“口袋實(shí)驗(yàn)室”在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的改革探索

宮亞梅，鄧志輝，裴志堅(jiān)

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇常州，213164）

0 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

以筆者所在學(xué)院裝備智能化技術(shù)專業(yè)群中6大專業(yè)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，近十年來一直沿用的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在固定的場(chǎng)所、固定的時(shí)間、應(yīng)用固定的實(shí)驗(yàn)箱、進(jìn)行固定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這種“四固”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街校潭ǖ膱?chǎng)所和固定的時(shí)間授課學(xué)習(xí)，使得教學(xué)資源具有一定的時(shí)效性，學(xué)生對(duì)于沒有完成的任務(wù)訓(xùn)練只能隨著課堂的結(jié)束而被動(dòng)終止，不利于學(xué)生個(gè)性化技能學(xué)習(xí)進(jìn)度的自我調(diào)節(jié)；固定的實(shí)驗(yàn)箱和固定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使得學(xué)生只能被動(dòng)地接收技能和操作訓(xùn)練，基本沒有留出學(xué)生自主發(fā)揮的空間，無法自主開展動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新型思維。

1 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的緣由

如今，隨著MOOC、在線學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂的推廣實(shí)施，使得學(xué)生在理論知識(shí)學(xué)習(xí)時(shí)，可以不受時(shí)空的限制無限次地享受獲取與課堂同等的教學(xué)資源，這大大提高了理論知識(shí)教與學(xué)的效果。因此，對(duì)于不可或缺的實(shí)驗(yàn)操作技能訓(xùn)練應(yīng)該可以借鑒理論教學(xué)的實(shí)施模式，而這就需要將實(shí)驗(yàn)設(shè)備微型化，方便攜帶，允許實(shí)驗(yàn)者自選場(chǎng)合自選時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，才能形成一種不受時(shí)間、空間限制的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，達(dá)到以學(xué)生為中心，滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，讓學(xué)生真正融入實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。

口袋實(shí)驗(yàn)室理念是近幾年由美國德州儀器（TI）和賽靈思（Xilinx）中國大學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目引入中國，泛指各種功能強(qiáng)大的小型開發(fā)板，引入口袋實(shí)驗(yàn)室后才可以實(shí)現(xiàn)真正的基于“全開放實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[1-5]。

（1）學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，自己搭建實(shí)驗(yàn)電路、完成實(shí)驗(yàn)操作步驟和數(shù)據(jù)記錄，解決有可能出現(xiàn)的各方面問題，培養(yǎng)學(xué)生能夠自主完成實(shí)驗(yàn)的能力、發(fā)現(xiàn)存在問題并改正的基本能力，學(xué)習(xí)效率以及獨(dú)立學(xué)習(xí)能力會(huì)大大提升。

（2）課內(nèi)時(shí)間有限，課外有充分的時(shí)間思考實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)原理、合理性以及性能改進(jìn)方案，這樣的方式需要?jiǎng)邮謩?dòng)腦，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性自然就提起來了，對(duì)操作更有興趣，培養(yǎng)學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)到主動(dòng)參與的轉(zhuǎn)變。

（3）從專業(yè)基礎(chǔ)課開始抓起，三年實(shí)踐不斷線，動(dòng)手能力循序漸進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，為學(xué)生后續(xù)相關(guān)的專業(yè)綜合設(shè)計(jì)能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（4）學(xué)生結(jié)合自己的學(xué)習(xí)興趣，可以在口袋實(shí)驗(yàn)室上自由發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)瞬間創(chuàng)意靈感，通過自己的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)問題，帶著問題有目的地尋找解決路徑，培養(yǎng)創(chuàng)新型思維，獲得新知識(shí)、新啟蒙的能力。

（5）在項(xiàng)目實(shí)施過程中，如果涉及課堂上還未教過的知識(shí)時(shí)，需要學(xué)生查閱大量的文獻(xiàn)資料，經(jīng)過充分的小組討論和論證，學(xué)生之間需要經(jīng)常性地交換實(shí)驗(yàn)體會(huì)和想法，提高學(xué)生自主協(xié)作的團(tuán)隊(duì)能力。

2 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

（1）實(shí)驗(yàn)改革教學(xué)模塊分析

針對(duì)學(xué)院智能制造專業(yè)大類的專業(yè)基礎(chǔ)課電子技術(shù)課程，走訪行業(yè)，兄弟院校，交流課程標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)劃，課程實(shí)施等內(nèi)容，選取適合改革的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊，如圖1所示。

圖1 電子技術(shù)“口袋”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（2）口袋實(shí)驗(yàn)室資源建設(shè)和管理

第一，充分調(diào)研選擇性價(jià)比高的“口袋實(shí)驗(yàn)室”產(chǎn)品，如圖2所示的PocketLab實(shí)驗(yàn)板[6]，該實(shí)驗(yàn)板價(jià)格便宜、體積小，攜帶方便，電腦安裝配套的軟件（圖3所示）就可以實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)發(fā)生器、電源、直流電壓表等多種儀器儀表的功能。

圖2 PocketLab實(shí)驗(yàn)板

圖3 PocketLab軟件界面

第二，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)編寫基于口袋實(shí)驗(yàn)室操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)書。

第三，在學(xué)校提供的超星在線平臺(tái)上，完成基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在線資源建設(shè)，包括PPT、微課、視頻、任務(wù)書、報(bào)告等。

第四，探索口袋實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)制，考慮到人手一個(gè)口袋實(shí)驗(yàn)室，而且每屆學(xué)生能夠重復(fù)使用，學(xué)習(xí)圖書館圖書管理形式，學(xué)校統(tǒng)一批量購買實(shí)驗(yàn)板，以借用的形式讓學(xué)生在課程學(xué)習(xí)期間免費(fèi)使用，課程結(jié)束后再統(tǒng)一歸還，讓實(shí)驗(yàn)板的實(shí)用價(jià)值最大化。

第五，口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施調(diào)查。設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，根據(jù)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)撰寫報(bào)告，進(jìn)行效果分析并完善優(yōu)化實(shí)施方案。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成效促進(jìn)機(jī)制

第一，探索項(xiàng)目制教學(xué)模式改革。即以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線，要求學(xué)生組成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，獨(dú)立解決項(xiàng)目實(shí)施中遇到的各種問題，并依靠團(tuán)隊(duì)合作確保項(xiàng)目進(jìn)度。

第二，建立作品設(shè)計(jì)庫。除了常規(guī)實(shí)驗(yàn)外，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)一些簡單作品，作品中必須包含一定數(shù)量的場(chǎng)景應(yīng)用范圍，且不能雷同。期末進(jìn)行作品設(shè)計(jì)成果展示，要求學(xué)生陳述自己所做的工作及成果亮點(diǎn)，并現(xiàn)場(chǎng)答辯，回應(yīng)師生的提問和質(zhì)疑。通過答辯后的作品可以列入作品設(shè)計(jì)庫并進(jìn)行陳列。

第三，探索設(shè)立作品設(shè)計(jì)大賽。每教學(xué)周期內(nèi)舉辦一次實(shí)驗(yàn)作品設(shè)計(jì)大賽，要求相關(guān)專業(yè)的同學(xué)都必須參加，讓每位同學(xué)都有展示自己作品的機(jī)會(huì)，以改變學(xué)生被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，讓學(xué)生體會(huì)到實(shí)踐的快樂。同時(shí)通過以老帶新的模式，調(diào)動(dòng)下一屆學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

第四，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。在校內(nèi)作品設(shè)計(jì)大賽的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生利用口袋實(shí)驗(yàn)室的資源，根據(jù)自己的興趣自主選題，參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的作品設(shè)計(jì)大賽，好的作品可以申請(qǐng)專利。

3 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的可行性

（1）理論課在線教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)、翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施已積累了經(jīng)驗(yàn)

目前，我院電子技術(shù)課程已建立了理論課教學(xué)平臺(tái)，并上傳資源，實(shí)施三年來，取得了很好的效果，老師能借用平臺(tái)及時(shí)推送資源以及收集學(xué)生當(dāng)前的學(xué)情，學(xué)生也能通過平臺(tái)方便快捷地獲取學(xué)習(xí)資源，進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，理論課翻轉(zhuǎn)課堂的順利實(shí)施，為實(shí)驗(yàn)課翻轉(zhuǎn)課堂專業(yè)資源建設(shè)、制度建設(shè)以及“多方匯聚”的師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)等內(nèi)容的研究積累了經(jīng)驗(yàn)。

（2）“名師工作室”為教學(xué)改革提供了實(shí)踐保障

我院“名師工作室”構(gòu)建了校企混編教學(xué)團(tuán)隊(duì)來共同參與學(xué)生培養(yǎng)，該工作室的研究基礎(chǔ)為拔尖創(chuàng)新人才多學(xué)科交叉能力的培養(yǎng)提供了實(shí)踐保障，讓學(xué)生能夠順利通過項(xiàng)目的實(shí)施和完成，提高實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。

4 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革案例

這里我們以第二個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目《集成運(yùn)算放大器的測(cè)試》中一個(gè)子任務(wù)“反相放大器”為例，電路原理如圖4所示。

圖4 反相放大器電路原理圖

首先，需要完成電路的連接。

要在面包板上把電路搭建起來，分析圖4的電路原理圖，查找資料設(shè)計(jì)需要的元器件清單如表1所示，實(shí)際連接時(shí)，將LM358的2號(hào)引腳接在串聯(lián)的電阻R1和RF之間，如圖5所示。該電路中還需要2個(gè)直流電源VCC、VDD，這可以將實(shí)驗(yàn)板上5V、-5V、GND引出，分別作為VCC、VDD和地，如圖6所示；然后，將三根電源線分別連接到LM358的8、4和3號(hào)引腳上，如圖7所示。圖4電路中輸入信號(hào)源和輸出信號(hào)測(cè)量，取自于實(shí)驗(yàn)板左下角的信號(hào)發(fā)生器和示波器，連接之后的完整電路如圖8所示。

表1 電路元器件清單

圖5 元器件連接

圖6 實(shí)驗(yàn)板電源

圖7 實(shí)驗(yàn)板電源與電路的連接

圖8 實(shí)驗(yàn)電路連接全局圖

接著，打開軟件，根據(jù)表2中第一次輸入U(xiǎn)i的參數(shù)值，在軟件信號(hào)發(fā)生器界面中設(shè)置輸入信號(hào)的頻率為1000Hz和幅值為20mV，點(diǎn)擊“Set”，確認(rèn)輸入信號(hào)正確傳送給面包板上的電路，設(shè)置界面如圖9所示；然后，切換到示波器界面如圖10所示，可以看出兩個(gè)波形，CH2為輸入信號(hào)，CH1為輸出信號(hào)，調(diào)整圖10右邊的刻度盤，觀察波形，讓兩個(gè)波形分別在左側(cè)的面板上顯示完整的一個(gè)周期，繼續(xù)從波形圖中可以讀出輸出信號(hào)的頻率為1000Hz和幅值為2017mV，將數(shù)據(jù)記錄在表2中。第二次和第三次輸入信號(hào)源設(shè)置和示波器讀數(shù)相同方法，略。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

最后，對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。通過圖10中產(chǎn)生的兩個(gè)波形對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)波形波峰和波谷正好是相反的，可知輸入和輸出是反相的；另外，從記錄的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)現(xiàn)，該電路輸出的信號(hào)和輸入信號(hào)頻率相同，只是測(cè)出的輸出比輸入幅值要大，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，放大倍數(shù)AV約等于100，與理論公式AV=-RF/R1計(jì)算出來的放大倍數(shù)近似相等。

通過該案例，完整地展現(xiàn)了如何通過“口袋實(shí)驗(yàn)室”完成自主實(shí)驗(yàn)全過程，這當(dāng)中的元器件清單表2僅舉例一種情況，不同的學(xué)生設(shè)置的清單不應(yīng)該雷同；圖6中電源的獲取，由于實(shí)驗(yàn)板提供了多種電源，不同的同學(xué)可以選取不同的連接方式；還有，對(duì)于表2的設(shè)置取值也不應(yīng)該相同，滿足三次實(shí)驗(yàn)中兩次幅值相同，兩次頻率相同即可。因此，基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)完全可以做到，一生一方案，個(gè)性化實(shí)驗(yàn)更能促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

圖9 電路輸入信號(hào)設(shè)置

圖10 示波器顯示界面

5 結(jié)束語

基于口袋實(shí)驗(yàn)室的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式采用以學(xué)習(xí)者為中心的工程教育模式，改變了傳統(tǒng)的在固定時(shí)間、固定地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模式，使得實(shí)驗(yàn)可以在學(xué)校已建機(jī)房、普通多媒體教室（學(xué)生自備電腦）、寢室、圖書館、公共自修室等一般場(chǎng)所進(jìn)行，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間限制，學(xué)生能夠更自由地自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間，也能提高實(shí)驗(yàn)器材的利用率。

基于口袋實(shí)驗(yàn)室的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式對(duì)接新工科人才“創(chuàng)意-創(chuàng)新-創(chuàng)業(yè)”教育體系，能夠激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣，不同類型的套件組合能分別幫助學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)相關(guān)技術(shù)（學(xué)習(xí)型）和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新作品的各種創(chuàng)意（應(yīng)用型），其引入能讓學(xué)生在課外有更多動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，不僅能提高動(dòng)手實(shí)踐能力、理論與實(shí)踐結(jié)合能力，還能提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

基于口袋實(shí)驗(yàn)室的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式采用技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式，能夠融合線上線下教學(xué)資源，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，推動(dòng)理論與實(shí)踐的深度融合，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)翻轉(zhuǎn)。