基于PocketLab? 口袋實(shí)驗(yàn)室的“電子線路”實(shí)驗(yàn)改革

王 蓉， 王 歡， 馮 軍， 黎 飛， 楊 非， 李連鳴

(東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

1 引言

隨著社會(huì)對(duì)學(xué)生素質(zhì)要求的提高，學(xué)生作為獨(dú)立個(gè)體，自主性增強(qiáng)，其多樣化和自主創(chuàng)新的需求隨之提升。同時(shí)，MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等全新的教學(xué)方式盛行，使得提高學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力變得越來(lái)越重要[1]。特別是對(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的課程體系，需要將實(shí)踐教學(xué)納入常態(tài)化教學(xué)體系，這樣才能極大地發(fā)揮理論和實(shí)踐教學(xué)的互相促進(jìn)作用，極大地提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力。

“電子線路”作為一門電子類的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容涵蓋了半導(dǎo)體器件、放大器分析與設(shè)計(jì)、頻響、反饋、集成運(yùn)放的應(yīng)用、功率電路以及振蕩器等多方面內(nèi)容[2～3]，知識(shí)點(diǎn)多，理論和實(shí)踐結(jié)合性要求高，工程應(yīng)用背景強(qiáng)。該課程的實(shí)驗(yàn)作為理論課的有效補(bǔ)充，不僅可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的消化和吸收能力，而且可以增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，提高分析和解決問(wèn)題能力。在目前該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，分析和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的比重較少，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和總結(jié)也不夠，知識(shí)的擴(kuò)展受限。另一方面，電學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量和調(diào)試離不開測(cè)量?jī)x器，但目前該課程實(shí)驗(yàn)手段對(duì)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間均提出了很大的限制，使得實(shí)驗(yàn)只能在確定的地點(diǎn)和規(guī)定的時(shí)間開展。針對(duì)以上問(wèn)題，我們將“電子線路基礎(chǔ)”課程和“電子線路實(shí)驗(yàn)”課程綜合考慮，統(tǒng)籌安排，為每位學(xué)生建立PocketLab?便攜式口袋實(shí)驗(yàn)室，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、授課方式、實(shí)驗(yàn)方式和考核方式上進(jìn)行了全面改革。

1 授課方式改革

為了讓學(xué)生能隨時(shí)隨地開展自主性實(shí)驗(yàn)研究，我們?yōu)槊课粚W(xué)生構(gòu)建了基于Multisim仿真軟件平臺(tái)和Pocketlab便攜硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一體化授課平臺(tái)，這是一個(gè)以學(xué)生為本，使每個(gè)學(xué)生都獨(dú)立擁有的口袋實(shí)驗(yàn)室，以此改善實(shí)驗(yàn)靈活性，拓展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間，實(shí)現(xiàn)學(xué)生隨時(shí)隨地、隨具體學(xué)習(xí)、隨創(chuàng)新需求開展實(shí)驗(yàn)。這個(gè)便攜式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 便攜式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

理論課教師同時(shí)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，充分發(fā)揮他們的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)課程體系重點(diǎn)難點(diǎn)的把握能力，授課形式上更為靈活。授課教師根據(jù)理論課進(jìn)度，合理安排實(shí)驗(yàn)課進(jìn)度，使學(xué)生及時(shí)消化知識(shí)，開展創(chuàng)新活動(dòng)。理論課上，授課教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度，充分調(diào)動(dòng)教學(xué)手段和資源，采用仿真實(shí)驗(yàn)演示、口袋實(shí)驗(yàn)室、學(xué)生自主動(dòng)手仿真或測(cè)試等，寓實(shí)踐與理論，加強(qiáng)教學(xué)效果。完全驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生在某個(gè)時(shí)限內(nèi)，自由安排時(shí)間，完成對(duì)理論課學(xué)習(xí)的反哺；實(shí)驗(yàn)課上，教師則把重點(diǎn)放在開展研究性，探討性為主的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的引導(dǎo)上，引導(dǎo)學(xué)生完成自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和測(cè)試，并開展有益的問(wèn)題探索，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新機(jī)制教學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，最大限度發(fā)揮配置的口袋實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上，我們也做了積極的改革；既要訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，幫助他們理解電子線路知識(shí)，又要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，促使學(xué)生從活學(xué)到活用的轉(zhuǎn)變。因此，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上，我們充分兼顧驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在消化知識(shí)的基礎(chǔ)上，提高應(yīng)用知識(shí)于實(shí)踐的能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充分反映理論教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)“電子線路”理論課內(nèi)容實(shí)現(xiàn)全覆蓋，包括二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等器件特性，單級(jí)和多級(jí)放大器、頻率響應(yīng)、反饋、補(bǔ)償、運(yùn)放、功率放大器和振蕩器等十個(gè)實(shí)驗(yàn)[4]。每個(gè)實(shí)驗(yàn)我們都安排了“背景知識(shí)回顧”和“背景知識(shí)小考察”，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的掌握、復(fù)習(xí)和運(yùn)用，“一起做仿真”注重仿真工具的使用和仿真方法的培養(yǎng)；“動(dòng)手搭硬件”注重硬件搭試和測(cè)試分析能力的提升；“設(shè)計(jì)大挑戰(zhàn)”給出設(shè)計(jì)類題目，“研究與發(fā)現(xiàn)”提出探索性問(wèn)題，注重培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的素養(yǎng)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)中配有大量的思考題，啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行思考，并鼓勵(lì)對(duì)思考結(jié)果進(jìn)行理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證。

對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)統(tǒng)籌規(guī)劃，基于Multisim仿真平臺(tái)和Pocketlab口袋實(shí)驗(yàn)室的硬件平臺(tái)，將理論計(jì)算，軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)貫穿每個(gè)實(shí)驗(yàn)。這三個(gè)環(huán)節(jié)也是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的主要三個(gè)階段：①理論分析和計(jì)算是設(shè)計(jì)、測(cè)試的基礎(chǔ)；②利用EDA軟件工具針對(duì)分析或設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)和分析的正確性；③硬件實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，并分析測(cè)試結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)課程體系教學(xué)模式如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不應(yīng)局限于實(shí)驗(yàn)課要求的內(nèi)容。鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)理論課上不懂的內(nèi)容，可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，隨時(shí)隨地進(jìn)行驗(yàn)證；如對(duì)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽或其他電子設(shè)計(jì)感興趣的學(xué)生，可以采用口袋實(shí)驗(yàn)室，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)系統(tǒng)和電路，進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和硬件測(cè)試驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)考核方式的改革

口袋實(shí)驗(yàn)室可以極大的擴(kuò)展學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間維度，給了學(xué)生足夠的實(shí)驗(yàn)自由度和自主創(chuàng)新實(shí)踐的空間，但同時(shí)也需要防范部分學(xué)生抄襲或懶做現(xiàn)象。因此，我們?cè)诳己朔绞缴线M(jìn)行了改革。考核既重視過(guò)程性，也重視最終期末考核；既重視學(xué)生報(bào)告撰寫能力，也重視學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力；既重視學(xué)生理論分析能力，也重視學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和設(shè)計(jì)能力。在此宗旨上，我們將學(xué)生的考核成績(jī)劃分為三個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收和現(xiàn)場(chǎng)考試。

學(xué)生平時(shí)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告占比20%。每個(gè)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生完成統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中需要提交相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理論分析、仿真結(jié)果、硬件照片、硬件測(cè)試波形和思考題解答。所有報(bào)告均以電子版形式提交。教師通過(guò)電子文稿的比對(duì)，盡可能減少抄襲可能性。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收環(huán)節(jié)占比30%。采取抽查方式，隨堂隨機(jī)抽取學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收。要求學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)演示仿真結(jié)果和硬件測(cè)試結(jié)果，并針對(duì)該實(shí)驗(yàn)提出若干問(wèn)題，要求學(xué)生當(dāng)場(chǎng)回答并打分。這樣，一方面可以了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，另一方面，可以通過(guò)和學(xué)生的問(wèn)題交流，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知。

學(xué)期結(jié)束時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考試，占比50%。在統(tǒng)一的考試時(shí)間內(nèi)，給出實(shí)驗(yàn)考試題目和具體設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)限時(shí)完成電路設(shè)計(jì)、軟件仿真和硬件調(diào)試，并現(xiàn)場(chǎng)打分?？荚囶}目為平時(shí)實(shí)驗(yàn)的綜合，每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)指標(biāo)略有不同，并且完成時(shí)間也是考核的一部分，鼓勵(lì)學(xué)生抓緊時(shí)間，開動(dòng)腦筋，完成設(shè)計(jì)和調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)考試照片如圖3所示。

4 改革成果

通過(guò)理論學(xué)習(xí)和軟件仿真，學(xué)生對(duì)電子線路知識(shí)有了深入的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上再通過(guò)實(shí)際的硬件實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，并形成結(jié)論，既加深了對(duì)理論知識(shí)和實(shí)際硬件系統(tǒng)的認(rèn)知，又培養(yǎng)了動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。為了拓展學(xué)生能力，我們還給出思考題，讓學(xué)生提出自己的實(shí)驗(yàn)方案，并通過(guò)Multisim軟件和口袋實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證，培養(yǎng)了他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)考試照片

“電子線路”的實(shí)驗(yàn)改革，也對(duì)學(xué)生的“電子線路”理論課學(xué)習(xí)起到了促進(jìn)作用?！半娮泳€路”實(shí)驗(yàn)改革后，理論課考試成績(jī)優(yōu)秀率顯著上升，不及格率略有下降。分析后發(fā)現(xiàn)，改革對(duì)于原本處于中等偏上和中等的學(xué)生幫助最大，改進(jìn)的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法，使他們對(duì)知識(shí)掌握的更牢固，應(yīng)用更靈活，導(dǎo)致優(yōu)秀率大幅度上升。對(duì)學(xué)習(xí)困難的學(xué)生也有一定的幫助，不及格率有所下降。

5 結(jié)語(yǔ)

“電子線路”實(shí)驗(yàn)課程改革以建立學(xué)生人手擁有自主口袋實(shí)驗(yàn)室為目標(biāo)，讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)打破時(shí)間空間局限性，做到可以隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖椤袄碚撚?jì)算 + Multisim仿真 + 口袋實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證”，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容突出設(shè)計(jì)與思考。課程改革后，對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)掌握，動(dòng)手能力培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐探索能力都起到了積極作用。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酵瑫r(shí)可推廣到“電路分析”和“數(shù)字電路”等一系列電類課程。