獨(dú)立院?！翱诖鼘?shí)驗(yàn)室”建設(shè)與教學(xué)改革

譚貴生 石宜金 馮微瑋 張桂蓮 張瀅

摘? 要：針對(duì)應(yīng)用型獨(dú)立院校的特點(diǎn)和電子信息工程的現(xiàn)狀，需要提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。目前，實(shí)驗(yàn)課程存在實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足，訓(xùn)練強(qiáng)度不夠等問(wèn)題，提出一種基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)模式。文章包括實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理;教學(xué)培養(yǎng)方案;以驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目的教學(xué)改革和全方位鼓勵(lì)學(xué)生參加競(jìng)賽活動(dòng)。實(shí)踐證明教學(xué)改革能提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力;該模式為其他高校相關(guān)專業(yè)的改革，提供借鑒價(jià)值和參考意義。

關(guān)鍵詞：口袋實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革;能力培養(yǎng);獨(dú)立院校

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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

隨著電子技術(shù)的發(fā)展需求和國(guó)家對(duì)高等人才的更高要求，因而，如何保證教學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)具有實(shí)踐和創(chuàng)新能力人才，需要對(duì)教學(xué)模式和方法改革，建立合理教學(xué)體系，是應(yīng)用型獨(dú)立院校的基本發(fā)展，也是提高大學(xué)課程的深化改革，提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[1-2]。對(duì)電子信息類專業(yè)學(xué)生提高理論知識(shí)和綜合能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的教學(xué)改革勢(shì)在必行[3]。

基于以上分析，本文提出“口袋實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)建設(shè)與改革，首先能解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中帶來(lái)的弊端，其次給學(xué)生更大的靈活性，讓學(xué)生有充分的想象力和創(chuàng)新能力;最后培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。通過(guò)新的教學(xué)改革，可以為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)提供服務(wù)。

一、電子專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的弊端

全國(guó)開設(shè)電子信息類專業(yè)高等院校約500所，但絕大部分院校是用實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)，從教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、教學(xué)形式單一和教學(xué)手段落后，與國(guó)家提出來(lái)的教育方針差距大[4-6]。傳統(tǒng)教學(xué)存在的弊端有以下三個(gè)方面：

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)備陳舊

實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，絕大部分院校都是應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱為主，實(shí)驗(yàn)箱的集成度高，實(shí)現(xiàn)的功能很豐富，但同學(xué)很難搞懂實(shí)驗(yàn)的原理，學(xué)生只有按照實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書給定參數(shù)或者教師預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，不具備學(xué)生自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。另外實(shí)驗(yàn)箱都是集成模塊，如果保護(hù)不好，實(shí)驗(yàn)箱都會(huì)遭到不同程度的損壞，嚴(yán)重影響教學(xué)。

（二）教學(xué)形式單一

教學(xué)儀器是教學(xué)的必要手段，實(shí)驗(yàn)設(shè)備屬于精密儀器，比較貴重，保管就尤為重要;還有實(shí)驗(yàn)班級(jí)較多，往往連續(xù)幾天安排實(shí)驗(yàn)課程，絕對(duì)不會(huì)讓學(xué)生把設(shè)備帶走或者外借;顯然這種實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

（三）教學(xué)手段落后

目前，教學(xué)方法都是填鴨式教學(xué)，老師給學(xué)生的知識(shí)已經(jīng)定論，學(xué)生很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和研究問(wèn)題。傳統(tǒng)的教學(xué)，嚴(yán)重影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，為了解決這些問(wèn)題，引入“口袋實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)改革，這是一個(gè)很好解決方案。

二、口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理

（一）口袋實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

口袋實(shí)驗(yàn)室PL（Pocket Labs）最早是由美國(guó)斯坦福大學(xué)Clifton Roozeboom博士提出的，隨后，英國(guó)的德蒙福特大學(xué)設(shè)計(jì)一款以FPGA/ARM為核心的開發(fā)板，供學(xué)生實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目開發(fā)使用[7]。近幾年，由美國(guó)德州儀器（TI）和賽靈思（Xilinx）中國(guó)大學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目引入中國(guó)，國(guó)內(nèi)最早由哈爾濱工程大學(xué)、東南大學(xué)等引進(jìn)口袋實(shí)驗(yàn)室，提出一種新的教學(xué)模式。目前，集成芯片的快速發(fā)展為口袋實(shí)驗(yàn)室提供優(yōu)越條件，如XILINX推出的Artix-7 FPGA集成芯片，包括33280個(gè)邏輯門，5200個(gè)邏輯區(qū)域，1800Kb的快速ARM，還有5個(gè)時(shí)鐘管理模板和90個(gè)DSP區(qū)，組成一個(gè)完整的集成系統(tǒng)[8-9]。口袋實(shí)驗(yàn)室具有“小身材，大能量，開源性”的優(yōu)點(diǎn)，方便學(xué)生二次開發(fā)，無(wú)論何時(shí)何地，學(xué)生都可以實(shí)驗(yàn)和二次開發(fā)，增強(qiáng)學(xué)生積極性和創(chuàng)新性。

（二）實(shí)驗(yàn)室的建立

從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室到開發(fā)性實(shí)驗(yàn)室，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，我校準(zhǔn)備新建口袋實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)電子信息工程專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，購(gòu)買100套單片機(jī)最小系統(tǒng)的開發(fā)板， FPGA和DSP開發(fā)板各50套，不同的類型、型號(hào)的傳感器與控制模塊;包括單片機(jī)，觸摸屏，紅外避障，振動(dòng)傳感器，脈搏傳感器，繼電器，WiFi模塊和3G模塊等。新實(shí)驗(yàn)室不能缺少電腦、直流可編程電源、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表等常規(guī)設(shè)備，這些設(shè)備傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有，可以直接使用?？诖鼘?shí)驗(yàn)室中的套件樣式多，覆蓋面廣，可以包括電子信息工程專業(yè)的所有核心課程實(shí)驗(yàn)，如模擬電路，數(shù)字電路，單片機(jī)，F(xiàn)PGA/CPLD等多個(gè)方面，應(yīng)用相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以幫助學(xué)生掌握專業(yè)技能，支持學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)作各類新作品。

（三）實(shí)驗(yàn)室管理制度

為了充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的作用和意義，讓全校師生共同受益，實(shí)現(xiàn)全開放、全共享的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，制定實(shí)驗(yàn)室管理辦法，借鑒清華大學(xué)，西南交通大學(xué)，哈爾濱工程大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室管理辦法[10-11]，提出“圖書式”管理理念，保證口袋實(shí)驗(yàn)室的集中管理與資源共享，有助于新的理念更好實(shí)施。根據(jù)圖書館的信息管理系統(tǒng)，學(xué)生和教師可以憑有效證件，對(duì)口袋實(shí)驗(yàn)資源的借用、歸還、預(yù)約、續(xù)借、罰款等管理功能。建立一個(gè)全開放、全共享實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)，有助于新的教學(xué)理念更好實(shí)施，讓學(xué)生最大限度地利用實(shí)驗(yàn)資源和最大的自由空間。

三、口袋實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)改革

口袋實(shí)驗(yàn)室給學(xué)生更大的靈活性，讓學(xué)生有充分的想象力和創(chuàng)新能力;最后培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力，如何保證教學(xué)秩序和教學(xué)改革成果，提出以下幾個(gè)方面：

（一）培養(yǎng)方案

全方位的教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃和方案，把握專業(yè)發(fā)展理念，將專業(yè)教育的工作貫穿整個(gè)教學(xué)計(jì)劃，才能使全新口袋實(shí)驗(yàn)發(fā)揮最大作用。

1. 專業(yè)意識(shí)

新生入學(xué)時(shí)進(jìn)行專業(yè)教育，講解電子信息工程專業(yè)的前景和未來(lái)，讓學(xué)生充分了解自己畢業(yè)和就業(yè)前景，提高專業(yè)意識(shí)和專業(yè)技能。先給每位新生發(fā)一套口袋實(shí)驗(yàn)室，然后給出一些小課題或者題目，讓學(xué)生自己琢磨，查找資料，自學(xué)相關(guān)課程，給以后的課程打下基礎(chǔ)，極大的提高學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，慢慢的培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)意識(shí)，幫助學(xué)生的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)。

2. 選題

口袋實(shí)驗(yàn)室的題目選擇，要保證題目的難易程度，為了能夠充分鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和合作能力，防止學(xué)生抄襲別人的內(nèi)容，獨(dú)立或者團(tuán)隊(duì)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，才能達(dá)到培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)。選題尤為重要，要遵循以下三個(gè)特點(diǎn)[9]：

（1）工程性

電子信息工程專業(yè)屬于工程專業(yè)，一定要培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)必不可少的，選題必須具有工程性特點(diǎn)。

（2）挑戰(zhàn)性

題目不能讓學(xué)生輕易完成，如果太簡(jiǎn)單，就不能達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)，所以題目需要一定的挑戰(zhàn)性。挑戰(zhàn)性需要學(xué)生不斷的努力學(xué)生，查找相關(guān)書籍，收集文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的步驟，還要小組的討論、論證，提出可行方案，進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）自主性

口袋實(shí)驗(yàn)室具有“小身材，大能量，開源性”的優(yōu)點(diǎn)，方便學(xué)生二次開發(fā)，具有優(yōu)越的條件，完成課題沒(méi)有具體時(shí)間、地點(diǎn)的要求，學(xué)生可以利用課余時(shí)間進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn);需要學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，不能缺少自主性。課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師指導(dǎo)次數(shù)是有限的，全靠學(xué)生自己完成課題。

3. 團(tuán)隊(duì)合作與交流平臺(tái)

從傳統(tǒng)的教學(xué)模式到新的教學(xué)模式，絕大部分脫離教師的視線，保證教學(xué)秩序，必須要進(jìn)行監(jiān)督，最有效的辦法就是組隊(duì)，2-3人一組，就形成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)也能提高合作意識(shí)。團(tuán)隊(duì)的成員互補(bǔ)，包括特長(zhǎng)、學(xué)習(xí)能力、完成實(shí)驗(yàn)的態(tài)度，能夠達(dá)到共同學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。

4. 教學(xué)評(píng)價(jià)體系

實(shí)驗(yàn)考核是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握程度、動(dòng)手能力、查閱文獻(xiàn)能力以及思維和表達(dá)能力等。建立公平公正合理的教學(xué)評(píng)價(jià)體系起到關(guān)鍵性作用。因此，在實(shí)驗(yàn)考核中，采取措施：從階段考核、面試環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)文檔設(shè)計(jì)和自評(píng)與互評(píng)等方面來(lái)考核學(xué)生的能力。

（1）階段考核

從選題到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了更好的把握學(xué)生設(shè)計(jì)進(jìn)度，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程分成若干個(gè)階段，老師不做任何干擾，只是在每個(gè)階段時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)行考核，給出成績(jī)。

（2）面試環(huán)節(jié)

通過(guò)階段檢查和最終答辯，對(duì)組員隨機(jī)問(wèn)答，考察學(xué)生對(duì)課題知識(shí)掌握程度，給出相應(yīng)的成績(jī)。階段考核中，增加試驗(yàn)討論環(huán)節(jié)，讓成員拿出自己的思路方案，進(jìn)行討論給出綜合設(shè)計(jì)方案，老師能了解各位同學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)能力。

（3）實(shí)驗(yàn)文檔設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)文檔是實(shí)驗(yàn)重要的組成部分，設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)文檔，有助于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理和方法，鍛煉語(yǔ)言表達(dá)能力，提高邏輯條理性。

（4）自我評(píng)價(jià)和同學(xué)評(píng)價(jià)

單獨(dú)教師評(píng)價(jià)不夠全面，讓學(xué)生自我評(píng)價(jià)和同學(xué)相互評(píng)價(jià)，更能反映團(tuán)隊(duì)的合作精神、每個(gè)學(xué)生知識(shí)的結(jié)構(gòu)、努力程度，綜合評(píng)價(jià)才能顯示成績(jī)的公平性。

5. 師資培養(yǎng)

在獨(dú)立學(xué)院，師資比較薄弱，培養(yǎng)更好、更強(qiáng)的師資團(tuán)隊(duì)，請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家或者教授進(jìn)行指導(dǎo);也可以聯(lián)合校企合作單位，引進(jìn)工程師，能夠提高教師的教學(xué)能力和科研能力。

（二）基于驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目的教學(xué)模式

口袋實(shí)驗(yàn)室在高校中應(yīng)用廣泛，但是沒(méi)有一套完整的理論體系和實(shí)驗(yàn)方法，本文提出基于驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，逐漸完善一套實(shí)驗(yàn)體系。電子信息工程專業(yè)絕大部分課程都是要離不開實(shí)驗(yàn)，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)，盡量把理論教學(xué)安排實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，讓學(xué)生可以理論與實(shí)際相結(jié)合，能提高教學(xué)的效率。

1. 口袋實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中的應(yīng)用

以工程實(shí)際能力和創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生工程思維及工程創(chuàng)新能力?；陧?xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主線設(shè)計(jì)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)資料，再根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出相關(guān)課程的工程項(xiàng)目。在FPGA可編程邏輯器件，組合邏輯電路，單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程中，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。教學(xué)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。

2. 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

單片機(jī)是電子信息工程最重要專業(yè)課之一，課程主要是理論與實(shí)踐相結(jié)合，利用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方法可以改善單片機(jī)實(shí)踐效果，提高學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力。傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程比較局限，單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)可以大大改善現(xiàn)狀。首先，銜接理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué);其次，提高實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展性;最后，做好實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間，才能保證實(shí)驗(yàn)成效。

單片機(jī)的口袋實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，在核心模塊加上基礎(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)的。核心模塊包括STC51單片機(jī)最小系統(tǒng)和仿真下載電路?；A(chǔ)模塊包括蜂蜜器、6位數(shù)碼管、字庫(kù)芯片（SPI接口）、熱敏電阻、光敏電阻、RS485接口等，能完成定時(shí)器、數(shù)碼管、SPI通信、光強(qiáng)檢測(cè)、RS485串口等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。拓展實(shí)驗(yàn)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)以及國(guó)家級(jí)比賽，拓展模塊設(shè)計(jì)避障小車、溫度控制器和FPGA的數(shù)字示波器等，通過(guò)口袋實(shí)驗(yàn)室所具備的基礎(chǔ)功能和拓展功能的組合，可以在單片機(jī)教學(xué)中，設(shè)計(jì)出一套完整的理論體系和實(shí)驗(yàn)方法。