基于口袋實(shí)驗(yàn)室的電子技術(shù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革與實(shí)踐

張康立

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 江蘇·無(wú)錫 214122）

0 引言

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程在面向低年級(jí)學(xué)生同時(shí)面向部分非電類工科專業(yè)，對(duì)學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)的基礎(chǔ)性地位不可替代。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)包括電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)、模擬電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、電子電路調(diào)試與故障檢測(cè)技術(shù)、常用元器件及測(cè)量?jī)x器。通過(guò)該課程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)學(xué)生不僅能夠認(rèn)知常用電子元器件并能夠選型、掌握常用測(cè)量?jī)x器儀表使用、模擬及數(shù)字電路基礎(chǔ)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)一定復(fù)雜度的模數(shù)混合電路。但現(xiàn)實(shí)中學(xué)生只能在固定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行簡(jiǎn)單“傻瓜”型的操作，無(wú)法進(jìn)行自主性實(shí)驗(yàn)，此時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c管理手段，探索新的實(shí)驗(yàn)方式來(lái)達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

1 基于口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

以新工科背景及符合專業(yè)工程認(rèn)證體系新修訂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱為指導(dǎo)、在不顯著增加學(xué)時(shí)數(shù)的前提下加大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深度與廣度，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例，增強(qiáng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，為此我們采用混合式的教學(xué)模式，這個(gè)模式以“口袋實(shí)驗(yàn)室”自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Ultralab智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及管理同時(shí)在課后實(shí)行開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理模式。

1.1 “口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)教學(xué)規(guī)劃

口袋實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的選擇應(yīng)以體積小、功能全、操作簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性為主要原則，為此我們選擇了ADS(Analog Discovery Studio)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖1)，該設(shè)備是一款功能齊全的便攜式虛擬儀器平臺(tái)。配備13種儀器，包括示波器，邏輯分析儀，頻譜分析儀，波形發(fā)生器等，能完成各種實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，同時(shí)具有可更換的面包板，采用ADS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)無(wú)論在實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)時(shí)間上都擺脫了以前舊的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降娜秉c(diǎn)和不足。

圖1：ADS硬件平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)方法上，學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)室事先配發(fā)的導(dǎo)線和實(shí)驗(yàn)所需元器件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在面包板上進(jìn)行自主搭建實(shí)驗(yàn)電路。然后通過(guò)PC端的WinForm虛擬儀器配套軟件（如圖2）對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。這一過(guò)程改變了以往舊的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街性谝延械墓潭ù罱ǖ碾娐分泻?jiǎn)單拔插連接導(dǎo)線的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，極大鍛煉了學(xué)生動(dòng)手能力。

圖2：WinForm軟件界面

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上，學(xué)生利用ADS不僅可以在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，當(dāng)課內(nèi)未完成實(shí)驗(yàn)時(shí),還可以在課后繼續(xù)完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)配合Ultralab智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線采集數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)，在線完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。極大的擴(kuò)展了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)的自主性。

為了配合“口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)的使用，輔助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后自主性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室教師團(tuán)隊(duì)在慕課平臺(tái)創(chuàng)建了在線實(shí)驗(yàn)課程。課程中上傳了實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)講義、實(shí)驗(yàn)PPT，實(shí)驗(yàn)相關(guān)視頻等。每個(gè)實(shí)驗(yàn)課程都建立獨(dú)立的QQ群，在群里可以進(jìn)行答疑、資料共享，幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 Ultralab智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的教學(xué)規(guī)劃

隨著計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化在現(xiàn)代教學(xué)特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用越來(lái)越明顯和越來(lái)越深入，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和歷史回放，實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要進(jìn)行重現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備也需要進(jìn)行在線管理，所以與“口袋實(shí)驗(yàn)室”這樣自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相配套的智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就成為必須，Ultralab智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)就是這樣一款在線智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)。對(duì)于老師來(lái)說(shuō)可以利用Ultralab智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行自主創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)課程、這些實(shí)驗(yàn)課程可以是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)、拓展性的實(shí)驗(yàn)等。當(dāng)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并發(fā)布后，可以接收學(xué)生申請(qǐng)和預(yù)約實(shí)驗(yàn)，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備等工作，而對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)可以申請(qǐng)和預(yù)約課內(nèi)和課外的實(shí)驗(yàn)，可以遠(yuǎn)程開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)和查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。查詢實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改和評(píng)價(jià)等。

為了拓展學(xué)生實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，Ultralab智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)提供了各種登錄平臺(tái)方式，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)局域網(wǎng)或者在實(shí)驗(yàn)室外通過(guò)校園網(wǎng)登錄智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)平臺(tái)(見(jiàn)圖3),登錄后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)約同時(shí)自主選擇自己的實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖4)，結(jié)合ADS虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后編輯實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行在線提交。

圖3：Ultralab智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)登錄

圖4：Ultralab智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)預(yù)約

為了拓展實(shí)驗(yàn)室的使用時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室實(shí)行課后對(duì)學(xué)生進(jìn)行開(kāi)放。智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開(kāi)放管理，課后需要使用實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生通過(guò)智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)上預(yù)約，預(yù)約成功后在預(yù)約好的時(shí)間內(nèi)通過(guò)刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在預(yù)約指定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。預(yù)約的實(shí)驗(yàn)時(shí)間結(jié)束后實(shí)驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)終止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室管理人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程登錄智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)查看實(shí)驗(yàn)室使用情況，根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守實(shí)驗(yàn)室管理的要求。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放管理后，學(xué)生不僅在課后可以充分利用實(shí)驗(yàn)室的硬件資源，同樣也可以使用實(shí)驗(yàn)室的智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)資源，在課后所做的實(shí)驗(yàn)可以是未完成的課上的實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)，也可以是學(xué)生突發(fā)靈感的實(shí)驗(yàn)拓展。這樣方式極大的激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，擴(kuò)展了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的投入時(shí)間，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。

1.3 “口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)案例分析

開(kāi)展基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，首先實(shí)驗(yàn)教師在Ultralab智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求，給出實(shí)驗(yàn)任務(wù)和說(shuō)明，同時(shí)在慕課平臺(tái)系統(tǒng)上傳實(shí)驗(yàn)相關(guān)資源包括各種文檔、視頻等同時(shí)設(shè)置討論版塊，布置實(shí)驗(yàn)思考題以及實(shí)驗(yàn)后的拓展任務(wù)，相關(guān)資料同時(shí)在QQ群同步實(shí)時(shí)共享。完成實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建后在平臺(tái)中啟用實(shí)驗(yàn)，給指定班級(jí)創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)課程，最后發(fā)布實(shí)驗(yàn)課程，這時(shí)學(xué)生可以通過(guò)Ultralab智能平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)約實(shí)驗(yàn)，并在預(yù)約的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建電路，使用虛擬儀器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并上傳，完成實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫(xiě)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的已采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)填入到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫(xiě)后保存提交報(bào)告，隨后老師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行批改，學(xué)生隨時(shí)可以查看實(shí)驗(yàn)報(bào)告及成績(jī)（見(jiàn)圖5）。

圖5：實(shí)驗(yàn)基本流程

這里我們以實(shí)驗(yàn)《RLC串聯(lián)諧振電路的研究》為例，電路原理圖如圖6，通過(guò)分析電路圖并不是很復(fù)雜，但相對(duì)于舊的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹?lái)說(shuō)新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要學(xué)生自己選擇元件、自己搭建電路、自己進(jìn)行電路的調(diào)試。在這個(gè)過(guò)程中鍛煉了學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，在搭建電路中遇到問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

圖6：實(shí)驗(yàn)電路原理圖

首先，根據(jù)電路原理圖學(xué)生完成元件的選擇，電路的設(shè)計(jì)和搭建，該實(shí)驗(yàn)電路需要輸出電壓Ui=500mVPP的信號(hào)源，通過(guò)ADS的虛擬儀器中的任意波形發(fā)生器來(lái)生成這個(gè)信號(hào)源，這需要學(xué)生通過(guò)WaveForms軟件進(jìn)行設(shè)置（見(jiàn)圖7），因Wave-Forms的操作使用較為復(fù)雜，為此我們?cè)谀秸n上上傳了軟件操作的流程說(shuō)明圖片以方便學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，以下各圖都包含了WaveForms的操作說(shuō)明。信號(hào)源設(shè)置完成后，ADS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的紅黑夾子夾到電路的電源兩端，ADS測(cè)量電壓的藍(lán)白線接到電路的電阻兩端準(zhǔn)備測(cè)量電阻兩端電壓（見(jiàn)圖8）。下一步找出電路的諧振頻率，在實(shí)驗(yàn)中將ADS的電壓表接線接到R1電阻兩端，通過(guò)設(shè)置ADS的虛擬儀器Wavegen(波形發(fā)生器)令信號(hào)源的頻率由小逐漸變大，當(dāng)虛擬儀器Voltmeter（電壓表）中的U0的度數(shù)最大時(shí)，讀得信號(hào)源上的頻率值即為電路的諧振頻率(見(jiàn)圖9)，把調(diào)好的實(shí)際諧振頻率的正弦波用示波器顯示出來(lái)，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采集出來(lái)，放在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中(見(jiàn)圖10)。諧振頻率調(diào)節(jié)完畢后開(kāi)始測(cè)量Uc與Ul的值。然后在諧振點(diǎn)兩側(cè)按頻率遞增或遞減2KHz，依次各取4個(gè)測(cè)量點(diǎn)。逐點(diǎn)測(cè)出Uo,Uc,Ul。完成實(shí)驗(yàn)后把各項(xiàng)數(shù)據(jù)和波形采集到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中（見(jiàn)圖11）然后進(jìn)行提交。

圖7：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置

圖8：電阻兩端電壓測(cè)量B

圖9：調(diào)節(jié)實(shí)際諧振頻率

圖10：示波器顯示諧振頻率的正弦波

圖11：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

從整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集只需要ADS連接PC進(jìn)行軟件操作。擺脫了以往實(shí)驗(yàn)笨重的實(shí)驗(yàn)箱連接各種實(shí)驗(yàn)儀器。學(xué)生完全可以在宿舍、圖書(shū)館、教室里通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成各類實(shí)驗(yàn)。擺脫了老的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牡攸c(diǎn)、時(shí)間的限制。在自主的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以隨時(shí)加入同學(xué)和老師的討論群和討論版塊進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)思路的討論。在討論中拓展實(shí)驗(yàn)思路，解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題。

考慮到新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢胁糠謱?shí)驗(yàn)可能是在課外獨(dú)立完成的，如何防止學(xué)生之間對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的抄襲現(xiàn)象，如何公正全面評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δ?？首?ADS口袋實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)配合Ultralab智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中按照實(shí)驗(yàn)步驟逐步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，其次對(duì)所采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、波形圖、各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果打上了學(xué)生本人的學(xué)號(hào)姓名水印，這種水印是根據(jù)每個(gè)學(xué)生所預(yù)約的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)置的，具有唯一性和不可抄襲性，從根本上杜絕了抄襲現(xiàn)象。同時(shí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告包含了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的所有步驟和細(xì)節(jié)，把學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程完整的呈現(xiàn)出來(lái)。方便了學(xué)生老師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行查詢。

最后，教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)室老師根據(jù)Ultralab智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，進(jìn)行線上批改，按照實(shí)驗(yàn)步驟逐項(xiàng)給分，這部分分?jǐn)?shù)在一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中可以由系統(tǒng)自動(dòng)判分，所得分?jǐn)?shù)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果得分，除了以上實(shí)驗(yàn)得分以外另外一部分是根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、預(yù)習(xí)情況、答疑情況、慕課學(xué)習(xí)情況、課后實(shí)驗(yàn)的拓展情況進(jìn)行主觀評(píng)分，這兩部分分?jǐn)?shù)比例可以在系統(tǒng)中自主進(jìn)行設(shè)置。實(shí)驗(yàn)批改完成后，學(xué)生可以實(shí)時(shí)查看到分?jǐn)?shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程也可以進(jìn)行歷史查詢。對(duì)不明白或者不理解的實(shí)驗(yàn)可以在課后進(jìn)行預(yù)約重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)“口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)借助于Ultralab智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大大拓展了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)方式。讓學(xué)生不再局限于原來(lái)固定的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，同時(shí)加深了實(shí)驗(yàn)難度和實(shí)驗(yàn)廣度，讓學(xué)生從原來(lái)的被動(dòng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換到主動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)生濃厚興趣，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中迸發(fā)出的靈感時(shí)也能有用武之地。另外一方面隨著實(shí)驗(yàn)難度的增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)自由度的增大，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)遇到大量以往實(shí)驗(yàn)不會(huì)遇到的問(wèn)題，這是通過(guò)QQ群詢問(wèn)老師，與同學(xué)在線進(jìn)行討論，再通過(guò)課后實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，把學(xué)生主動(dòng)性完全發(fā)揮出來(lái)，極大的鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力，這樣我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的也就達(dá)到了。