綜合實驗教學中如何培養學生的動手能力

【摘 要】在教學改革中，實驗課教學也要不斷改革與創新。本文結合網絡工程專業開設的綜合實驗課程，探討了為培養應用型人才在安排課程方面的一些指導思想，包括如何提高實驗課的理論指導和技術操作水平、培養學生的創新能力、訓練學生的基本實驗技能、鞏固基本概念以及提升學生的綜合素質方面的一些做法和考慮。

【關鍵詞】大型綜合實驗 應用型人才 實驗技能 教學改革

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）16-0062-02

隨著教育改革的深入，如何通過各個環節達到培養適應21世紀發展需要的應用型人才，是教學實驗所面臨的重要問題。所謂大型綜合實驗是在高年級安排的實習課程中具有一定量的專業知識的綜合實驗。通過綜合實驗來培養學生的應用能力，在教學中發揮學生的主觀能動性，是培養應用型人才的科學實驗平臺。

針對上述問題，結合我校近年來陸續開設了園區網組建綜合實驗、協議分析綜合實驗、微型計算機控制系統設計綜合實驗等多門綜合實驗課程。本文結合這些綜合實驗談談實驗安排的指導思想和課程教學方面的一些體會。

一 給學生留有發揮空間，培養他們的創新能力

在園區網組建綜合實驗課程中，我們選擇中型網絡構建一個通用、開放的教學和實驗平臺，除了那些涉及網絡技術、交換技術、路由技術等基礎知識的控制模塊、通信模塊、交互模塊以外，還涉及服務器系統、分布式數據庫等研究的前沿課題。使學生可以在這個平臺上實現和檢驗所學習的理論，探索和研究新的方法，培養促進學生的資料閱讀及綜合能力、總體設計及實驗能力。課程內容便于因材施教，給學生深入鉆研以及發揮創造性的空間。

要實現實驗課程教學從知識型到應用型的轉變，就要實現課程從以教師為主體到以學生為主體的轉變，如何安排大型綜合實驗課，是較重要的一環。園區網組建綜合實驗就是以學生為主體，讓學生自主地去學習，根據如何設計優秀的園區網“交換”和“路由”，如何架構網絡拓撲，進行局域乃至全局的通信。由學生自己提出問題、制訂解決問題的方案，再去解決問題。教師對學生的研究進行啟發式的指導。

在基于linux系統的協議分析綜合實驗設計中，隸屬傳輸層的協議控制的設計是關鍵，選擇合適的協議控制對帶寬占用的高效性有直接影響。目前現有協議控制的方式大多數采用UDP協議的SOCKET套接字函數來實現，它結構簡單，便于軟件系統實現。但存在控制力度不足的缺點，很難正確反映流量數據包的分布關系。實際上多數網絡流量是突發性的，呈正態分布或類似概率分布函數關系。在協議分析中，當協議規則確定后，管理控制系統的性能在很大程度上取決于管理數據包在整個網絡傳輸系統中所占的優先級。目前常用的優先級分配方法有二進制退避算法、靜態優先級分配法、專家經驗法等，而實現優化的優先級分配算法，存在著運算精度與速度和管理系統本身復雜度之間的矛盾，即精度提高，會使軟件開發成本很高，編程復雜度加大，如何解決好這對矛盾，使兩者兼顧，我們提出目標，引導學生研究，創新更精確、簡單的數學方法及結構實現方法，達到簡單網絡管理控制的最佳效果。在課程設計中我們強調學生的主體地位，教師講清題目意義、給出部分參考資料，提出基本要求和研究目標。學生自主查閱相關資料、設計算法和結構、設計實驗方案、處理實驗數據、分析實驗結果、進行實驗研究，讓學生更充分地思考與研究。在這一過程中，教師下功夫組織好討論課，在討論課上發現有創新性的思想和方法，鼓勵他們并進行引導，使閃亮的火花能結出碩果。師生之間、生生之間相互交流、相互討論、相互啟發，常常會得到意想不到的收獲。學生在教師的引導下在NS2和MATLAB上分別仿真實現了運用查表法、二進制二分搜索“逼近”法以及線性插補法等實現任意網絡流量情況下的高效管理。經常有學生在相應會議和國內刊物上發表相關文章，學生普遍反映得到了一次極好的學習和鍛煉機會。

二 鞏固基本概念，提高實驗技能

綜合實驗的另一個訓練目標就是鞏固基本概念，提高基本技能。因此，在綜合實驗中要注意安排各個環節鞏固學生的基本概念，并訓練學生學習網絡通斷測試儀、協議開發模擬平臺、思博倫測試儀等現代網絡技術構建和開發的基本儀器和工具。

在為學生開設的微型計算機控制系統設計綜合實驗中，目標是設計一個微型計算機控制系統，最終使該系統能實現單回路閉環控制和四通道數據采集。課程要求學生設計、調試微型計算機控制系統的硬件和軟件。

該實驗主要針對部分學生中還存在著重理論、輕實踐的傾向，一般課程的實驗內容比較單一，實驗學時比較少，教師們也普遍反映學生的基本概念不太清楚、動手能力較差，學生們接觸計算機硬件的機會較少，基本實驗技能較弱。我們通過實驗培養學生的動手能力，提高學生的綜合設計和實驗調試能力。如在系統設計中，不提供程序框圖、不提供參數，讓學生根據實測受控對象的參數設計系統，運用所學積分離散PID算法編寫程序，學生通過動手編制、調試，對系統進行分析，學會如何選定采樣周期、如何調試整個系統，學生們反映收獲很大。有的學生在實驗報告中說：“PID算法我學了三遍，每個字母代表什么總是記不清，做完這次課程設計，才真正理解了PID。”

我們在實驗的交換機實驗板中預留了一些選項，提供給學生設計思考，促進學生鞏固基本概念。如模擬電路和數字電路共地點的選擇問題，首先讓學生必須牢記系統中各個電路模塊必須共地，其次讓學生在實驗中體會應該怎樣選擇共地點，在模擬與數字電源之間、A/D電路的模擬地與數字地之間等，預留實驗選擇點，使學生通過選擇比較，對“在系統中對信號精度要求較高的電路處共地”有所體會。又如微處理器的總線具有三態功能，在系統設計中對處理器的總線往往需要添加地址鎖存器和數據驅動器，微計算機技術的基本概念之一是添加驅動器以后要使總線繼續保持三態功能。為此，我們在驅動器的控制邏輯部分增加選擇項，促使學生考慮總線驅動以后如何控制總線的三態。

通過實驗，強化了理論知識，得到了一定的工程訓練，提高了基本實驗技能，一些簡單的問題能迎刃而解。

三 力求實驗的實用性、趣味性和競技性，培養學生的團隊精神

實驗過程中實用性、趣味性和競技性也是調動學生學習積極性的重要因素。園區網組建綜合實驗、協議分析綜合實驗和微型計算機控制系統設計分別是完整的系統，這些系統完成以后，具有實用價值。不少同學自己動手完成微型計算機控制系統，實現對電機的速度與轉矩的高品質控制以后興奮不已，激動地說：“我們低年級時參觀過××研究所的計算機控制系統，如今我們親自實現了。”有些學生用較少的二層交換機冗余設計實現了園區網在惡劣環境下的傳輸穩定性，撰寫的文章被國際會議錄取，深情地說道：“給自己留下深刻的影響，鞭策我繼續努力學習，刻苦鉆研。”

在討論課中開展設計方案討論，讓學生們進行方案比較，充分發揮學生的想象力和聰明才智，是激發學生積極性的措施之一。在協議分析應用教學中，我們始終上好討論課，討論課是學生最踴躍的交流環節。教師在課上選擇幾個比較有特點的設計方案，由學生講解。教師再引導學生進行探索優化，往往都能推出有創造性的方案，也極大地提高了學生的學習熱情。

先后開設的綜合實驗，都需要兩個以上學生配合完成。特別是園區網組建綜合實驗，每組學生完成自己的區域拓撲、交換和路由等規劃決策以后，還要和隊中隊友協調，制定整體安全策略。課程結束時，要安排實際網絡攻防對抗，除了激發學生的學習興趣以外，還可以鍛煉學生的組織能力、協作能力和培養團隊精神，促進學生素質全面發展。

四 結束語

我們經過不斷的努力和探索，在實驗教學改革方面做了一些有益的嘗試，增強了學生上實驗課的興趣和自覺精神。大型綜合性實驗是學生從單純書本學習轉變到學習如何進行科研與開發的第一步，課程的開設提高了學生科學實驗的興趣和探索解決難題的能力，培養了學生的獨立思考和分析解決問題的能力，有利于培養21世紀需要的具有創新能力的應用型人才。

參考文獻

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〔責任編輯：龐遠燕〕