基于“口袋實驗室”在電子線路實驗教學的改革

摘要：口袋實驗室作為一種新型的實驗教學模式，被國內很多高校引入，替代原有的實驗臺和實驗箱，將原有的設備微型化。本文從電子線路實驗室的現狀分析，到改革的原因闡明，再到制定詳細的改革方案，最后闡述了口袋實驗室在教學上的延伸。這項改革不僅可以提高學生的實驗學習興趣，還可以提高其理論與實踐的結合能力與創新能力，適合應用型本科院校人才培養方案。

關鍵詞：口袋實驗室；電子線路；實驗教學；教學改革；應用型本科

一、電子線路實驗教學的現狀分析

本院的電子線路實驗室主要開設模擬電子線路實驗和數字邏輯電路實驗，一直以來沿用的都是傳統的實驗教學模式。實驗室里的GSM模數電實驗臺比較老舊，而且體積大，功能也是定制的，預留的擴展接口很少，這些情況在很大程度上限制了學生自主發揮的空間。學生需要在實驗教師規定的實驗場所和時間內完成實驗，這使得實驗教學存在一定的時效性，對于部分動手能力薄弱的同學而言，在規定的時間里無法完成實驗，也會被迫結束，不利于學生對學習進度的自主調節。

二、電子線路實驗室教學改革的原因

隨著教育部“互聯網+教育”、“智能+教育”戰略的不斷推進，MOOC、口袋實驗室等技術在實驗教學過程中發揮了越來越發重要的作用，特別是在2020年疫情防控期間疫情期間。為了將這些資源深度融入電子信息類實驗教學，需要建立面向線上線下融合的實驗教學信息化平臺，為探索新型實驗教學形態提供技術基礎。

口袋實驗室（Pocket Labs）的概念由美國斯坦福大學 Clifton Roozeboom 博士率先提出，隨即，英國德蒙福特大學設計了一款以FPGA/ARM 為核心的開發板，作為學生的實驗板和項目開發板[1]。近年來，隨著微電子技術的飛速發展，很多電子類實驗設備逐步向微型化發展，越來越受到國內各高校的青睞，口袋實驗室應運而生，并由美國德州儀器（TI）和賽靈思（Xilinx）“中國大學計劃項目”引入中國。國內最早引進口袋實驗室的是東南大學、哈爾濱工程大學等，自此，國內高校教學中產生了一種新型教學模式[2-3]。

口袋實驗室作為一種新型的實驗教學模式，替換了原有的實驗臺和實驗箱，將實驗設備微型化，利用虛擬儀器技術實現了示波器、函數信號發生器、電源、邏輯分析儀等多種實驗儀器的功能，讓學生將實驗室裝進口袋，可隨時隨地進行實驗。這種實驗模式可以為學生學習電類基礎課程提供有力的輔助工具[4-5]。

三、電子技術實驗教學改革方案

（一）實驗教學改革涉及的模塊分析

電子線路實驗室的實驗課程包括模擬電子線路實驗、數字邏輯電路實驗、電子技術綜合實驗、模數電綜合實驗以及電工電子綜合實驗。通過走訪兄弟院校并與相關教師進行課程內容和實驗實施計劃的交流分析后確定，只有模擬電子線路實驗的橋式整流電路因涉及交流電源提供輸入電壓，故不可在口袋實驗平臺開展實驗，其余的實驗內容均可適應此次實驗教學改革。根據本實驗室所涉及的實驗課程內容，需要和相關設備廠商進行溝通，定制所需的實驗模塊。

（二）口袋實驗箱的選取

在進行充分的調研后，選擇的口袋實驗箱（硬件）產品，是集成了數模混合測試測量系統和可更換的實驗模塊等。配合口袋實驗交互平臺，可實現“互聯網+實驗教學管理”，具體包括遠程協助、實驗和課件資源發布、電子實驗報告在線提交、實驗數據和儀器截圖上傳、教師批改、口袋實驗箱使用統計等一系列功能。

（三）口袋實驗室線上平臺教學資源建設

在口袋實驗室線上平臺，教師可以分類上傳電子線路實驗室所涉及的模電實驗、數電實驗、綜合實驗的教學資源。學生可以根據實驗課程找到自己所需的實驗內容；同時也可以實現無限次的獲得課堂上的實驗教學資源，，以便在實驗過程中遇到相關疑問時可以隨時查找教學內容。通過線上平臺，教師可根據已上傳的課程內容直接授課，也可根據自己的教學計劃，建立自己的個人賬號，自行編輯實驗項目內容、發布教學資源。每個實驗項目均配置了實驗目的、實驗原理、實驗內容與數據、實驗中的常見問題等。在教學資源方面，教師除了可以上傳音視頻文件、Office文檔、文件壓縮包等，還可以直接導入互聯網平臺內容，如騰訊視頻、Bilibili等平臺的視頻資源。例如在綜合實驗教學資源里，就上傳了在Bilibili“硬木課堂”里的相關內容。這樣，教師可以很好地豐富教學資源庫，也可以幫助學生養成從網站上獲取最新知識的習慣。

（四）口袋實驗室教學管理

1.教師利用平臺可批量導入班級數據，也可直接邀請學生進入自己的教學班級，從而大大減少教師的工作量。教師也可在線修改教學班級數據，從而及時更新和完善班級數據管理。

2.通過口袋實驗線上交互平臺，任課教師可在教師機上清楚地掌握學生的學習進展。因為平臺可將學生學號和儀器一一對應，并對學生的操作進行記錄，可以有效地分析設備的利用率，以及學生的實驗情況、實驗時長、實驗結果等，從而有助于教師高效管理學生的實驗過程，有效的杜絕了有些學生抄襲他人的實驗數據。實驗教師也可根據平臺記錄的數據及時分析班級的整體學習情況，以便更加科學有效地改進實驗內容，提高教學質量。

3.我院根據實際情況，在線上平臺增設了電子實驗報告系統。該系統提供實驗報告在線編輯、上傳提交與批改等功能。學生在實驗過程中，口袋儀器硬件設備會自動接入系統，可將采集到的實驗數據、波形保存下來，并直接上傳至電子實驗報告界面。

教師在收取學生提交的實驗報告后，可直接在線進行批改。電子實驗報告批改功能支持打鉤、打叉、做各類標記、寫評語等，也支持手繪標記，教師的所有批改痕跡都可保存在系統中，需要紙質版本時也可導出打印。

四、電子技術實驗教學改革案例

以本院電類專業涉及的模擬電子線路中的實驗“運放構成的RC橋式振蕩電路”為例。根據電路圖在實驗板連接相應的電路，振蕩電路剛接通電源時，電路中會出現一個沖擊，從而得到此頻率很寬的微弱信號，它含有各種頻率的諧波分量。經過選頻網絡的選頻作用，使f = f0的單一頻率分量滿足自激振蕩條件，其他頻率的分量不滿足自激振蕩條件，這樣就將f = f0的頻率信號從最初的信號中挑選出來。振蕩電路由選頻網絡（RC串并聯網絡，兼作正反饋）和同相輸入運放構成，其振蕩頻率為f = f0 =1/ （2πRC） 。文氏電橋振蕩電路由同相放大器A和反饋網絡F兩部分組成。

在實驗板上接入直流電壓源和示波器，對電路的輸出信號進行測量。示波器的CH1通道為電路選頻網絡自激振動產生的輸入電壓uf ，示波器的CH2通道為運放電路的輸出電壓u0 ，用示波器對實驗數據進行測量，得到實驗測試圖如圖1所示。

從示波器的波形圖可看出，當自激振動的正弦波在放大器的作用下，測出的頻率f=1.592KHz，輸出電壓值u0=5V，測試結果與實驗室現有的實驗臺實驗結果一致。

以上結果證明，口袋實驗平臺可以準確地測出電壓的放大倍數，驗證了它的可行性。

五、口袋實驗室在實驗教學中的延伸

在課程內實驗的基礎上，學生可以借助口袋實驗室平臺，根據自己的興趣愛好對電路進行設計和改進，甚至可以將模擬電子線路實驗和數字邏輯電路實驗的知識點相結合，搭建更具綜合性和設計性的實驗。這就需要學生除了擁有扎實的理論基礎和較強的實踐動手能力外，還需要具備自主探索、研究的能力。這種教學模式可以有效提高學生的專業綜合實踐能力[6]。

由于口袋實驗室的可擴展性非常強，學生可以在老師的指導下靈活地完成所需的電路，因此，老師可以利用口袋實驗室，指導學生參加校級科研活動和創新訓練、各級大學生創新設計訓練、學校的創新訓練，大學生電子設計大賽等，不僅可以提升老師自身的科研和教學能力，也有助于提升學生的創新能力和實踐能力。

口袋實驗室可以實現網絡化的數據采集服務與遠程控制。學生在使用口袋實驗平臺的時候，可以隨時使用遠程協助功能向指導老師尋求幫助。平臺可將本地上位機采集的數據和控制界面發送到遠程請求的客戶端，從而實現口袋實驗過程的遠程演示和遠程協助操作等。例如，學生在實驗過程中發現測試結果不準確，即可使用視頻軟件進行連線，并使用平臺的互動模式向指導教師演示自己的實驗測試結果，然后由教師幫助學生定位電路故障，并指導學生修改電路的連接線或者修正參數等，以達到遠程指導實驗的目的。

六、口袋實驗室優缺點

改革之后的口袋實驗室是在手提型實驗箱里放置了實驗所需的模電實驗定制板和數電實驗面包板，不僅便于攜帶，還方便收納實驗所需的工具，如杜邦線、鑷子、小鉗子等。開展實驗所需的集成芯片、三極管、發光二極管等，任課老師可以根據實驗課程的內容自行配置和更換。在口袋實驗箱中，面包板配有搭接電路所需的特定接口，除電壓源之外，還有用于輸出顯示的二極管、數碼管、高低電平開關，以及一些做時序電路時所需的接口，如單脈沖信號源接口和連續脈沖信號源接口。配置接口使得實驗過程更加便捷有效。實驗過程中，口袋實驗箱還能實現軟件與硬件的配合使用。實驗箱配備的萬用表和集成示波器是用虛擬儀器技術實現的，測試更加便捷，但由于軟件示波器采樣率低，有時測試結果不理想，就需要借助外部示波器。

口袋實驗室具備很多優勢，同時也存在不少問題。例如，在口袋實驗箱里，如果用雙頭跳線來搭建電路，由于面包板面積較小，跳線就會顯得非常擁擠，會出現各種跨線問題，如果電路需要修改便會非常麻煩。改用杜邦線可解決這個問題，但是杜邦線的價格偏高。在實驗過程中，一些接口往往會出現接觸不良的情況，這就需要在實驗前提前測試。學生在操作口袋實驗箱的軟件示波器、軟件函數信號發生器、軟件交流毫伏表等時，往往會出現操作困難或應用不熟練的情況。

根據以上問題，在后續的實驗教學中，教師需要增加對口袋實驗箱硬件和軟件的詳細、完整介紹和使用培訓，可以作為學生實驗課的課前預習內容并在平臺上增加一項課前考核，考核不通過的同學將無法跟班進實驗室進行上課從而提升學生通過口袋實驗室開展實驗的效率和質量。

七、結束語

在高校電子類實驗教學中引入口袋實驗室，可以和傳統的課堂實驗教學起到相互促進的作用。在教學方式和觀念上兩者是不同的，前者強調學生自主學習習慣和方式的養成，后者主要依靠教師的引導作用[7-8] 。基于口袋實驗室的翻轉教學模式，可對接新工科人才“創意－創新－創業”教育體系[9-10] 。相比傳統的驗證性實驗下大多數學生在課堂上“照圖接線”的被動實驗模式，口袋式實驗教學改革不僅可以提高學生的學習興趣，提高其理論與實踐的結合能力，還有助于提升學生的創新能力，適合我校作為應用型本科院校的人才培養

方案。

作者單位：張丹 南京理工大學紫金學院

程婧 周月娥 周廣麗 陳姝君 電子與光電技術學院

參考文獻

[1]劉艷，秦昌明.“口袋”實驗室在物聯網工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2015，（08）：212-215.

[2]譚貴生，石宜金，馮微瑋，等.獨立院校“口袋實驗室”建設與教學改革[J].高教學刊，2020，（33）：153-156.

[3]姜志鵬，陳正宇，閻浩.基于“口袋實驗室”的實踐教學模式實施方法[J].物聯網技術，2015，5（09）：98-99.

[4]劉瑋，孟橋，張添翼，等. 口袋虛擬實驗室的設計[J].電氣電子教學學報，2016，38（06）：105-109，115.

[5]侯長波，王曉迪，胡乃志，等.全開放口袋實驗室共享平臺建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2016，35（12）：277-280.

[6]宮亞梅，朱俊，高飛.基于“口袋實驗室”電工實驗教學探索[J].電子制作， 2020，（07）：78-80+19.

[7]陳潔，仲雪飛，楊蘭蘭，等.基于口袋實驗室的實踐教學模式改革探索[C]. //中國電子教育學會高教分會2017年年會論文集. 2017：141-144.

[8]陳潔，熊蘭，周靜，等.基于口袋實驗室的“數字電子技術”課程混合式教學改革與實踐[J].工業和信息化教育，2023（2）：45-49.

[9]宮亞梅，鄧志輝，裴志堅.“口袋實驗室”在電子技術實驗教學中的改革探索[J].電子制作， 2021，（02）：58-60+53.

[10]薛波，高倩，崔淵，等. “模擬電子技術基礎”教學改革與創新實踐[J].電氣電子教學學報，2023，45（03）：35-38.