“口袋实验室”在电子技术实验教学中的改革探索

宫亚梅，邓志辉，裴志坚

（常州信息职业技术学院智能装备学院，江苏常州，213164）

0 电子技术实验教学现状分析

以笔者所在学院装备智能化技术专业群中6大专业的电子技术实验教学为例，近十年来一直沿用的传统实验教学模式，在固定的场所、固定的时间、应用固定的实验箱、进行固定的实验验证。这种“四固”的实验模式中，固定的场所和固定的时间授课学习，使得教学资源具有一定的时效性，学生对于没有完成的任务训练只能随着课堂的结束而被动终止，不利于学生个性化技能学习进度的自我调节；固定的实验箱和固定的实验验证，使得学生只能被动地接收技能和操作训练，基本没有留出学生自主发挥的空间，无法自主开展动手实践机会，不利于培养学生的工程意识和创新型思维。

1 电子技术实验教学改革的缘由

如今，随着MOOC、在线学习、翻转课堂的推广实施，使得学生在理论知识学习时，可以不受时空的限制无限次地享受获取与课堂同等的教学资源，这大大提高了理论知识教与学的效果。因此，对于不可或缺的实验操作技能训练应该可以借鉴理论教学的实施模式，而这就需要将实验设备微型化，方便携带，允许实验者自选场合自选时间进行实验，才能形成一种不受时间、空间限制的全新实验教学模式，达到以学生为中心，满足学生的个性化学习需求，让学生真正融入实验的学习和创新。

口袋实验室理念是近几年由美国德州仪器（TI）和赛灵思（Xilinx）中国大学计划项目引入中国，泛指各种功能强大的小型开发板，引入口袋实验室后才可以实现真正的基于“全开放实验室”的实验教学模式[1-5]。

（1）学生提前预习实验，自己搭建实验电路、完成实验操作步骤和数据记录，解决有可能出现的各方面问题，培养学生能够自主完成实验的能力、发现存在问题并改正的基本能力，学习效率以及独立学习能力会大大提升。

（2）课内时间有限，课外有充分的时间思考实验的实现原理、合理性以及性能改进方案，这样的方式需要动手动脑，学生的学习主动性自然就提起来了，对操作更有兴趣，培养学生由被动接受知识到主动参与的转变。

（3）从专业基础课开始抓起，三年实践不断线，动手能力循序渐进，培养学生的工程意识，为学生后续相关的专业综合设计能力打下坚实的基础。

（4）学生结合自己的学习兴趣，可以在口袋实验室上自由发挥，实现瞬间创意灵感，通过自己的设计，发现问题，带着问题有目的地寻找解决路径，培养创新型思维，获得新知识、新启蒙的能力。

（5）在项目实施过程中，如果涉及课堂上还未教过的知识时，需要学生查阅大量的文献资料，经过充分的小组讨论和论证，学生之间需要经常性地交换实验体会和想法，提高学生自主协作的团队能力。

2 电子技术实验教学改革方案

（1）实验改革教学模块分析

针对学院智能制造专业大类的专业基础课电子技术课程，走访行业，兄弟院校，交流课程标准、计划，课程实施等内容，选取适合改革的实验项目模块，如图1所示。

图1 电子技术“口袋”实验项目

（2）口袋实验室资源建设和管理

第一，充分调研选择性价比高的“口袋实验室”产品，如图2所示的PocketLab实验板[6]，该实验板价格便宜、体积小，携带方便，电脑安装配套的软件（图3所示）就可以实现示波器、信号发生器、电源、直流电压表等多种仪器仪表的功能。

图2 PocketLab实验板

图3 PocketLab软件界面

第二，根据实验目的、实验器材、实验步骤、实验数据记录和实验数据处理，设计编写基于口袋实验室操作的实验项目任务书。

第三，在学校提供的超星在线平台上，完成基于“口袋实验室”实验项目在线资源建设，包括PPT、微课、视频、任务书、报告等。

第四，探索口袋实验室管理机制，考虑到人手一个口袋实验室，而且每届学生能够重复使用，学习图书馆图书管理形式，学校统一批量购买实验板，以借用的形式让学生在课程学习期间免费使用，课程结束后再统一归还，让实验板的实用价值最大化。

第五，口袋实验室实验项目实施调查。设计调查问卷，根据调查结果统计数据撰写报告，进行效果分析并完善优化实施方案。

（3）实验教学改革成效促进机制

第一，探索项目制教学模式改革。即以项目设计为主线，要求学生组成项目团队，结合所学知识，提出系统设计方案，独立解决项目实施中遇到的各种问题，并依靠团队合作确保项目进度。

第二，建立作品设计库。除了常规实验外，让学生自主设计一些简单作品，作品中必须包含一定数量的场景应用范围，且不能雷同。期末进行作品设计成果展示，要求学生陈述自己所做的工作及成果亮点，并现场答辩，回应师生的提问和质疑。通过答辩后的作品可以列入作品设计库并进行陈列。

第三，探索设立作品设计大赛。每教学周期内举办一次实验作品设计大赛，要求相关专业的同学都必须参加，让每位同学都有展示自己作品的机会，以改变学生被动的学习状态，让学生体会到实践的快乐。同时通过以老带新的模式，调动下一届学生的学习积极性。

第四，促进创新创业。在校内作品设计大赛的基础上，鼓励学生利用口袋实验室的资源，根据自己的兴趣自主选题，参加创新创业的作品设计大赛，好的作品可以申请专利。

3 电子技术实验教学改革的可行性

（1）理论课在线教学平台的建设、翻转课堂的实施已积累了经验

目前，我院电子技术课程已建立了理论课教学平台，并上传资源，实施三年来，取得了很好的效果，老师能借用平台及时推送资源以及收集学生当前的学情，学生也能通过平台方便快捷地获取学习资源，进行有效学习，理论课翻转课堂的顺利实施，为实验课翻转课堂专业资源建设、制度建设以及“多方汇聚”的师资团队建设等内容的研究积累了经验。

（2）“名师工作室”为教学改革提供了实践保障

我院“名师工作室”构建了校企混编教学团队来共同参与学生培养，该工作室的研究基础为拔尖创新人才多学科交叉能力的培养提供了实践保障，让学生能够顺利通过项目的实施和完成，提高实践技能和创新能力。

4 电子技术实验教学改革案例

这里我们以第二个实验项目《集成运算放大器的测试》中一个子任务“反相放大器”为例，电路原理如图4所示。

图4 反相放大器电路原理图

首先，需要完成电路的连接。

要在面包板上把电路搭建起来，分析图4的电路原理图，查找资料设计需要的元器件清单如表1所示，实际连接时，将LM358的2号引脚接在串联的电阻R1和RF之间，如图5所示。该电路中还需要2个直流电源VCC、VDD，这可以将实验板上5V、-5V、GND引出，分别作为VCC、VDD和地，如图6所示；然后，将三根电源线分别连接到LM358的8、4和3号引脚上，如图7所示。图4电路中输入信号源和输出信号测量，取自于实验板左下角的信号发生器和示波器，连接之后的完整电路如图8所示。

表1 电路元器件清单

图5 元器件连接

图6 实验板电源

图7 实验板电源与电路的连接

图8 实验电路连接全局图

接着，打开软件，根据表2中第一次输入Ui的参数值，在软件信号发生器界面中设置输入信号的频率为1000Hz和幅值为20mV，点击“Set”，确认输入信号正确传送给面包板上的电路，设置界面如图9所示；然后，切换到示波器界面如图10所示，可以看出两个波形，CH2为输入信号，CH1为输出信号，调整图10右边的刻度盘，观察波形，让两个波形分别在左侧的面板上显示完整的一个周期，继续从波形图中可以读出输出信号的频率为1000Hz和幅值为2017mV，将数据记录在表2中。第二次和第三次输入信号源设置和示波器读数相同方法，略。

表2 测量数据记录

最后，对实验的数据进行分析和处理。通过图10中产生的两个波形对比可以发现，两个波形波峰和波谷正好是相反的，可知输入和输出是反相的；另外，从记录的数据会发现，该电路输出的信号和输入信号频率相同，只是测出的输出比输入幅值要大，根据计算结果，放大倍数AV约等于100，与理论公式AV=-RF/R1计算出来的放大倍数近似相等。

通过该案例，完整地展现了如何通过“口袋实验室”完成自主实验全过程，这当中的元器件清单表2仅举例一种情况，不同的学生设置的清单不应该雷同；图6中电源的获取，由于实验板提供了多种电源，不同的同学可以选取不同的连接方式；还有，对于表2的设置取值也不应该相同，满足三次实验中两次幅值相同，两次频率相同即可。因此，基于“口袋实验室”的实验完全可以做到，一生一方案，个性化实验更能促进学生独立思考，有助于提高学生的实践能力。

图9 电路输入信号设置

图10 示波器显示界面

5 结束语

基于口袋实验室的翻转教学模式采用以学习者为中心的工程教育模式，改变了传统的在固定时间、固定地点的实验室进行实验的模式，使得实验可以在学校已建机房、普通多媒体教室（学生自备电脑）、寝室、图书馆、公共自修室等一般场所进行，打破了传统实验的时间和空间限制，学生能够更自由地自主安排学习时间，也能提高实验器材的利用率。

基于口袋实验室的翻转教学模式对接新工科人才“创意-创新-创业”教育体系，能够激发学生专业兴趣，不同类型的套件组合能分别帮助学生学习专业相关技术（学习型）和实现创新作品的各种创意（应用型），其引入能让学生在课外有更多动手操作的机会，不仅能提高动手实践能力、理论与实践结合能力，还能提升学生的创新能力。

基于口袋实验室的翻转教学模式采用技术创新工程实践教学方式，能够融合线上线下教学资源，提高学生学习的自主性，推动理论与实践的深度融合，真正实现了实验课程的教学翻转。