学生还可以根据自己的兴趣自行开展设计开发试验，使学生在实践中不是单纯地完成任务，而是能够根据所学的知识开展创新研究等多种项目，从而提高学生工程实践等综合运用能力[1]。

1 电子类专业课教学进行理实一体化教学模式改革的必要性

以嵌入式系统为例，因其智能化、控制灵活、互联性等特点，在工业控制以及智能制造领域得到了广泛应用。基本的系统设计、开发和调试方法等是电子信息类专业学生应该掌握的嵌入式系统基本技能，是电气工程系智能控制技术、电气自动化技术、应用电子技术、电子信息工程技术等电子类、控制类专业的基础。我们以先修课程C 语言程序设计、数字电路和单片机等课程为基础，设置了“嵌入式操作系统”课程作为专业课。根据工程实践性强的课程特点，教学中更需要通过恰当的实训平台，应用理实一体化教学模式，将嵌入式系统的理论知识和实训环节有机结合，增强学生创新意识和实践动手能力的培养。而传统教学模式中，较常见的都是通过教师的讲解、演示，再由学生模仿这种方式使学生掌握知识，大部分课程实际情况仍然是将实践教学视为理论课程的辅助工具，这使得学生在学习过程中的自主学习能力、动手实践能力及创新能力得不到锻炼。所以，应加强理实一体化教学模式改革，达到学生理论与实践创新能力的融合。

2 “口袋实验室” 理实一体化教学模式的优势

传统教学模式阻碍了学生工程实践能力、自主学习能力的提高和创新的意识的培养。引入“口袋实验室”将会是一个很好的解决方案。

“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。“口袋实验室”理实一体化教学模式是指将实验设备小型化，便于携带，允许学生自由选择时间地点进行独立实验[2-3]。目前“口袋实验室”在电子信息以及计算、控制类专业中应用也很广泛。“口袋实验室”在“教、学、做”一体化教学模式改革、提高试验效果、增强学习兴趣、锻炼学生动手能力、自主开发等方面有着比以往实验教学模式更大的优势，同时对教师的理论知识更新也提出了新的要求。对于电气工程系来说，特别适合于各专业通用的自动控制原理、嵌入式操作系统、单片机原理与实践、无线网络传感器系统、C 语言程序设计等专业基础课以及专业课程的教学。

将“口袋实验室”引入教学，很好地解决了学生业余时间需要和实验室的运行机制限制问题。“口袋实验室”的小型方便以及可扩展性强的特点，可以使学生用课下业余时间，在寝室中进行实验。帮助学生快速熟悉工程项目的开发流程，迅速进入工程角色，能够充分激发学生的自主学习、实验欲望和创作灵感，提高学生的创新创造力，增强团队协作精神，促进相互交流，为培养一流人才奠定了基础。

3 实施 “口袋实验室” 理实一体化教学模式的思路

实施“口袋实验室”理实一体化教学模式要从以下几个方面进行研究设计：

“口袋实验室”的引入目的是提高学生课余时间的利用率，拓展实验场所。主要的实验项目是由学生独立在课下完成的，教师上课时负责考核、纠错。这样就大大提高了课堂效率，同时对学生的实践能力和创新思维将会有很大锻炼。

首先，要注意选择贴近工程实践、具有一定的挑战性，而且在经过学生努力后还能够实现的实验项目。这样能做到与现实工程接轨、训练学生创新思维、锻炼自主学习能力。

其次，在这种教学模式实施过程中，要注意对学生的组织，建立团队，建立交流平台，规范对实验结果的考核。对于实验结果考核将是最具有挑战性的，由于“口袋实验室”的引入，整个实验过程大部分时间由学生业余时间独立完成，使得教师对于学生的表现无法直接掌握。这就要求教师对整个实验过程进行重新设计。一是实验开始之前指导教师指导学生设计出实验的计划书，按照设定的计划按步骤进行实验，教师通过多种渠道完成，例如微信、QQ，或者通过专门的网站跟进指导；二是突出阶段性考核的特点，突出个人面试的特点。教师平时不干预学生的实验，但在阶段节点，检查学生阶段任务的完成情况[4]。

4 电气工程系 “口袋实验室” 配置方案

基于口袋实验设备的理实一体化教学模式，要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、时间均可进行实验，大大解决了实验室空间、时间受限等问题。这种教学模式能显著提高学生的动手创新能力，对理实一体化教学实践有明显的促进作用。

综合实验平台针对MSP430 单片机原理与实践、传感器原理与应用、无线传感器网络原理与实践、自动控制原理等课程的实验教学，同时兼顾学生课外口袋式实验和电子设计竞赛的需求。在设计时，通过优化布局布线将MSP430 单片机主板尺寸控制在100 mm*160 mm 以内、CC2530 的主板控制在80 mm*120 mm 以内、传感器母板60 mm*100 mm 以内，如图1 所示。

图1 口袋实验板

这样，学生既可以自己展开课外实验，达到“口袋实验室”的效果，也可以将该实验板直接用于电子竞赛和课外科技活动中去。不同课程可选择不同的配置，譬如MSP430 单片机原理与实践课程仅选择MSP430 单片机主板即可；如果要学习传感器课程，再选配相关传感器模块即可；如果开设无线传感器网络原理与实践课程，选择MSP430 单片机主板（或者CC2530 主板）、CC2530核心板和传感器母板即可；如果涉及传感器的话，选择配相关传感器模块即可。

4.1 面向控制类MSP430 单片机实践平台

单片机（MCU） 是智能控制、仪器仪表、电子通信等专业的必修专业课程，在掌握一款单片机的基础上，可以进一步学习和掌握嵌入式操作系统、控制器设计、无线传感器网络（WSNs） MCU 的协议栈（Z-Stack）；可为相关专业实践课程打下基础；可完成单片机实验、嵌入式系统实验（uC/OS-II 或FreeRTOS）。单片机口袋板可完成如下实验：输入/ 输出I/O 口控制实验、定时器实验、异步串口通信实验、PWM 输出实验、按键中断实验、A/D 实验、D/A 实验、RTC 输出显示实验、七段数码管显示实验、LCD12864 显示实验、I2C 双机通信实验、I2C 读写EEPROM 实验、SPI 读写SD 卡验、USB 实验、FAT 文件系统实验、uC/OS-II 移植实验、FreeRTOS 移植实验、TI SYS/BIOS 实验。

其中，前5 个为基本入门实验，教师可手把手指导学生入门，让学生初步掌握MCU 内部原理和程序设计方法，掌握了这几个实验之后，可为后续控制原理实践课打下基础（定时器用来设置控制周期，PWM 用来控制量的输出，串口/IO 口/按键用来人机交互）；6～13 个实验为提高性实验，可根据实际情况进行选择；14～18 个实验为选做性实验。

uC/OS-II 移植实验和FreeRTOS 移植实验可进行扩展完成嵌入式操作系统课程的实践课，具体如下：uC/OS-II操作系统移植实验、任务控制LED 灯实验、任务控制串口输出实验、信号量按键实验、邮箱按键实验。

其中，任务、信号量和邮箱是嵌入式系统的基本概念，通过上述实验可让学生有所了解。

4.2 面向物联网的Zigbee 实践平台（配有多种传感器）

可选配相关传感器完成传感器原理与实践课程实验、无线传感器网络实验。

无线传感器网络口袋板（CC2530 主板） 可完成如下实验：输入/输出I/O 口控制实验、定时器实验、异步串口通信实验、PWM 输出实验、按键中断实验、AD 实验、LCD12864 显示实验、Z-Stack 协议栈。

CC2530 的内核为8051 单片机，外加无线收发器和Z-Stack 协议栈，这样可实现丰富的物联网应用。上述实验为CC2530 的8051 内核实验，熟悉这几个实验后，可为无线网络课程实践打下基础。

无线传感器网络口袋板（CC2530 主板） +无线传感器节点，可完成相关实验，具体可选配的节点如下：直流电机节点模块、步进电机节点模块、温湿度传感器节点模块（模拟和数字两类传感器）、光照度采集节点传感器模块、烟雾、火焰探测节点模块、MQ2 气体检测节点模块、热释电红外传感器节点模块、RFID 读卡器节点模块、振动检测节点模块、声音探测节点模块。可完成的实验如下：Zigbee 组包发送实验、Zigbee 地址与参数实验、点对点通信实验、简单拓扑网络实验、广播通信实验、指定路由多跳网络的实验、动态自组网实验、简单的泛洪协议的多跳路由网络的实验、Zigbee 嗅探器实验、Zigbee 动态接入实验、Zigbee 多跳传输实验、射频信号强度实验。其中前5 个为基本实验。

5 结论

建设“口袋实验室”硬件设施，可进一步丰富学校自主学习资源，推动学校打造自主学习实践平台；依托“口袋实验室”，实施理实一体化教学模式，学生可以进一步学习和掌握嵌入式操作系统、控制器设计、无线传感器网络（WSNs） MCU 的协议栈（Z-Stack），为相关专业实践课程打下基础；教师可深入研究自主教学模式改革，推进混合式理实一体化教学模式建设。