基于口袋实验室的电子技术开放实验室教学改革与实践

张康立

（江南大学物联网工程学院 江苏·无锡 214122）

0 引言

电子技术实验课程在面向低年级学生同时面向部分非电类工科专业，对学生工程素养的培养的基础性地位不可替代。电子技术实验包括电子技术实验基础知识、模拟电路实验、数字电路实验、电子电路调试与故障检测技术、常用元器件及测量仪器。通过该课程实验学习学生不仅能够认知常用电子元器件并能够选型、掌握常用测量仪器仪表使用、模拟及数字电路基础验证、设计一定复杂度的模数混合电路。但现实中学生只能在固定的实验设备中进行简单“傻瓜”型的操作，无法进行自主性实验，此时需要创新实验模式与管理手段，探索新的实验方式来达到增强学生的实践动手能力的实验教学目的。

1 基于口袋实验室的实验教学改革

以新工科背景及符合专业工程认证体系新修订的实验教学大纲为指导、在不显著增加学时数的前提下加大实验内容深度与广度，增加综合设计性实验比例，增强学生的自主实验能力，为此我们采用混合式的教学模式，这个模式以“口袋实验室”自主实验平台进行实验，结合Ultralab智能实验室系统进行实验数据采集及管理同时在课后实行开放实验室管理模式。

1.1 “口袋实验室”平台教学规划

口袋实验室设备的选择应以体积小、功能全、操作简单、可扩展性为主要原则，为此我们选择了ADS(Analog Discovery Studio)实验平台(如图1)，该设备是一款功能齐全的便携式虚拟仪器平台。配备13种仪器，包括示波器，逻辑分析仪，频谱分析仪，波形发生器等，能完成各种实验和实验数据的测量，同时具有可更换的面包板，采用ADS实验平台的实验无论在实验方法、实验场地、实验时间上都摆脱了以前旧的实验模式的缺点和不足。

图1：ADS硬件平台

在实验方法上，学生使用实验室事先配发的导线和实验所需元器件，根据实验要求在面包板上进行自主搭建实验电路。然后通过PC端的WinForm虚拟仪器配套软件（如图2）对实验过程中的各种数据进行测量。这一过程改变了以往旧的实验模式中在已有的固定搭建的电路中简单拔插连接导线的实验过程，极大锻炼了学生动手能力。

图2：WinForm软件界面

在实验场地上，学生利用ADS不仅可以在实验室开展实验，当课内未完成实验时,还可以在课后继续完成后续实验。同时配合Ultralab智能实验系统实现在线采集数据，上传数据，在线完成实验报告。极大的扩展了学生的实验时间和实验的自主性。

为了配合“口袋实验室”平台的使用，辅助学生进行实验、方便学生课前预习和课后自主性实验，实验室教师团队在慕课平台创建了在线实验课程。课程中上传了实验前的准备说明、实验讲义、实验PPT，实验相关视频等。每个实验课程都建立独立的QQ群，在群里可以进行答疑、资料共享，帮助学生进行实验。

1.2 Ultralab智能实验室系统的教学规划

随着计算机化、网络化在现代教学特别是实验教学中的作用越来越明显和越来越深入，实验数据需要进行实时查看和历史回放，实验过程需要进行重现、实验设备也需要进行在线管理，所以与“口袋实验室”这样自主性实验平台的相配套的智能实验系统就成为必须，Ultralab智能实验室系统就是这样一款在线智能实验管理系统。对于老师来说可以利用Ultralab智能实验室系统进行自主创建实验课程、这些实验课程可以是基础实验、综合设计性的实验、拓展性的实验等。当完成实验设计并发布后，可以接收学生申请和预约实验，批改实验报告、管理实验室设备等工作，而对于学生来说可以申请和预约课内和课外的实验，可以远程开展实验，上传实验数据，实时和查看实验结果。查询实验报告批改和评价等。

为了拓展学生实验的场地和实验时间，Ultralab智能实验室系统提供了各种登录平台方式，学生在实验室内通过局域网或者在实验室外通过校园网登录智能实验室系统平台(见图3),登录后进行实验的预约同时自主选择自己的实验台(见图4)，结合ADS虚拟仪器平台进行实验，采集实验数据，最后编辑实验报告进行在线提交。

图3：Ultralab智能实验室系统登录

图4：Ultralab智能实验室系统实验预约

为了拓展实验室的使用时间，实验室实行课后对学生进行开放。智能实验系统对实验室进行开放管理，课后需要使用实验室的学生通过智能实验平台进行网上预约，预约成功后在预约好的时间内通过刷卡进入实验室，在预约指定的实验台进行实验。预约的实验时间结束后实验台自动终止实验。实验室管理人员可以通过远程登录智能实验平台查看实验室使用情况，根据需要进行远程关闭实验台电源，从而实现无人值守实验室管理的要求。实现实验室的开放管理后，学生不仅在课后可以充分利用实验室的硬件资源，同样也可以使用实验室的智能实验系统资源，在课后所做的实验可以是未完成的课上的实验的继续，也可以是学生突发灵感的实验拓展。这样方式极大的激发学生对实验的兴趣，扩展了学生对实验时间的投入时间，增强了学生的实践能力。

1.3 “口袋实验室”教学案例分析

开展基于“口袋实验室”的实验实验教学时，首先实验教师在Ultralab智能实验系统创建实验，设计实验要求，给出实验任务和说明，同时在慕课平台系统上传实验相关资源包括各种文档、视频等同时设置讨论版块，布置实验思考题以及实验后的拓展任务，相关资料同时在QQ群同步实时共享。完成实验创建后在平台中启用实验，给指定班级创建的实验课程，最后发布实验课程，这时学生可以通过Ultralab智能平台在实验前进行预约实验，并在预约的时间内开始实验，实验过程中按照实验要求进行设计和搭建电路，使用虚拟仪器采集实验数据并上传，完成实验后，进入实验报告编写，在实验过程中的已采集的实验数据会自动填入到实验报告中，学生完成实验报告编写后保存提交报告，随后老师对实验报告进行批改，学生随时可以查看实验报告及成绩（见图5）。

图5：实验基本流程

这里我们以实验《RLC串联谐振电路的研究》为例，电路原理图如图6，通过分析电路图并不是很复杂，但相对于旧的实验模式来说新的实验平台需要学生自己选择元件、自己搭建电路、自己进行电路的调试。在这个过程中锻炼了学生动手设计能力，在搭建电路中遇到问题解决问题的能力。

图6：实验电路原理图

首先，根据电路原理图学生完成元件的选择，电路的设计和搭建，该实验电路需要输出电压Ui=500mVPP的信号源，通过ADS的虚拟仪器中的任意波形发生器来生成这个信号源，这需要学生通过WaveForms软件进行设置（见图7），因Wave-Forms的操作使用较为复杂，为此我们在慕课上上传了软件操作的流程说明图片以方便学生进行学习，以下各图都包含了WaveForms的操作说明。信号源设置完成后，ADS函数信号发生器的红黑夹子夹到电路的电源两端，ADS测量电压的蓝白线接到电路的电阻两端准备测量电阻两端电压（见图8）。下一步找出电路的谐振频率，在实验中将ADS的电压表接线接到R1电阻两端，通过设置ADS的虚拟仪器Wavegen(波形发生器)令信号源的频率由小逐渐变大，当虚拟仪器Voltmeter（电压表）中的U0的度数最大时，读得信号源上的频率值即为电路的谐振频率(见图9)，把调好的实际谐振频率的正弦波用示波器显示出来，在实验系统中采集出来，放在实验报告中(见图10)。谐振频率调节完毕后开始测量Uc与Ul的值。然后在谐振点两侧按频率递增或递减2KHz，依次各取4个测量点。逐点测出Uo,Uc,Ul。完成实验后把各项数据和波形采集到实验报告中（见图11）然后进行提交。

图7：函数信号发生器设置

图8：电阻两端电压测量B

图9：调节实际谐振频率

图10：示波器显示谐振频率的正弦波

图11：实验数据的采集

从整个实验过程可以看出实验数据的采集只需要ADS连接PC进行软件操作。摆脱了以往实验笨重的实验箱连接各种实验仪器。学生完全可以在宿舍、图书馆、教室里通过网络连接智能实验系统完成各类实验。摆脱了老的实验模式的地点、时间的限制。在自主的实验过程中还可以随时加入同学和老师的讨论群和讨论版块进行实时实验思路的讨论。在讨论中拓展实验思路，解决实验中遇到的各种问题。

考虑到新的实验模式下，有部分实验可能是在课外独立完成的，如何防止学生之间对实验数据的抄袭现象，如何公正全面评价学生的实验能力呢？首先 ADS口袋实验室平台配合Ultralab智能实验系统在实验过程中按照实验步骤逐步进行实验数据的采集，其次对所采集的实验数据、波形图、各种实验结果打上了学生本人的学号姓名水印，这种水印是根据每个学生所预约的实验平台进行设置的，具有唯一性和不可抄袭性，从根本上杜绝了抄袭现象。同时实验报告包含了整个实验的所有步骤和细节，把学生的实验操作过程完整的呈现出来。方便了学生老师对实验内容进行查询。

最后，教师对学生实验进行评价。

实验室老师根据Ultralab智能实验系统提交的实验报告，进行线上批改，按照实验步骤逐项给分，这部分分数在一些基础实验中可以由系统自动判分，所得分数是实验数据结果得分，除了以上实验得分以外另外一部分是根据学生的实验态度、预习情况、答疑情况、慕课学习情况、课后实验的拓展情况进行主观评分，这两部分分数比例可以在系统中自主进行设置。实验批改完成后，学生可以实时查看到分数，对实验过程也可以进行历史查询。对不明白或者不理解的实验可以在课后进行预约重新进行实验。

2 结束语

通过“口袋实验室”平台借助于Ultralab智能实验系统大大拓展了学生的实验时间、实验场地、实验方式。让学生不再局限于原来固定的几个实验学时，同时加深了实验难度和实验广度，让学生从原来的被动实验转换到主动实验，对实验发生浓厚兴趣，当学生在学习过程中迸发出的灵感时也能有用武之地。另外一方面随着实验难度的增强，实验自由度的增大，学生在实验过程中会遇到大量以往实验不会遇到的问题，这是通过QQ群询问老师，与同学在线进行讨论，再通过课后实验的验证，把学生主动性完全发挥出来，极大的锻炼学生学习和实践能力，这样我们的实验教学改革的目的也就达到了。