独立院校“口袋实验室”建设与教学改革

谭贵生 石宜金 冯微玮 张桂莲 张滢

摘  要：针对应用型独立院校的特点和电子信息工程的现状，需要提高学生的实验能力和创新能力。目前，实验课程存在实验课时不足，训练强度不够等问题，提出一种基于“口袋实验室”的教学模式。文章包括实验室的建设和管理;教学培养方案;以驱动项目的教学改革和全方位鼓励学生参加竞赛活动。实践证明教学改革能提高学生的综合运用能力、实践能力和创新能力;该模式为其他高校相关专业的改革，提供借鉴价值和参考意义。

关键词：口袋实验室;实验教学改革;能力培养;独立院校

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）33-0153-04

Abstract： In order to improve students' experimental ability and innovation ability according to the characteristics of applied independent colleges and the status of electronic information engineering. There are some problems in the experimental course， such as insufficient experiment lesson and insufficient training intensity. We presented a method based on pocket labs. This article introduced laboratory construction and management， teaching training scheme， project teaching and compete in a contest. We have achieved good results on the cultivation of students' comprehensive capacity， practical， innovation ability and significance of other college.

Keywords： pocket labs; experiment teaching reform; ability raise; independent college

随着电子技术的发展需求和国家对高等人才的更高要求，因而，如何保证教学实验，培养具有实践和创新能力人才，需要对教学模式和方法改革，建立合理教学体系，是应用型独立院校的基本发展，也是提高大学课程的深化改革，提高教学质量的关键[1-2]。对电子信息类专业学生提高理论知识和综合能力、创新能力的培养的教学改革势在必行[3]。

基于以上分析，本文提出“口袋实验室”的教学建设与改革，首先能解决传统实验室中带来的弊端，其次给学生更大的灵活性，让学生有充分的想象力和创新能力;最后培养学生的自主学习能力和动手实践能力。通过新的教学改革，可以为本科毕业设计、大学生电子设计大奖提供服务。

一、电子专业传统实验教学模式的弊端

全国开设电子信息类专业高等院校约500所，但绝大部分院校是用实验箱教学，从教学实践活动中发现，实验内容陈旧、教学形式单一和教学手段落后，与国家提出来的教育方针差距大[4-6]。传统教学存在的弊端有以下三个方面：

（一）实验内容和设备陈旧

实验课程教学中，绝大部分院校都是应用实验箱為主，实验箱的集成度高，实现的功能很丰富，但同学很难搞懂实验的原理，学生只有按照实验说明书给定参数或者教师预先设计好的实验步骤完成实验，不具备学生自主设计性实验。另外实验箱都是集成模块，如果保护不好，实验箱都会遭到不同程度的损坏，严重影响教学。

（二）教学形式单一

教学仪器是教学的必要手段，实验设备属于精密仪器，比较贵重，保管就尤为重要;还有实验班级较多，往往连续几天安排实验课程，绝对不会让学生把设备带走或者外借;显然这种实验的教学形式不利于培养学生的创新能力和实践能力。

（三）教学手段落后

目前，教学方法都是填鸭式教学，老师给学生的知识已经定论，学生很难发现问题和研究问题。传统的教学，严重影响学生的实验能力和创新能力，为了解决这些问题，引入“口袋实验室”的教学改革，这是一个很好解决方案。

二、口袋实验室建设与管理

（一）口袋实验室简介

口袋实验室PL（Pocket Labs）最早是由美国斯坦福大学Clifton Roozeboom博士提出的，随后，英国的德蒙福特大学设计一款以FPGA/ARM为核心的开发板，供学生实验和项目开发使用[7]。近几年，由美国德州仪器（TI）和赛灵思（Xilinx）中国大学计划项目引入中国，国内最早由哈尔滨工程大学、东南大学等引进口袋实验室，提出一种新的教学模式。目前，集成芯片的快速发展为口袋实验室提供优越条件，如XILINX推出的Artix-7 FPGA集成芯片，包括33280个逻辑门，5200个逻辑区域，1800Kb的快速ARM，还有5个时钟管理模板和90个DSP区，组成一个完整的集成系统[8-9]。口袋实验室具有“小身材，大能量，开源性”的优点，方便学生二次开发，无论何时何地，学生都可以实验和二次开发，增强学生积极性和创新性。

（二）实验室的建立

从传统实验室到开发性实验室，弥补传统实验的不足，我校准备新建口袋实验室，根据电子信息工程专业和物联网专业，购买100套单片机最小系统的开发板， FPGA和DSP开发板各50套，不同的类型、型号的传感器与控制模块;包括单片机，触摸屏，红外避障，振动传感器，脉搏传感器，继电器，WiFi模块和3G模块等。新实验室不能缺少电脑、直流可编程电源、数字信号发生器、数字万用表等常规设备，这些设备传统实验室已经有，可以直接使用。口袋实验室中的套件样式多，覆盖面广，可以包括电子信息工程专业的所有核心课程实验，如模拟电路，数字电路，单片机，FPGA/CPLD等多个方面，应用相关实验设备可以帮助学生掌握专业技能，支持学生进行创作各类新作品。

（三）实验室管理制度

为了充分发挥实验室的作用和意义，让全校师生共同受益，实现全开放、全共享的创新实验室，制定实验室管理办法，借鉴清华大学，西南交通大学，哈尔滨工程大学的实验室管理办法[10-11]，提出“图书式”管理理念，保证口袋实验室的集中管理与资源共享，有助于新的理念更好实施。根据图书馆的信息管理系统，学生和教师可以凭有效证件，对口袋实验资源的借用、归还、预约、续借、罚款等管理功能。建立一个全开放、全共享实验资源平台，有助于新的教学理念更好实施，让学生最大限度地利用实验资源和最大的自由空间。

三、口袋实验室的教学改革

口袋实验室给学生更大的灵活性，让学生有充分的想象力和创新能力;最后培养学生的自主学习能力和动手实践能力，如何保证教学秩序和教学改革成果，提出以下几个方面：

（一）培养方案

全方位的教学培养计划和方案，把握专业发展理念，将专业教育的工作贯穿整个教学计划，才能使全新口袋实验发挥最大作用。

1. 专业意识

新生入学时进行专业教育，讲解电子信息工程专业的前景和未来，让学生充分了解自己毕业和就业前景，提高专业意识和专业技能。先给每位新生发一套口袋实验室，然后给出一些小课题或者题目，让学生自己琢磨，查找资料，自学相关课程，给以后的课程打下基础，极大的提高学习积极性和创新性。通过实验过程中，慢慢的培养学生的专业基础和专业意识，帮助学生的就业和创业。

2. 选题

口袋实验室的题目选择，要保证题目的难易程度，为了能够充分锻炼学生的学习能力、创新能力和合作能力，防止学生抄袭别人的内容，独立或者团队完成实验设计，才能达到培养方案和培养目标。选题尤为重要，要遵循以下三个特点[9]：

（1）工程性

电子信息工程专业属于工程专业，一定要培养学生的工程能力，在教学实验环节必不可少的，选题必须具有工程性特点。

（2）挑战性

题目不能让学生轻易完成，如果太简单，就不能达到培养目标，所以题目需要一定的挑战性。挑战性需要学生不断的努力学生，查找相关书籍，收集文献资料，设计实验的步骤，还要小组的讨论、论证，提出可行方案，进行验证。

（3）自主性

口袋实验室具有“小身材，大能量，开源性”的优点，方便学生二次开发，具有优越的条件，完成课题没有具体时间、地点的要求，学生可以利用课余时间进行项目设计和实现;需要学生的自主学习能力，不能缺少自主性。课余时间进行实验时，教师指导次数是有限的，全靠学生自己完成课题。

3. 团队合作与交流平台

从传统的教学模式到新的教学模式，绝大部分脱离教师的视线，保证教学秩序，必须要进行监督，最有效的办法就是组队，2-3人一组，就形成一个团队，团队也能提高合作意识。团队的成员互补，包括特长、学习能力、完成实验的态度，能够达到共同学习，共同进步。

4. 教学评价体系

实验考核是实验教学的重要环节，也是检验学生对知识掌握程度、动手能力、查阅文献能力以及思维和表达能力等。建立公平公正合理的教学评价体系起到关键性作用。因此，在实验考核中，采取措施：从阶段考核、面试环节，实验文档设计和自评与互评等方面来考核学生的能力。

（1）阶段考核

从选题到实验设计过程中，为了更好的把握学生设计进度，将实验过程分成若干个阶段，老师不做任何干扰，只是在每个阶段时间点，进行考核，给出成绩。

（2）面试环节

通过阶段检查和最终答辩，对组员随机问答，考察学生对课题知识掌握程度，给出相应的成績。阶段考核中，增加试验讨论环节，让成员拿出自己的思路方案，进行讨论给出综合设计方案，老师能了解各位同学的知识结构和设计能力。

（3）实验文档设计

实验文档是实验重要的组成部分，设计好的试验文档，有助于学生了解实验目的和实验原理和方法，锻炼语言表达能力，提高逻辑条理性。

（4）自我评价和同学评价

单独教师评价不够全面，让学生自我评价和同学相互评价，更能反映团队的合作精神、每个学生知识的结构、努力程度，综合评价才能显示成绩的公平性。

5. 师资培养

在独立学院，师资比较薄弱，培养更好、更强的师资团队，请有经验的专家或者教授进行指导;也可以联合校企合作单位，引进工程师，能够提高教师的教学能力和科研能力。

（二）基于驱动项目的教学模式

口袋实验室在高校中应用广泛，但是没有一套完整的理论体系和实验方法，本文提出基于驱动项目的实验教学，逐渐完善一套实验体系。电子信息工程专业绝大部分课程都是要离不开实验，基于项目驱动教学，尽量把理论教学安排实验室进行，让学生可以理论与实际相结合，能提高教学的效率。

1. 口袋实验室教学中的应用

以工程实际能力和创新实践为导向，项目驱动的教学，培养学生工程思维及工程创新能力。基于项目驱动为主线设计，通过查阅文献和实验资料，再根据课程标准，设计出相关课程的工程项目。在FPGA可编程逻辑器件，组合逻辑电路，单片机，嵌入式系统设计等课程中，进行验证实验和设计实验。教学过程中，教师引导学生通过项目设计，培养学生的创新能力和动手能力。

2. 单片机口袋实验的应用

单片机是电子信息工程最重要专业课之一，课程主要是理论与实践相结合，利用项目驱动方法可以改善单片机实践效果，提高学生的思维能力和动手能力。传统单片机实验课程比较局限，单片机口袋实验室的设计可以大大改善现状。首先，衔接理论与实验教学;其次，提高实验的扩展性;最后，做好实验的时间和空间，才能保证实验成效。

单片机的口袋实验室的设计，在核心模块加上基础模块实现的。核心模块包括STC51单片机最小系统和仿真下载电路。基础模块包括蜂蜜器、6位数码管、字库芯片（SPI接口）、热敏电阻、光敏电阻、RS485接口等，能完成定时器、数码管、SPI通信、光强检测、RS485串口等基础实验。拓展实验完成毕业设计，课程设计以及国家级比赛，拓展模块设计避障小车、温度控制器和FPGA的数字示波器等，通过口袋实验室所具备的基础功能和拓展功能的组合，可以在单片机教学中，设计出一套完整的理论体系和实验方法。