基于“雨課堂+雷實驗”開放創(chuàng)新實驗設(shè)計探索與研究

劉秀環(huán),鞠一婷,陳占國,王海燕,李玉峰,王 奪

(吉林大學(xué) a.通信工程學(xué)院;b.電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春130012)

高等學(xué)校作為人才培養(yǎng)的重要基地，在“新工科”背景下，肩負(fù)著培養(yǎng)“具有更強(qiáng)實踐能力、創(chuàng)新能力、國際競爭力的高素質(zhì)、復(fù)合型人才”的重要使命. 高校電子信息類專業(yè)要求具有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用背景，并且各學(xué)科之間相互交叉、相互滲透[1]. 不斷擴(kuò)大的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對電子信息類“新工科”人才的需求日益增多. 如何向社會輸送出 “厚基礎(chǔ)、重實踐、富創(chuàng)新”的電子信息類人才是高校電子信息類專業(yè)教師應(yīng)該思考的課題. 為順應(yīng)新工科人才培養(yǎng)方略及OBE(Outcomes-Based Education)教育理念，電子信息類課程的教學(xué)應(yīng)首要進(jìn)行改革和創(chuàng)新[1-8]. 許多高校在傳統(tǒng)的電子信息類課程教學(xué)過程中多有重理論輕實踐、存在實驗內(nèi)容陳舊且單一等弊端[2]，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力. 而且，傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)主要關(guān)注學(xué)生知識掌握的多少，缺少有針對性的鍛煉學(xué)生解決問題的能力、團(tuán)隊意識、溝通和協(xié)作能力[3]. 筆者在長期從事電子信息類課程理論和實驗教學(xué)中， 探索了理論和實驗教學(xué)的改革與研究. 在理論教學(xué)和基本實驗教學(xué)之外，開設(shè)出立足于課程基本理論的開放創(chuàng)新實驗，以利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維. 經(jīng)過考察與調(diào)研[7-8]，將新型的智慧實驗教學(xué)平臺——“雨課堂+雷實驗”引入電子信息類開放創(chuàng)新實驗設(shè)計中，以拓展基礎(chǔ)實驗之外的電子信息類綜合實驗，并將任課教師的科研工作適度融入開放實驗教學(xué)中.

1 “雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學(xué)平臺

“雷實驗”是Lab of electronics intelligence的縮寫LEI的音譯，是由北京時代行云科技有限公司推出的全球首個基于“雨課堂”的智慧實驗教學(xué)方案， 成功將互聯(lián)網(wǎng)、微信、PC與智慧實驗硬件無縫結(jié)合. 具體實驗教學(xué)方案是基于雷實驗產(chǎn)品A+D Lab運行. A+D Lab是由硬件平臺和PC端軟件平臺結(jié)合組成. 基本的A+D Lab硬件部分包括1個智慧面包板和各種數(shù)據(jù)線；軟件部分則包含與“雨課堂”接口的實驗管理系統(tǒng)、“我的實驗室”和仿真軟件等多個模塊. 用戶在PC端成功安裝A+D Lab軟件后，雙擊A+D Lab啟動程序，并用手機(jī)微信“掃一掃”功能登錄A+D Lab主界面，如圖1所示. 教師登錄主界面進(jìn)入TEACHERS模塊，可進(jìn)行建立和發(fā)布實驗、查詢學(xué)生實驗進(jìn)度、批閱實驗報告等. 學(xué)生登錄主界面進(jìn)入STUDENTS模塊即啟動學(xué)生平臺，進(jìn)行實驗仿真、搭建實驗、結(jié)合口袋實驗室提供的虛擬儀器進(jìn)行虛實結(jié)合的實驗操作. 口袋實驗室——“我的實驗室”模塊包含示波器、信號發(fā)生器、可編程電源、邏輯分析儀、波特圖儀等虛擬儀器，如圖2所示.

圖1 A+D Lab軟件平臺主界面概覽

圖2 A+D Lab軟件平臺雷實驗界面

圖3是啟動學(xué)生平臺后將A+D Lab硬件智慧面包板與軟件平臺相結(jié)合，在PC端展現(xiàn)的虛擬信號發(fā)生器與示波器的照片.

圖3 A+D Lab虛擬信號發(fā)生器與示波器

將“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺引入實驗教學(xué)中，可以徹底打破時空限制，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行實驗，將教師從固化的教學(xué)環(huán)節(jié)中解放出來. “雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學(xué)平臺可將虛擬儀器與實際器件相結(jié)合，從而開展線上、線下相混合的實驗教學(xué)模式.

在新工科背景下，引入“雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學(xué)工具，將強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新和行為互動，并兼顧課堂質(zhì)量、任務(wù)部署以及設(shè)備管理的功能. 特別適合開展非實驗室環(huán)境下的線上實驗教學(xué)[9-10]，如果能引入“雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學(xué)平臺，將很好地開展電子信息類課程線上和遠(yuǎn)程實驗教學(xué).

2 基于“雨課堂+雷實驗”開放實驗設(shè)計思路

“雨課堂+雷實驗”智慧實驗教學(xué)平臺所提供虛擬信號發(fā)生器和示波器以及電源等常用實驗儀器，可滿足絕大多數(shù)電子實驗的需求[8]. 因此，A+D Lab結(jié)合PC機(jī)和必要的電子器件，通過虛、實相結(jié)合，可以實現(xiàn)在課堂和實驗室之外開展實驗，非常適合電子信息類課程教學(xué)改革. 基于“雨課堂+雷實驗”的電子信息類開放實驗可以從以下方面進(jìn)行設(shè)計：

2.1 基礎(chǔ)性和驗證性實驗

對于“電路”、“信號與系統(tǒng)”、“模擬電子電路”等課程中的基礎(chǔ)性和驗證性實驗，比如基爾霍夫定律、疊加定理、戴維南定理、單一元件阻抗的頻率響應(yīng)特性、單管交流放大電路、基本模擬運算電路等實驗，學(xué)生可以在理論教學(xué)的課上或課外，基于“雨課堂+雷實驗”平臺進(jìn)行實驗，從而對抽象的基礎(chǔ)理論獲得感性認(rèn)識.

2.2 設(shè)計與綜合性開放實驗

可以將電子信息類各門課程之間相關(guān)內(nèi)容相互融合，學(xué)生在完成這些課程的理論學(xué)習(xí)后，可以完成綜合性設(shè)計實驗. 比如將“電路”和“信號與系統(tǒng)”課程內(nèi)容相互融合，讓學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)信號各種運算的開放實驗. 這類基于“雨課堂+雷實驗”平臺的綜合性開放實驗，不限制時間和地點，學(xué)生可以在課余時間隨時隨地開展實驗.

2.3 與科研相結(jié)合的應(yīng)用型開放實驗

任課教師將科研工作適度融入實驗教學(xué)中. 對于電子信息類專業(yè)的低年級學(xué)生，在完成專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)后，可以基于“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺開展“立足基礎(chǔ)理論、面向科研應(yīng)用”的開放創(chuàng)新實驗，不僅能讓學(xué)生較早地參與科學(xué)研究，而且更助于低年級學(xué)生更好地理解所學(xué)到的基礎(chǔ)理論，并能體驗到將基礎(chǔ)理論直接應(yīng)用于解決實際問題的愉悅.

基于“課堂+雷實驗”智慧實驗平臺的綜合性和應(yīng)用型開放實驗，一般需要2～3人的團(tuán)隊協(xié)作完成，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力以及團(tuán)隊協(xié)作精神.

3 基于“雨課堂+雷實驗”開放實驗設(shè)計舉例

以基于“雨課堂+雷實驗”的應(yīng)用型開放創(chuàng)新實驗的設(shè)計為例.

在研究Si， Ge等無反演對稱中心的半導(dǎo)體材料的場致線性電光效應(yīng)時，需要確定由這樣的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的金屬—絕緣體—半導(dǎo)體—絕緣體—金屬(MISIM)結(jié)構(gòu)器件在一定頻率范圍內(nèi)的等效電容值. 將此部分科研工作融入實驗教學(xué)，設(shè)計成開放創(chuàng)新實驗，供本科低年級學(xué)生選做. 學(xué)生根據(jù)所掌握的“電路”、“信號與系統(tǒng)”等課程的基本理論，可以設(shè)計多種實驗方案，完成MISIM結(jié)構(gòu)器件頻率響應(yīng)特性分析及電容值的測定.

3.1 器件結(jié)構(gòu)和實驗方案舉例

教師科研團(tuán)隊為本科低年級學(xué)生提供了雙面沉積SiO2薄膜(薄膜厚度約1 μm)、單面沉積SiO2薄膜(薄膜厚度約2 μm)以及雙面均未沉積SiO2薄膜的3種Si (100) MISIM結(jié)構(gòu)器件，其中Si半導(dǎo)體層厚度約3 mm. 沒有沉積SiO2的Si表面與金屬電極之間有厚度約160 μm的絕緣膠. 金屬電極為銅電極. MISIM器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.

圖4 MISIM器件結(jié)構(gòu)示意圖

下面以1組學(xué)生設(shè)計的最簡單實驗方案為例. 選用定值電阻R，與待測MISIM結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行串聯(lián)，在A+D Lab智慧面包板上構(gòu)成二端網(wǎng)路，實驗原理圖如圖5所示，實物連接電路如圖6所示.

圖5 實驗原理圖

圖6 實驗測量電路圖

(a)輸出正弦信號

(b)測量正弦信號圖7 雷實驗平臺虛擬信號發(fā)生器輸出正弦信號及虛擬示波器測量正弦信號有效值截圖

3.2 實驗結(jié)果

(a) 雙面沉積SiO2薄膜Si(100)器件

(b) 單面沉積SiO2薄膜Si(100)器件

(c) 雙面未沉積SiO2薄膜Si(100)器件圖8 MISIM結(jié)構(gòu)器件阻抗的幅頻特性

3.3 實驗小結(jié)

本例實驗是基于“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺實施完成的應(yīng)用型開放實驗，學(xué)生利用自己的筆記本電腦、手機(jī)，教師科研團(tuán)隊提供待測器件、及根據(jù)學(xué)生設(shè)計的合理實驗方案所需的必要元件，學(xué)生可以在實驗室之外的宿舍、圖書館等場所隨時開展實驗. 這類與教師科研工作相結(jié)合的“立足于基礎(chǔ)理論，面向科研應(yīng)用”的應(yīng)用型開放實驗，本科低年級學(xué)生即可設(shè)計完成. 而且，實驗數(shù)據(jù)處理與分析環(huán)節(jié)能促使學(xué)生早日接觸和應(yīng)用數(shù)據(jù)分析軟件. 學(xué)生通過訓(xùn)練，不僅對所學(xué)的基本理論能夠深入理解和融會貫通，也能提高設(shè)計、分析能力和動手實踐能力，并體驗到學(xué)以致用的愉悅，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研興趣，增強(qiáng)小組成員之間的溝通與協(xié)作意識，助力達(dá)成課程的知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感目標(biāo)相融合.

4 結(jié)束語

基于“雨課堂+雷實驗”的應(yīng)用型開放創(chuàng)新實驗設(shè)計，以MISIM結(jié)構(gòu)器件的頻率響應(yīng)特性研究為例，論述了“雨課堂+雷實驗”智慧實驗平臺在電子信息類課程實驗教學(xué)改革中發(fā)揮的作用. 雷實驗A+D Lab Plus的功能更強(qiáng)大，口袋實驗室提供的虛擬儀器種類多，更利于電子信息類課程開放實驗設(shè)計與研究. 基于“雨課堂+雷實驗”的智慧實驗平臺，可以實現(xiàn)電子信息類課程實驗教學(xué)的虛、實相結(jié)合及線上、線下相混合模式，并徹底打破時空限制. 深入開展基于“雨課堂+雷實驗”的電子信息類課程實驗教學(xué)改革，不僅能夠克服教學(xué)中抽象理論脫離實際應(yīng)用、實訓(xùn)成本高、安全風(fēng)險大的弊端，而且能夠順應(yīng)新工科背景下的人才培養(yǎng)方略及新時代大學(xué)生的成長需求，對電子信息類專業(yè)人才的培養(yǎng)將具有深遠(yuǎn)的意義.