“口袋實驗室”支持的理實一體化教學(xué)模式研究

華春梅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 興城125105）

0 引言

為了提高電子信息類專業(yè)學(xué)生的工程實踐能力與創(chuàng)新能力，電氣工程系擬在教學(xué)中引入“口袋實驗室”，進(jìn)一步豐富理實一體化教學(xué)模式。該模式突破了傳統(tǒng)實驗室場地限制以及開放時間的局限性，使學(xué)生能夠利用業(yè)余時間，在寢室等實驗室之外的其他場所進(jìn)行實訓(xùn)；除此之外，學(xué)生還可以根據(jù)自己的興趣自行開展設(shè)計開發(fā)試驗，使學(xué)生在實踐中不是單純地完成任務(wù)，而是能夠根據(jù)所學(xué)的知識開展創(chuàng)新研究等多種項目，從而提高學(xué)生工程實踐等綜合運用能力[1]。

1 電子類專業(yè)課教學(xué)進(jìn)行理實一體化教學(xué)模式改革的必要性

以嵌入式系統(tǒng)為例，因其智能化、控制靈活、互聯(lián)性等特點，在工業(yè)控制以及智能制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。基本的系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和調(diào)試方法等是電子信息類專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的嵌入式系統(tǒng)基本技能，是電氣工程系智能控制技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、電子信息工程技術(shù)等電子類、控制類專業(yè)的基礎(chǔ)。我們以先修課程C 語言程序設(shè)計、數(shù)字電路和單片機(jī)等課程為基礎(chǔ)，設(shè)置了“嵌入式操作系統(tǒng)”課程作為專業(yè)課。根據(jù)工程實踐性強(qiáng)的課程特點，教學(xué)中更需要通過恰當(dāng)?shù)膶嵱?xùn)平臺，應(yīng)用理實一體化教學(xué)模式，將嵌入式系統(tǒng)的理論知識和實訓(xùn)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐動手能力的培養(yǎng)。而傳統(tǒng)教學(xué)模式中，較常見的都是通過教師的講解、演示，再由學(xué)生模仿這種方式使學(xué)生掌握知識，大部分課程實際情況仍然是將實踐教學(xué)視為理論課程的輔助工具，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的自主學(xué)習(xí)能力、動手實踐能力及創(chuàng)新能力得不到鍛煉。所以，應(yīng)加強(qiáng)理實一體化教學(xué)模式改革，達(dá)到學(xué)生理論與實踐創(chuàng)新能力的融合。

2 “口袋實驗室” 理實一體化教學(xué)模式的優(yōu)勢

傳統(tǒng)教學(xué)模式阻礙了學(xué)生工程實踐能力、自主學(xué)習(xí)能力的提高和創(chuàng)新的意識的培養(yǎng)。引入“口袋實驗室”將會是一個很好的解決方案。

“口袋實驗室”教學(xué)模式是一種基于實驗設(shè)備微型化的實驗?zāi)Ｊ??！翱诖鼘嶒炇摇崩韺嵰惑w化教學(xué)模式是指將實驗設(shè)備小型化，便于攜帶，允許學(xué)生自由選擇時間地點進(jìn)行獨立實驗[2-3]。目前“口袋實驗室”在電子信息以及計算、控制類專業(yè)中應(yīng)用也很廣泛?！翱诖鼘嶒炇摇痹凇敖?、學(xué)、做”一體化教學(xué)模式改革、提高試驗效果、增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生動手能力、自主開發(fā)等方面有著比以往實驗教學(xué)模式更大的優(yōu)勢，同時對教師的理論知識更新也提出了新的要求。對于電氣工程系來說，特別適合于各專業(yè)通用的自動控制原理、嵌入式操作系統(tǒng)、單片機(jī)原理與實踐、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)、C 語言程序設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課程的教學(xué)。

將“口袋實驗室”引入教學(xué)，很好地解決了學(xué)生業(yè)余時間需要和實驗室的運行機(jī)制限制問題。“口袋實驗室”的小型方便以及可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，可以使學(xué)生用課下業(yè)余時間，在寢室中進(jìn)行實驗。幫助學(xué)生快速熟悉工程項目的開發(fā)流程，迅速進(jìn)入工程角色，能夠充分激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、實驗欲望和創(chuàng)作靈感，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造力，增強(qiáng)團(tuán)隊協(xié)作精神，促進(jìn)相互交流，為培養(yǎng)一流人才奠定了基礎(chǔ)。

3 實施 “口袋實驗室” 理實一體化教學(xué)模式的思路

實施“口袋實驗室”理實一體化教學(xué)模式要從以下幾個方面進(jìn)行研究設(shè)計：

“口袋實驗室”的引入目的是提高學(xué)生課余時間的利用率，拓展實驗場所。主要的實驗項目是由學(xué)生獨立在課下完成的，教師上課時負(fù)責(zé)考核、糾錯。這樣就大大提高了課堂效率，同時對學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維將會有很大鍛煉。

首先，要注意選擇貼近工程實踐、具有一定的挑戰(zhàn)性，而且在經(jīng)過學(xué)生努力后還能夠?qū)崿F(xiàn)的實驗項目。這樣能做到與現(xiàn)實工程接軌、訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維、鍛煉自主學(xué)習(xí)能力。

其次，在這種教學(xué)模式實施過程中，要注意對學(xué)生的組織，建立團(tuán)隊，建立交流平臺，規(guī)范對實驗結(jié)果的考核。對于實驗結(jié)果考核將是最具有挑戰(zhàn)性的，由于“口袋實驗室”的引入，整個實驗過程大部分時間由學(xué)生業(yè)余時間獨立完成，使得教師對于學(xué)生的表現(xiàn)無法直接掌握。這就要求教師對整個實驗過程進(jìn)行重新設(shè)計。一是實驗開始之前指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出實驗的計劃書，按照設(shè)定的計劃按步驟進(jìn)行實驗，教師通過多種渠道完成，例如微信、QQ，或者通過專門的網(wǎng)站跟進(jìn)指導(dǎo)；二是突出階段性考核的特點，突出個人面試的特點。教師平時不干預(yù)學(xué)生的實驗，但在階段節(jié)點，檢查學(xué)生階段任務(wù)的完成情況[4]。

4 電氣工程系 “口袋實驗室” 配置方案

基于口袋實驗設(shè)備的理實一體化教學(xué)模式，要充分發(fā)揮設(shè)備易攜帶、易操作且功能豐富的特點，使學(xué)生可以在任意場合、時間均可進(jìn)行實驗，大大解決了實驗室空間、時間受限等問題。這種教學(xué)模式能顯著提高學(xué)生的動手創(chuàng)新能力，對理實一體化教學(xué)實踐有明顯的促進(jìn)作用。

綜合實驗平臺針對MSP430 單片機(jī)原理與實踐、傳感器原理與應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實踐、自動控制原理等課程的實驗教學(xué)，同時兼顧學(xué)生課外口袋式實驗和電子設(shè)計競賽的需求。在設(shè)計時，通過優(yōu)化布局布線將MSP430 單片機(jī)主板尺寸控制在100 mm*160 mm 以內(nèi)、CC2530 的主板控制在80 mm*120 mm 以內(nèi)、傳感器母板60 mm*100 mm 以內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 口袋實驗板

這樣，學(xué)生既可以自己展開課外實驗，達(dá)到“口袋實驗室”的效果，也可以將該實驗板直接用于電子競賽和課外科技活動中去。不同課程可選擇不同的配置，譬如MSP430 單片機(jī)原理與實踐課程僅選擇MSP430 單片機(jī)主板即可；如果要學(xué)習(xí)傳感器課程，再選配相關(guān)傳感器模塊即可；如果開設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實踐課程，選擇MSP430 單片機(jī)主板（或者CC2530 主板）、CC2530核心板和傳感器母板即可；如果涉及傳感器的話，選擇配相關(guān)傳感器模塊即可。

4.1 面向控制類MSP430 單片機(jī)實踐平臺

單片機(jī)（MCU） 是智能控制、儀器儀表、電子通信等專業(yè)的必修專業(yè)課程，在掌握一款單片機(jī)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握嵌入式操作系統(tǒng)、控制器設(shè)計、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs） MCU 的協(xié)議棧（Z-Stack）；可為相關(guān)專業(yè)實踐課程打下基礎(chǔ)；可完成單片機(jī)實驗、嵌入式系統(tǒng)實驗（uC/OS-II 或FreeRTOS）。單片機(jī)口袋板可完成如下實驗：輸入/ 輸出I/O 口控制實驗、定時器實驗、異步串口通信實驗、PWM 輸出實驗、按鍵中斷實驗、A/D 實驗、D/A 實驗、RTC 輸出顯示實驗、七段數(shù)碼管顯示實驗、LCD12864 顯示實驗、I2C 雙機(jī)通信實驗、I2C 讀寫EEPROM 實驗、SPI 讀寫SD 卡驗、USB 實驗、FAT 文件系統(tǒng)實驗、uC/OS-II 移植實驗、FreeRTOS 移植實驗、TI SYS/BIOS 實驗。

其中，前5 個為基本入門實驗，教師可手把手指導(dǎo)學(xué)生入門，讓學(xué)生初步掌握MCU 內(nèi)部原理和程序設(shè)計方法，掌握了這幾個實驗之后，可為后續(xù)控制原理實踐課打下基礎(chǔ)（定時器用來設(shè)置控制周期，PWM 用來控制量的輸出，串口/IO 口/按鍵用來人機(jī)交互）；6～13 個實驗為提高性實驗，可根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇；14～18 個實驗為選做性實驗。

uC/OS-II 移植實驗和FreeRTOS 移植實驗可進(jìn)行擴(kuò)展完成嵌入式操作系統(tǒng)課程的實踐課，具體如下：uC/OS-II操作系統(tǒng)移植實驗、任務(wù)控制LED 燈實驗、任務(wù)控制串口輸出實驗、信號量按鍵實驗、郵箱按鍵實驗。

其中，任務(wù)、信號量和郵箱是嵌入式系統(tǒng)的基本概念，通過上述實驗可讓學(xué)生有所了解。

4.2 面向物聯(lián)網(wǎng)的Zigbee 實踐平臺（配有多種傳感器）

可選配相關(guān)傳感器完成傳感器原理與實踐課程實驗、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)口袋板（CC2530 主板） 可完成如下實驗：輸入/輸出I/O 口控制實驗、定時器實驗、異步串口通信實驗、PWM 輸出實驗、按鍵中斷實驗、AD 實驗、LCD12864 顯示實驗、Z-Stack 協(xié)議棧。

CC2530 的內(nèi)核為8051 單片機(jī)，外加無線收發(fā)器和Z-Stack 協(xié)議棧，這樣可實現(xiàn)豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。上述實驗為CC2530 的8051 內(nèi)核實驗，熟悉這幾個實驗后，可為無線網(wǎng)絡(luò)課程實踐打下基礎(chǔ)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)口袋板（CC2530 主板） +無線傳感器節(jié)點，可完成相關(guān)實驗，具體可選配的節(jié)點如下：直流電機(jī)節(jié)點模塊、步進(jìn)電機(jī)節(jié)點模塊、溫濕度傳感器節(jié)點模塊（模擬和數(shù)字兩類傳感器）、光照度采集節(jié)點傳感器模塊、煙霧、火焰探測節(jié)點模塊、MQ2 氣體檢測節(jié)點模塊、熱釋電紅外傳感器節(jié)點模塊、RFID 讀卡器節(jié)點模塊、振動檢測節(jié)點模塊、聲音探測節(jié)點模塊?？赏瓿傻膶嶒炄缦拢篫igbee 組包發(fā)送實驗、Zigbee 地址與參數(shù)實驗、點對點通信實驗、簡單拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實驗、廣播通信實驗、指定路由多跳網(wǎng)絡(luò)的實驗、動態(tài)自組網(wǎng)實驗、簡單的泛洪協(xié)議的多跳路由網(wǎng)絡(luò)的實驗、Zigbee 嗅探器實驗、Zigbee 動態(tài)接入實驗、Zigbee 多跳傳輸實驗、射頻信號強(qiáng)度實驗。其中前5 個為基本實驗。

5 結(jié)論

建設(shè)“口袋實驗室”硬件設(shè)施，可進(jìn)一步豐富學(xué)校自主學(xué)習(xí)資源，推動學(xué)校打造自主學(xué)習(xí)實踐平臺；依托“口袋實驗室”，實施理實一體化教學(xué)模式，學(xué)生可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握嵌入式操作系統(tǒng)、控制器設(shè)計、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs） MCU 的協(xié)議棧（Z-Stack），為相關(guān)專業(yè)實踐課程打下基礎(chǔ)；教師可深入研究自主教學(xué)模式改革，推進(jìn)混合式理實一體化教學(xué)模式建設(shè)。