口袋实验室建设与实验教学改革

2017-09-08董介春于瑞涛卫成兵

电气电子教学学报 2017年3期

关键词：口袋实验室实验教学

董介春，于瑞涛，卫成兵

(青岛大学电子信息学院，山东青岛 266071)

口袋实验室建设与实验教学改革

董介春，于瑞涛，卫成兵

(青岛大学电子信息学院，山东青岛 266071)

本文从培养创新型人才的角度出发，分析了目前实验教学中存在的问题，提出了口袋实验室的建设方案，把传统实验室变成“大实验室”，让学生可以随时随地完成新的创意。并根据口袋实验室的特点，在实践性较强的课程中引入了基于项目学习的教学模式，以赛代练，对培养学生自主学习能力、创新能力、团队合作能力等方面都取得了良好效果。

口袋实验室；基于项目学习；实验教学改革

0 引言

2015年10月，国务院印发了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》。

创建世界一流大学和一流学科建设，就是以达到一流为目标，特别是对工科来说，一流的学科一定要有一流的实验室作为保障。实验室是培养创新人才的基地，是培养学生探索精神、创新意识和创新能力的摇篮。一个一流大学，如果没有一个一流的实验室建设理念，没有能够跟上时代发展的实验设备，学生无法开发出高质量的创新项目，那一流大学的建设是做不到的。我们不但要把实验室建设好，而且要管理好、运行好，要让它充分地发挥作用。

1 目前实验教学中存在的问题

目前高校实验室大多为课程实验室，实验装置基本上还是以实验箱为主。实验教学中存在的问题有：①实验箱的功能大多是定制的，预留的扩展接口很少，基本没有留出学生自主发挥的空间；②由于实验学时有限，学生在课内除了完成要求的实验内容外，基本上没有自主发挥的时间[1]；③课程实验室规模相对较小，如果开课班级较多，需要循环多次，这样，课程实验室很难做到开放，设备也无法外借。当学生有奇思妙想时，没条件将这些创意付诸实施，这样就直接或者间接地挫伤了学生的探索积极性。

目前对于大学生工程实践能力的培养质量，中外用人企业的共同反映是：上岗适应慢；创新精神和创新能力欠缺；项目开发能力、团队合作能力、实践动手能力不足；敬业精神等人文素质薄弱等。这些反映都与实验教学中存在的问题有关联。

2 口袋实验室的建设与管理

为培养学生的创新能力，国内大部分高校都建设了创新实验室。但由于受创新实验室容量的限制，学校只好通过层层选拔，让动手能力强的少数学生进入实验室开展创新活动，大部分学生没有机会得到锻炼。为了让大多数学生都能有机会得到锻炼，需要打造一个课内外一体化的自主开发平台，来丰富学生的自主学习资源。为此，我们主张将课程实验室主要用来完成学生的课内实验，并新建口袋实验室，给学生提供自主发挥的平台。

2.1 口袋实验室的由来

如今，越来越多的高校都提出了实验室全天候开放，但受实验室场地、设备数量、实验室管理等多种因素的制约，实验室很难做到完全开放，于是国内外很多高校已经开始转向口袋实验室的建设。

口袋实验室PL(Pocket Labs)最初的概念是由斯坦福大学的Clifton Roozeboom博士提出的，他利用超高密度集成工艺技术将传统实验箱的功能集成在一块如火柴盒大小的线路板上。当时的口袋实验室只有六个组成部分，包括一个加速度计、一个陀螺仪、一个磁强计、一个压力传感器、一个温度传感器和一个无线发送器，价格仅售98美元[3]。后来，英国的德蒙福特大学(De Montfort University)也为学生设计了一款以FPGA/ARM为核心的最小系统开发板，供学生在课内外实验、创新项目开发时使用。

口袋实验室的设备虽然体积小(小的只有火柴盒大，大的也不过一本书大)，但价格低、功能全。整个实验室的建设不需要太多投资，也可以分批建设，基本上可以做到“一人一板，随时学习”，这样学生就不再局限于实验室，只要背着笔记本电脑，口袋里装着口袋实验室，无论何时何地都不会让思想的火花泯灭，这一概念受到广大师生的欢迎和好评。世界知名公司也开始注意到口袋实验室在实验教学中的作用，纷纷开发出相关产品。

2.2 建设口袋实验室，搭建创新平台

为解决实验学时少、创新训练不足的问题，我校投资新建了口袋实验室。根据电子信息类专业特点，购置了单片机最小系统开发板500套、FPGA最小系统开发板200套、DSP最小系统开发板200套等，同时添置了若干套常规的传感器与控制器模块，如陀螺仪、加速度计、温湿度传感器、超声波传感器、压力传感器、红外传感器、光敏传感器、霍尔传感器、步进电机及其驱动模块、激光传感器、蓝牙模块、GPS模块、WIFI模块等。套件的功能丰富多彩，涵盖了模拟电路、数字电路、单片机、FPGA/CPLD、DSP、ARM等多个方面，可以帮助学生掌握电子信息类相关专业技术，支持学生实现创新作品的多种创意。

口袋实验室体现了一种创新的教学理念。由于该装置的便携性，学生不再依赖于传统实验室，他们通过提前借用实验室最小系统开发板和相关传感器、控制器模块，通过杜邦线连接，在宿舍、食堂、教室、操场……甚至任何一个可以工作和学习的地方，随时随地来完成课内外实验，开展创新项目开发、课程设计、毕业设计等相关内容。口袋实验室的建成，拓宽了实验的时间、空间概念，既满足了学生的学习需求又给他们自主安排学习时间留有余地，较好地解决了实验内容增加与规定学时减少带来的矛盾，有利于学生创新实践能力的培养，也有助于学生的个性化发展。一个真正意义上的全开放、全共享、课内外一体化的自主学习实践平台正式建立[3]。

2.3 创新实验室是口袋实验室的补充

口袋实验室的建设，给学生提供了开发创新的舞台，但学生利用口袋实验室设计作品时，可能要用到相关设备来进行调试、测量，我们又建设了创新实验室。实验室现有设备32套，包括电脑、直流可编程电源、数字示波器、DDS信号发生器、数字万用表等常规设备，也有部分Agilent频谱分析仪和NI公司的数据采集卡、ELVIS II+、myDAQ、myRIO等创新开发平台，同时还配备了自制印刷线路板的激光雕刻机。

创新实验室不同于课程实验室，作为对口袋实验室的补充，它不受上课时间的限制，实现全天候开放，学生随时可以进入实验室，来进行相关设计与调试工作。为丰富学生的科技文化生活，教师或学生还会在创新实验室定期组织技术沙龙，组织多种技术培训、创新项目开发交流，组织各项比赛前的练兵，也有教师、企业工程师为同学们答疑解惑，同时也作为电子创新协会的活动场地，一切都为培养学生的动手实践能力和创新精神铺路搭桥。

2.4 口袋实验室的管理

为了充分发挥口袋实验室的作用，让尽可能多的学生受益，我们制订了口袋实验室管理办法，并参照图书馆的管理模式，实现了口袋实验室的信息化管理，学生可以凭学生证到口袋实验室借用设备。管理数据库中包含设备借用人的信息及设备的借用、归还、预约、续借等功能。借用时长一般为一个学期，如果学生在借用期限内不能完成相关项目设计，可到实验室办理续借手续；如果逾期未完成续借，可按实验室相关规定给予适当罚款，如果设备丢失或损坏要根据有关规定进行处理。

3 基于口袋实验室的教学改革

3.1 引入基于项目的教学模式

基于项目的教学模式就是以项目设计为主线，通过查找资料，灵活运用所学的理论知识，设计出一个与该课程相关的工程项目，达到理论和实践的统一的教学目的。整个过程分为项目选题、搜集资料、方案论证、设计制作、成果展示和考核评价等六个步骤[4]。首先，要求学生根据自己的兴趣爱好自由分组，每组3人左右，目的是通过分工合作共同完成设计项目，培养学生的团队精神。课题可由学生自主选择，也可参考往年电子设计大赛、物联网设计大赛的题目。其次，学生需要明确项目目标，通过搜集资料，提出系统设计方案，然后独立解决实际工程中遇到的各种问题，并依靠团队合作确保项目进度。最后，在期末的成果展示和答辩环节中需要简洁凝练地表达出自己所做的工作及成果亮点，这些都是今后工作中的必备素质。项目考核采用自我评价、同学评价、教师评价、企业评价相结合的方式，综合评定学生的成绩[5]。

我们在“单片机原理及应用”、“可编程逻辑器件”、“虚拟仪器技术”、“DSP应用技术”、“嵌入式系统设计”等实践性较强的课程中率先引入了基于项目学习的教学模式，理论教学也尽量安排在教学实验室进行，学生可以将课堂所学的理论与实际应用相结合。同时利用口袋实验室随时可以开展实验的便利条件，教师引导学生通过项目设计自主发现问题、解决问题，培养学生的创新能力、动手能力与团队合作精神。

3.2 口袋实验室在慕课中的应用

随着互联网技术的发展，大规模在线课程(MOOCs)引发了高等教育的改革。中国大学(慕课)是爱课程网携手云课堂打造的在线学习平台，腾讯、好课网等也相继推出了专业在线教育，他们聚合了大量优质教育机构和教学名师，开发了多门在线课程。每一位学生都可以从中学到最好的大学课程，都可以接触到高品质的教育。近年来，参与MOOCs学习的学生越来越多。

据《自然》杂志报道称，在线课程虽然能够传输公式和概念，但无法将这些知识应用于实践中。英国米尔顿凯恩斯开放大学的教育学家Mike Sharples说，实验室是为学生提供接触真正实验设备、分析真实数据、观察奇妙现象的平台，在网络上，不可能把学生集中到一个传统实验室里，也没法给予学生安排实验、分析数据的环境。我们建设的口袋实验室就可以弥补工科专业学生学习MOOCs的实验问题，学生只需借用实验室的相关设备，就可以随时完成MOOCs实验。口袋实验室也会逐步完善增加相关设备以满足学生学习MOOCs的需要。

3.3 以赛代练，让学生有目的的学习

利用口袋实验室的资源，由学生根据自己的兴趣自主选题。兴趣有了，学生的主动性就会提高。我们在平时的训练中有意引入了往年的各项竞赛题目，如数据采集、无线传输系统、电源设计、简单仪器仪表设计等。通过有目的的锻炼，选拔能力强的学生参加相关的比赛。通过竞赛，既可以培养学生查阅资料能力、自学能力、分析问题与解决问题的能力、综合设计与调试能力，又可以培养学生理论联系实际的作风、团结协作精神和创新意识，提高学生的综合素质，促使有创新意识和创新能力的优秀学生脱颖而出，为其毕业后从事电子产品、电子系统设计方面的工作打下良好基础。

3.4 口袋实验室应用获丰硕成果

采用基于项目的教学模式，激发了学生提出许多创新的方法来解决特定的问题。在解决问题的过程中，学生根据自己的特点借助口袋实验室完成相关的实验项目。课程结束后，我们从学生那里收集到了非常积极的反馈。

(董介春等文)

这些反馈中，特别值得一提的是：我校2013级、2014级学生利用口袋实验室的便利条件和创新实验室平台自主设计开发了智能光控窗帘、饭店送菜机器人、物联网智能家居系统、两轮自平衡小车、四旋翼飞行器、基于FPGA的数字示波器、基于DSP的汽车识别系统、智能鼠标、智慧校园等多个创新项目，收到了良好效果。由于整个过程均以学生为主体，让学生从被动接受变为主动学习，极大地激发了学生的探索心理与设计欲望，因而能显著提高学生的动手实践能力，培养创新意识，为今后从事实际工作或进一步参与科研项目打下基础。

4 结语

口袋实验室的运行，对培养学生的动手实践能力和创新精神起到了非常好的推动作用。近年来，我院学生在全国、山东省电子设计大赛、挑战杯、嵌入式物联网设计大赛和机器人大赛中都取得了较好成绩，收到了良好效果。借助于口袋实验室的多种

最小系统开发板套件和创新实验室的高性能仪器设备，学生可以充分利用课外时间，完成课后作业、项目实践或其它科技创新活动，“学中做，做中学”，“睿智玩，随心创”，从而将传统的实验室概念扩展为“大实验室”，让学生能够随时随地“Do Engineering”，全面培养学生的综合能力和专业素质。

[1] 漆强，刘爽. 基于嵌入式系统的“口袋实验室”设计[J]．北京：实验技术与管理，2015，32(12)：97-102.

[2] 姜志鹏，陈正宇，史金芬等. 应用型工科院校“口袋实验室”培养模式探索--以电子信息专业为例[J]．石家庄：统计与管理，2015(10)：173-174.

[3] 刘艳，秦昌明. “口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用[J]．北京：实验技术与管理，2015，32(8)：212-215．

[4] 鹿玲，陈锦江等．机械制造工艺学课程基于项目的教学新模式探索与实践[J]．秦皇岛：教学研究，2011，34(3)：44-47.

[5] 向学军，刘平，夏昌浩. 基于项目的学习模式在“虚拟仪器技术”课程的应用[J]．南京：电气电子教学学报，2006，28(3)：18-20.

本刊在第四届中国学术期刊评价为“RCCSE”中国核心学术期刊(A-)

The Construction of Pocket Labs and Experimental Teaching Reform

DONG Jie-chun， YU Rui-tao， WEI Cheng-bing

(SchoolofElectronicsandInformation,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)

The current problems existing in the experimental teaching are analyzed from the perspective of creative talents, this paper presented the construction projects of the pocket labs, we have developed the traditional laboratory into Wide Lab so that students can be done experiments anytime, anywhere with new ideas. And according to the features of pocket labs, the teaching mode based on project learning is introduced in practical courses, to leveling the match, we have achieved good results on the cultivation of students′ autonomous learning ability, creativity, teamwork ability and so on.

pocket labs; project-based learning; experiment teaching reform