基于口袋實驗室的電子類專業(yè)實踐教學(xué)改革與研究

郭旻+劉豐

摘 要 電子類專業(yè)傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方式已經(jīng)不能適應(yīng)應(yīng)用型本科院校對人才培養(yǎng)的要求，我們引入口袋實驗室的理念，結(jié)合校外資源大力發(fā)展我校實踐教學(xué)條件，在實踐教學(xué)過程中運用口袋實驗室，對培養(yǎng)電子類學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力都有著顯著積極的促進作用， 為我校教學(xué)綜合改革提供良好的啟示和示范作用。

關(guān)鍵詞 口袋實驗室 實踐教學(xué) 混合式教學(xué) 協(xié)同育人

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

0引言

應(yīng)用型本科院校的核心任務(wù)是培養(yǎng)符合市場需要的具有工程實踐能力的工程師，實踐類課程是電子類專業(yè)訓(xùn)練學(xué)生將課堂上所學(xué)的專業(yè)知識應(yīng)用于實踐的基本平臺。 隨著各個學(xué)校都在加大實踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中的比重，如何形成一套完整有效的實踐教學(xué)理論體系，設(shè)計組織好各個實踐環(huán)節(jié)，切實提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作與工程能力是一個值得探索的課題

1電子類專業(yè)實踐教學(xué)現(xiàn)狀

電子類專業(yè)傳統(tǒng)的實踐教學(xué)是以實驗室的實驗箱或?qū)嶒炁_為主，由于更新周期長，一般相對落后陳舊，難以擴展，不能與當前最新的技術(shù)掛鉤，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實踐環(huán)節(jié)當中所做的實驗也多以驗證性為主，實驗內(nèi)容相對簡單，缺乏綜合性，束縛了學(xué)生的思維，因而實驗過程不能有效激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和自主創(chuàng)新性。而且教學(xué)多在實驗室進行，實驗室具有封閉性和時效性，大大限制了學(xué)生實踐的地點與時間，學(xué)生不能及時有效的把理論與實踐相結(jié)合。

2引入口袋實驗室的理念

口袋實驗室是指將傳統(tǒng)試驗箱的核心功能壓縮至一塊小開發(fā)板上，易于擴展，方便攜帶與調(diào)試。它打破了傳統(tǒng)實驗室的時空限制，使學(xué)生可以在任何時間、任何地點實現(xiàn)其任何實驗想法，學(xué)生和老師，學(xué)生和學(xué)生之間可以隨時交流實驗體會和想法，從而能夠有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，提高動手實踐能力、理論與實踐結(jié)合能力，強化其探索精神與創(chuàng)新意識。目前口袋實驗室理念在國內(nèi)外多所高校已得到廣泛的認可和貫徹，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等都建立了數(shù)量、規(guī)模各異的口袋實驗室。另一方面，國際知名公司也紛紛注意到“口袋實驗室”在高校教學(xué)中的流行趨勢，并積極推出相關(guān)產(chǎn)品支持這一實踐教學(xué)模式。如ST公司推出的NUCLEO-F401RE用于嵌入式的學(xué)習(xí)，DIGILENT公司推出的Basys3用于數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計等。

3基于口袋實驗室的實踐教學(xué)培養(yǎng)方案

3.1混合式教學(xué)設(shè)計

每門課程由教師選定一個適合的口袋實驗室，學(xué)生人手一塊，上課帶來，下課帶走。教師前期可制作結(jié)合該口袋實驗室與課程的一系列示范實驗小視頻，供學(xué)生在課前預(yù)習(xí)；在課上，摒棄傳統(tǒng)的給定課題、給定實現(xiàn)方法的實驗?zāi)Ｊ剑臑榻o出課題方向，由學(xué)生自主確定實驗方案，在口袋實驗室上開發(fā)調(diào)試，觀察結(jié)果，如遇問題可以與老師及時溝通；在課后，學(xué)生可以在寢室、圖書館反復(fù)實驗，鞏固所學(xué)知識，有任何新的想法都可以隨時隨地在口袋實驗室上實現(xiàn)。這將極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，顯著提高實踐課程的教學(xué)效果。

3.2建立團隊機制，以點帶面

在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生需結(jié)合口袋實驗室擴展制作更加復(fù)雜的電子系統(tǒng)，從方案制訂，元器件的選配，硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，直到完成制作，工作量較大，需要建立2-3人的團隊。我校建有校級示范創(chuàng)新實踐基地，每年從大一開始就選拔動手能力強的學(xué)生進行專門培養(yǎng)，讓這些學(xué)生作為每個團隊小組的組長，負責全隊的設(shè)計協(xié)調(diào)工作，起到以點帶面，全面發(fā)展的效果。

3.3良性互動，教學(xué)相長

在課程考核時，教師可引入多種考核形式。為了培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作與溝通能力，可增加課程討論環(huán)節(jié)，拿到課題方向后，每位學(xué)生都需查閱資料根據(jù)自己的理解給出自己的實驗方案，在小組進行討論比較，最后確定最終一致的方案，老師可在此過程中參與并觀察記錄；作品完成后每組需進行方案陳述，制作ppt，公開答辯；最后提交書面的設(shè)計報告。教師綜合學(xué)生在整個過程的表現(xiàn)給出成績等級，同時教師也可以收集大量不同的實驗方案，為以后的教學(xué)提供有利支撐，這是一個良性的教學(xué)相長的過程。

4借助校外資源發(fā)展實踐條件

4.1與知名企業(yè)深度合作

教育部高等教育司每年組織有關(guān)企業(yè)支持產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，深入推進產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人，匯聚企業(yè)資源，支持高校開展教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革、師資培訓(xùn)、實踐條件建設(shè)、校外實踐基地建設(shè)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。我校已成功申報了與ARM公司合作的教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項目：嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用，和實踐條件建設(shè)項目：創(chuàng)新聯(lián)合實驗室建設(shè)。還有與Digilent公司合作的基于EDA的數(shù)字電子技術(shù)課程改革項目。ARM公司將給我院學(xué)生提供NUCLEO-F401RE口袋實驗室，用于嵌入式開發(fā)學(xué)習(xí)，NUCLEO-F401RE 是ST公司推出的一款針對高性能STM32F4系列設(shè)計的Cortex-M4開發(fā)板，具有 mbed 功能。同時還提供 ST Morpho 擴展排針，可連接微控制器的所有周邊外設(shè)。開發(fā)板基于STM32F401RE設(shè)計，開發(fā)板還集成了ST-LINK/V2-1仿真下載器。并且具備Arduino接口，可接入 Arduino 巨大生態(tài)系統(tǒng)的各種 Shield 擴展板，能夠輕松快速增加特殊功能。Digilent公司將給我院學(xué)生提供若干Basys3口袋實驗室，用于數(shù)電電路與FPGA的學(xué)習(xí)。Basys3是圍繞著一個Xilinx Artix-7 FPGA芯片 XC7A35T-1CPG236C 搭建的，提供完整的硬件存取電路，可以完成從基本邏輯到復(fù)雜控制器的設(shè)計。四個標準擴展連接器配合用戶設(shè)計的電路板，或Pmods接口（A / D和D / A轉(zhuǎn)換，電機驅(qū)動器，傳感器輸入等）其他功能。

4.2 組織學(xué)生參加各類競賽

引入口袋實驗室是為了提高學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，平時教師可以收集往年的各類競賽題目，組織學(xué)生基于現(xiàn)有的口袋實驗室進行技能訓(xùn)練，知識貯備。積極組織學(xué)生參加各個級別的相關(guān)競賽，比如DIGILENT全可編程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計競賽，ARM-STM32 校園創(chuàng)新大賽，全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽等。“以賽帶學(xué)”、“以賽代考” ，充分借助校外資源調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強工程實踐能力。

4.3 提高教師實踐水平

高校引入口袋實驗室平臺，教師的工程能力也需要積極提高。要培養(yǎng)工程型的學(xué)生就必須有工程型的教師，我院積極組織教師定期參加相關(guān)企業(yè)的培訓(xùn)交流，同時要求每名青年教師到相關(guān)企業(yè)頂崗實踐半年，以實際工程項目引領(lǐng)教師實踐能力的提高。

5結(jié)語

基于口袋實驗室的實踐教學(xué)改革在武漢紡織大學(xué)電子與電氣學(xué)院實施之后，從學(xué)生考試成績、參加各類競賽、實習(xí)單位和用人單位的反饋意見看，學(xué)生工程實踐能力得到了極大的提升。在實踐教學(xué)過程中運用口袋實驗室，對培養(yǎng)電子類學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力都有著顯著積極的促進作用，為我校教學(xué)綜合改革提供良好的啟示和示范作用。

參考文獻

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