口袋實驗室建設與實驗教學改革

董介春 ， 于瑞濤， 衛成兵

(青島大學 電子信息學院， 山東 青島 266071)

口袋實驗室建設與實驗教學改革

董介春 ， 于瑞濤， 衛成兵

(青島大學 電子信息學院， 山東 青島 266071)

本文從培養創新型人才的角度出發，分析了目前實驗教學中存在的問題，提出了口袋實驗室的建設方案，把傳統實驗室變成“大實驗室”，讓學生可以隨時隨地完成新的創意。并根據口袋實驗室的特點，在實踐性較強的課程中引入了基于項目學習的教學模式，以賽代練，對培養學生自主學習能力、創新能力、團隊合作能力等方面都取得了良好效果。

口袋實驗室；基于項目學習；實驗教學改革

0 引言

2015年10月，國務院印發了《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》。

創建世界一流大學和一流學科建設，就是以達到一流為目標，特別是對工科來說，一流的學科一定要有一流的實驗室作為保障。實驗室是培養創新人才的基地，是培養學生探索精神、創新意識和創新能力的搖籃。一個一流大學，如果沒有一個一流的實驗室建設理念，沒有能夠跟上時代發展的實驗設備，學生無法開發出高質量的創新項目，那一流大學的建設是做不到的。我們不但要把實驗室建設好，而且要管理好、運行好，要讓它充分地發揮作用。

1 目前實驗教學中存在的問題

目前高校實驗室大多為課程實驗室，實驗裝置基本上還是以實驗箱為主。實驗教學中存在的問題有：①實驗箱的功能大多是定制的，預留的擴展接口很少，基本沒有留出學生自主發揮的空間；②由于實驗學時有限，學生在課內除了完成要求的實驗內容外，基本上沒有自主發揮的時間[1]；③課程實驗室規模相對較小，如果開課班級較多，需要循環多次，這樣，課程實驗室很難做到開放，設備也無法外借。當學生有奇思妙想時，沒條件將這些創意付諸實施，這樣就直接或者間接地挫傷了學生的探索積極性。

目前對于大學生工程實踐能力的培養質量，中外用人企業的共同反映是：上崗適應慢；創新精神和創新能力欠缺；項目開發能力、團隊合作能力、實踐動手能力不足；敬業精神等人文素質薄弱等。這些反映都與實驗教學中存在的問題有關聯。

2 口袋實驗室的建設與管理

為培養學生的創新能力，國內大部分高校都建設了創新實驗室。但由于受創新實驗室容量的限制，學校只好通過層層選拔，讓動手能力強的少數學生進入實驗室開展創新活動，大部分學生沒有機會得到鍛煉。為了讓大多數學生都能有機會得到鍛煉，需要打造一個課內外一體化的自主開發平臺，來豐富學生的自主學習資源。為此，我們主張將課程實驗室主要用來完成學生的課內實驗，并新建口袋實驗室，給學生提供自主發揮的平臺。

2.1 口袋實驗室的由來

如今，越來越多的高校都提出了實驗室全天候開放，但受實驗室場地、設備數量、實驗室管理等多種因素的制約，實驗室很難做到完全開放，于是國內外很多高校已經開始轉向口袋實驗室的建設。

口袋實驗室PL(Pocket Labs)最初的概念是由斯坦福大學的Clifton Roozeboom博士提出的，他利用超高密度集成工藝技術將傳統實驗箱的功能集成在一塊如火柴盒大小的線路板上。當時的口袋實驗室只有六個組成部分，包括一個加速度計、一個陀螺儀、一個磁強計、一個壓力傳感器、一個溫度傳感器和一個無線發送器，價格僅售98美元[3]。后來，英國的德蒙福特大學(De Montfort University)也為學生設計了一款以FPGA/ARM為核心的最小系統開發板，供學生在課內外實驗、創新項目開發時使用。

口袋實驗室的設備雖然體積小(小的只有火柴盒大，大的也不過一本書大)，但價格低、功能全。整個實驗室的建設不需要太多投資，也可以分批建設，基本上可以做到“一人一板，隨時學習”，這樣學生就不再局限于實驗室，只要背著筆記本電腦，口袋里裝著口袋實驗室，無論何時何地都不會讓思想的火花泯滅，這一概念受到廣大師生的歡迎和好評。世界知名公司也開始注意到口袋實驗室在實驗教學中的作用，紛紛開發出相關產品。

2.2 建設口袋實驗室，搭建創新平臺

為解決實驗學時少、創新訓練不足的問題，我校投資新建了口袋實驗室。根據電子信息類專業特點，購置了單片機最小系統開發板500套、FPGA最小系統開發板200套、DSP最小系統開發板200套等，同時添置了若干套常規的傳感器與控制器模塊，如陀螺儀、加速度計、溫濕度傳感器、超聲波傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、霍爾傳感器、步進電機及其驅動模塊、激光傳感器、藍牙模塊、GPS模塊、WIFI模塊等。套件的功能豐富多彩，涵蓋了模擬電路、數字電路、單片機、FPGA/CPLD、DSP、ARM等多個方面，可以幫助學生掌握電子信息類相關專業技術，支持學生實現創新作品的多種創意。

口袋實驗室體現了一種創新的教學理念。由于該裝置的便攜性，學生不再依賴于傳統實驗室，他們通過提前借用實驗室最小系統開發板和相關傳感器、控制器模塊，通過杜邦線連接，在宿舍、食堂、教室、操場……甚至任何一個可以工作和學習的地方，隨時隨地來完成課內外實驗，開展創新項目開發、課程設計、畢業設計等相關內容?？诖鼘嶒炇业慕ǔ?，拓寬了實驗的時間、空間概念，既滿足了學生的學習需求又給他們自主安排學習時間留有余地，較好地解決了實驗內容增加與規定學時減少帶來的矛盾，有利于學生創新實踐能力的培養，也有助于學生的個性化發展。一個真正意義上的全開放、全共享、課內外一體化的自主學習實踐平臺正式建立[3]。

2.3 創新實驗室是口袋實驗室的補充

口袋實驗室的建設，給學生提供了開發創新的舞臺，但學生利用口袋實驗室設計作品時，可能要用到相關設備來進行調試、測量，我們又建設了創新實驗室。實驗室現有設備32套，包括電腦、直流可編程電源、數字示波器、DDS信號發生器、數字萬用表等常規設備，也有部分Agilent頻譜分析儀和NI公司的數據采集卡、ELVIS II+、myDAQ、myRIO等創新開發平臺，同時還配備了自制印刷線路板的激光雕刻機。

創新實驗室不同于課程實驗室，作為對口袋實驗室的補充，它不受上課時間的限制，實現全天候開放，學生隨時可以進入實驗室，來進行相關設計與調試工作。為豐富學生的科技文化生活，教師或學生還會在創新實驗室定期組織技術沙龍，組織多種技術培訓、創新項目開發交流，組織各項比賽前的練兵，也有教師、企業工程師為同學們答疑解惑，同時也作為電子創新協會的活動場地，一切都為培養學生的動手實踐能力和創新精神鋪路搭橋。

2.4 口袋實驗室的管理

為了充分發揮口袋實驗室的作用，讓盡可能多的學生受益，我們制訂了口袋實驗室管理辦法，并參照圖書館的管理模式，實現了口袋實驗室的信息化管理，學生可以憑學生證到口袋實驗室借用設備。管理數據庫中包含設備借用人的信息及設備的借用、歸還、預約、續借等功能。借用時長一般為一個學期，如果學生在借用期限內不能完成相關項目設計，可到實驗室辦理續借手續；如果逾期未完成續借，可按實驗室相關規定給予適當罰款，如果設備丟失或損壞要根據有關規定進行處理。

3 基于口袋實驗室的教學改革

3.1 引入基于項目的教學模式

基于項目的教學模式就是以項目設計為主線，通過查找資料，靈活運用所學的理論知識，設計出一個與該課程相關的工程項目，達到理論和實踐的統一的教學目的。整個過程分為項目選題、搜集資料、方案論證、設計制作、成果展示和考核評價等六個步驟[4]。首先，要求學生根據自己的興趣愛好自由分組，每組3人左右，目的是通過分工合作共同完成設計項目，培養學生的團隊精神。課題可由學生自主選擇，也可參考往年電子設計大賽、物聯網設計大賽的題目。其次，學生需要明確項目目標，通過搜集資料，提出系統設計方案，然后獨立解決實際工程中遇到的各種問題，并依靠團隊合作確保項目進度。最后，在期末的成果展示和答辯環節中需要簡潔凝練地表達出自己所做的工作及成果亮點，這些都是今后工作中的必備素質。項目考核采用自我評價、同學評價、教師評價、企業評價相結合的方式，綜合評定學生的成績[5]。

我們在“單片機原理及應用”、“可編程邏輯器件”、“虛擬儀器技術”、“DSP應用技術”、“嵌入式系統設計”等實踐性較強的課程中率先引入了基于項目學習的教學模式，理論教學也盡量安排在教學實驗室進行，學生可以將課堂所學的理論與實際應用相結合。同時利用口袋實驗室隨時可以開展實驗的便利條件，教師引導學生通過項目設計自主發現問題、解決問題，培養學生的創新能力、動手能力與團隊合作精神。

3.2 口袋實驗室在慕課中的應用

隨著互聯網技術的發展，大規模在線課程(MOOCs)引發了高等教育的改革。中國大學(慕課)是愛課程網攜手云課堂打造的在線學習平臺，騰訊、好課網等也相繼推出了專業在線教育，他們聚合了大量優質教育機構和教學名師，開發了多門在線課程。每一位學生都可以從中學到最好的大學課程，都可以接觸到高品質的教育。近年來，參與MOOCs學習的學生越來越多。

據《自然》雜志報道稱，在線課程雖然能夠傳輸公式和概念，但無法將這些知識應用于實踐中。英國米爾頓凱恩斯開放大學的教育學家Mike Sharples說，實驗室是為學生提供接觸真正實驗設備、分析真實數據、觀察奇妙現象的平臺，在網絡上，不可能把學生集中到一個傳統實驗室里，也沒法給予學生安排實驗、分析數據的環境。我們建設的口袋實驗室就可以彌補工科專業學生學習MOOCs的實驗問題，學生只需借用實驗室的相關設備，就可以隨時完成MOOCs實驗?？诖鼘嶒炇乙矔鸩酵晟圃黾酉嚓P設備以滿足學生學習MOOCs的需要。

3.3 以賽代練，讓學生有目的的學習

利用口袋實驗室的資源，由學生根據自己的興趣自主選題。興趣有了，學生的主動性就會提高。我們在平時的訓練中有意引入了往年的各項競賽題目，如數據采集、無線傳輸系統、電源設計、簡單儀器儀表設計等。通過有目的的鍛煉，選拔能力強的學生參加相關的比賽。通過競賽，既可以培養學生查閱資料能力、自學能力、分析問題與解決問題的能力、綜合設計與調試能力，又可以培養學生理論聯系實際的作風、團結協作精神和創新意識，提高學生的綜合素質，促使有創新意識和創新能力的優秀學生脫穎而出，為其畢業后從事電子產品、電子系統設計方面的工作打下良好基礎。

3.4 口袋實驗室應用獲豐碩成果

采用基于項目的教學模式，激發了學生提出許多創新的方法來解決特定的問題。在解決問題的過程中，學生根據自己的特點借助口袋實驗室完成相關的實驗項目。課程結束后，我們從學生那里收集到了非常積極的反饋。

(董介春等文)

這些反饋中，特別值得一提的是：我校2013級、2014級學生利用口袋實驗室的便利條件和創新實驗室平臺自主設計開發了智能光控窗簾、飯店送菜機器人、物聯網智能家居系統、兩輪自平衡小車、四旋翼飛行器、基于FPGA的數字示波器、基于DSP的汽車識別系統、智能鼠標、智慧校園等多個創新項目，收到了良好效果。由于整個過程均以學生為主體，讓學生從被動接受變為主動學習，極大地激發了學生的探索心理與設計欲望，因而能顯著提高學生的動手實踐能力，培養創新意識，為今后從事實際工作或進一步參與科研項目打下基礎。

4 結語

口袋實驗室的運行，對培養學生的動手實踐能力和創新精神起到了非常好的推動作用。近年來，我院學生在全國、山東省電子設計大賽、挑戰杯、嵌入式物聯網設計大賽和機器人大賽中都取得了較好成績，收到了良好效果。借助于口袋實驗室的多種

最小系統開發板套件和創新實驗室的高性能儀器設備，學生可以充分利用課外時間，完成課后作業、項目實踐或其它科技創新活動，“學中做，做中學”，“睿智玩，隨心創”，從而將傳統的實驗室概念擴展為“大實驗室”，讓學生能夠隨時隨地“Do Engineering”，全面培養學生的綜合能力和專業素質。

[1] 漆強，劉爽. 基于嵌入式系統的“口袋實驗室”設計[J]．北京：實驗技術與管理，2015，32(12)：97-102.

[2] 姜志鵬，陳正宇，史金芬等. 應用型工科院?！翱诖鼘嶒炇摇迸囵B模式探索--以電子信息專業為例[J]．石家莊：統計與管理，2015(10)：173-174.

[3] 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]．北京：實驗技術與管理，2015，32(8)：212-215．

[4] 鹿玲，陳錦江等．機械制造工藝學課程基于項目的教學新模式探索與實踐[J]．秦皇島：教學研究，2011，34(3)：44-47.

[5] 向學軍，劉平，夏昌浩. 基于項目的學習模式在“虛擬儀器技術”課程的應用[J]．南京：電氣電子教學學報，2006，28(3)：18-20.

本刊在第四屆中國學術期刊評價為“RCCSE”中國核心學術期刊(A-)

The Construction of Pocket Labs and Experimental Teaching Reform

DONG Jie-chun， YU Rui-tao， WEI Cheng-bing

(SchoolofElectronicsandInformation,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)

The current problems existing in the experimental teaching are analyzed from the perspective of creative talents, this paper presented the construction projects of the pocket labs, we have developed the traditional laboratory into Wide Lab so that students can be done experiments anytime, anywhere with new ideas. And according to the features of pocket labs, the teaching mode based on project learning is introduced in practical courses, to leveling the match, we have achieved good results on the cultivation of students′ autonomous learning ability, creativity, teamwork ability and so on.

pocket labs; project-based learning; experiment teaching reform

2016-07-17;

2017-08- 23

董介春(1967- )，男，工學碩士，高級實驗師，主要從事虛擬儀器技術等課程的理論和實驗教學、實驗室建設與管理等工作，E-mail：jiechundong@163.com

G642.0

A

1008-0686(2017)03-0133-04