基于“口袋实验室”的实践教学模式实施方法

0 引 言

口袋实验室实验教学模式是指将实验设备微型化，方 便携带，允许实验者自选场合自选时间进行实验的一种教学 模式。口袋实验室教学模式的提出是以集成技术迅猛发展为 技术前提 [1-3]，IC 制造商，比如 XILINX 公司宣布已经推出 了 16 nm 的高集成度 FPGA 芯片 [4-6]。在这样高集成度的情 况下，产生了大量的片上系统芯片（ System On Chip，SOC）， 如 XILINX 公司推出的 Artix-7 FPGA 芯片 [7]，片上提供了 33 280 个逻辑门，5 200 个逻辑区域，1 800 Kb 的快速 RAM， 5 个时钟管理模块以及 90 个 DSP 区，另外还提供了片上模数 转换器，使得在该芯片上实现一个完整的系统成为可能。

目前，口袋实验室在各类院校，尤其是工科物联网、电子、 通信以及计算类、控制类专业中有日趋普及的趋势，但还未完 全形成一套完整有效的理论体系。本文从口袋实验室的实验项 目设计和实验过程的组织等角度进行了探索。 

1 实验项目的设计 

口袋实验室的目的是提高实验效果，而实验效果的提高 离不开学生的实验兴趣。为了提高实验兴趣，一方面实验项目 设计得富有挑战性，另一方面要确保经过学生的努力能实现 主要设计目标，防止挫伤学生的积极性。为此，应满足以下 3 点要求。

1.1 工程性 

工科院校本科层次学生的培养目标，主要还是工程能力 的培养。因此在设计实验项目时，应注意项目的工程性特点。 应当从本专业的实际工程项目中选择某些课题经适当简化后交 给学生以口袋实验室的实验模式进行，并且应注意选题实现 效果和参数不能过于理想化，应与现实工程接轨。比如，金 陵科技学院在 2015 年的口袋实验室实验中，要求设计一个基 于 FPGA 的数控恒流源，给出了明确的设计参数下限，这些 参数均与工程实践密切相关，并且也是可以实现的。

1.2 挑战性 

挑战性特点决定了所设计的实验项目的实现方案需要经 过努力才能获得，学生们不能轻易获取，如果设计方案直接 到达学生手中，就使学生们的创新思维得不到训练，使实验效 果大打折扣。一个良好的口袋实验室实验项目，应要求学生查 阅大量的文献资料，经过充分的小组讨论和论证，得出几种 可能方案，并一一验证是否可行，是否最佳，也只有通过这 样一个过程，才使得实验不能在几节课的时间内完成，从而必 须利用口袋实验室在课余时间完成实验。 

1.3 自主性 

口袋实验室把实验过程从固定时间固定地点的实验室搬 移到了其他场合，这就对实验项目的自主性提出了较高的要求。 学生应能在教师较少指导甚至不指导的情况下，自主完成分析 课题，解决有可能出现的各方面问题的任务。当实验课题需要 用到课堂上还未教过或者根本不教的知识时，学生应能高度 自主地展开自学，而不是坐等教师讲课后再做实验。

2 实验过程的组织 

2.1 实验选题 

为了保证前述实验项目的挑战性，就必须防止本届学生轻 易从往届学生处获得项目的设计结果。为此，金陵科技学院 建立了严格的选题制度，即要求当年度的设计选项不得与三年 内的课题相同，必须经过变化。此外，规定同一年度对某一 年级的选题，至少应包含三个课题，这也从一定程度上增加了 课题的可选性，提高了学生的学习兴趣。

2.2 建立团队 

由于口袋实验室教学模式使学生在实验过程中脱离了教师的视线，某种程度上对学生的自觉性提出了较高的要求。而 团队从一定程度上能对个体产生约束作用。同时，现代工程教 育理念也要求学生具备团队合作意识 [5]，因此，教师应在实验 之初认真组织团队建设，从态度、学习能力、特长等角度对 团队成员合理调配，最后每组选定组长，组长对全组承担监督、 任务分配的职能。 

2.3 建立团队间的交流机制 

为了提高实验对学生知识理解、知识广度方面的促进作 用，应在实验期间建立稳定的团队间交流机制，在团队交流 期间，由各组分别阐述各自的设计方案，交流可能遇到的问题， 共享已经查到的资料，从而使实验的效率大大提高。 

2.4 实验结果考核 

基于口袋实验室的实验教学模式，由于将实验的大部分 时间交给了学生，学生的表现往往对教师来说是个盲区，从而 对考核结果的公平合理性提出了挑战。在金陵科技学院基于 口袋实验室的教学实践中，从时间上突出了阶段性考核的特点， 从方式上突出了个人面试的特点。每组在实验之初就撰写详细 的实验进度，将实验过程分为若干个阶段，教师平时不干预 学生的实验，但在阶段时间节点，将专门组织时间检查学生阶 段任务的完成情况。未能如期完成任务的团队，要求分析原因 并在下一阶段有所改进。阶段任务如期完成情况占总评成绩的 一部分。然后每个阶段组织小型面试，对每个团队成员进行 随机问答，考察学生的知识掌握情况，并直接影响该成员的总 评成绩。

3 口袋实验设备的选择 

口袋实验设备的选择，应以体积小、功能全、操作方便、 可扩展性强为主要原则。要求实验设备“体积小”，即要求设 备能随身携带，甚至可以放在口袋中，这样才能满足学生有设 计灵感和实验欲望时随时获取设备的要求。“功能全”的要求 是指所选择的口袋式设备能提供丰富的软硬件资源，方便实 验时的功能实现，这是口袋实验室实验效果得到保证的必然 要求。“操作方便”是指口袋式设备的使用应简易可行，不需 要太多的外接设备即可使用，只有这样才能满足口袋实验在任 意场合都可实行的实际要求。“可扩展性强”是指由于口袋实 验设备的体积小，所提供的功能不可能面面俱到，应根据具 体实验要求扩展外部设备以便扩展实验功能，这个要求同样是 为了保证口袋实验的实验质量。

以金陵科技学院为例，在实施电子类、物联网类等相 关专业的口袋实验教学实践时选择用的口袋实验设备之一是 DIGILENT 公司的 BASYS3 板，如图 1 所示。该板体积小巧， 板上核心芯片为 XILINX 公司的 Artix7 FPGA，核心功能可 编程。板上资源丰富、接口齐全，如表 1 所列。它所提供的 PMOD 接口能够连接从蓝牙收发器、无线收发器、红外收发器、 GPS 等各类外扩设备 [8]，能够完成工业控制、物联网等众多 功能，且使用时只需一根电源线与电脑相连即可。因此该板比 较适合用于口袋实验设备。

4 结 语

基于口袋实验设备的实验教学模式，充分发挥设备易携 带易操作且功能丰富的特点，使学生可以在任意场合任意时 间，只要有实验欲望或创作灵感，均可进行实验，大大解决了 实验室空间受限、时间有限等问题，金陵科技学院的教学实 践结果表明，这种实验模式能显著提高学生的动手创新能力， 对其他高校相关专业的教学实践有明显的借鉴意义。