0 引 言

口袋實驗室實驗教學模式是指將實驗設備微型化，方 便攜帶，允許實驗者自選場合自選時間進行實驗的一種教學 模式?？诖鼘嶒炇医虒W模式的提出是以集成技術(shù)迅猛發(fā)展為 技術(shù)前提 [1-3]，IC 制造商，比如 XILINX 公司宣布已經(jīng)推出 了 16 nm 的高集成度 FPGA 芯片 [4-6]。在這樣高集成度的情 況下，產(chǎn)生了大量的片上系統(tǒng)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 個邏輯門，5 200 個邏輯區(qū)域，1 800 Kb 的快速 RAM， 5 個時鐘管理模塊以及 90 個 DSP 區(qū)，另外還提供了片上模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，使得在該芯片上實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)成為可能。

目前，口袋實驗室在各類院校，尤其是工科物聯(lián)網(wǎng)、電子、 通信以及計算類、控制類專業(yè)中有日趨普及的趨勢，但還未完 全形成一套完整有效的理論體系。本文從口袋實驗室的實驗項 目設計和實驗過程的組織等角度進行了探索。 

1 實驗項目的設計 

口袋實驗室的目的是提高實驗效果，而實驗效果的提高 離不開學生的實驗興趣。為了提高實驗興趣，一方面實驗項目 設計得富有挑戰(zhàn)性，另一方面要確保經(jīng)過學生的努力能實現(xiàn) 主要設計目標，防止挫傷學生的積極性。為此，應滿足以下 3 點要求。

1.1 工程性 

工科院校本科層次學生的培養(yǎng)目標，主要還是工程能力 的培養(yǎng)。因此在設計實驗項目時，應注意項目的工程性特點。 應當從本專業(yè)的實際工程項目中選擇某些課題經(jīng)適當簡化后交 給學生以口袋實驗室的實驗模式進行，并且應注意選題實現(xiàn) 效果和參數(shù)不能過于理想化，應與現(xiàn)實工程接軌。比如，金 陵科技學院在 2015 年的口袋實驗室實驗中，要求設計一個基 于 FPGA 的數(shù)控恒流源，給出了明確的設計參數(shù)下限，這些 參數(shù)均與工程實踐密切相關(guān)，并且也是可以實現(xiàn)的。

1.2 挑戰(zhàn)性 

挑戰(zhàn)性特點決定了所設計的實驗項目的實現(xiàn)方案需要經(jīng) 過努力才能獲得，學生們不能輕易獲取，如果設計方案直接 到達學生手中，就使學生們的創(chuàng)新思維得不到訓練，使實驗效 果大打折扣。一個良好的口袋實驗室實驗項目，應要求學生查 閱大量的文獻資料，經(jīng)過充分的小組討論和論證，得出幾種 可能方案，并一一驗證是否可行，是否最佳，也只有通過這 樣一個過程，才使得實驗不能在幾節(jié)課的時間內(nèi)完成，從而必 須利用口袋實驗室在課余時間完成實驗。 

1.3 自主性 

口袋實驗室把實驗過程從固定時間固定地點的實驗室搬 移到了其他場合，這就對實驗項目的自主性提出了較高的要求。 學生應能在教師較少指導甚至不指導的情況下，自主完成分析 課題，解決有可能出現(xiàn)的各方面問題的任務。當實驗課題需要 用到課堂上還未教過或者根本不教的知識時，學生應能高度 自主地展開自學，而不是坐等教師講課后再做實驗。

2 實驗過程的組織 

2.1 實驗選題 

為了保證前述實驗項目的挑戰(zhàn)性，就必須防止本屆學生輕 易從往屆學生處獲得項目的設計結(jié)果。為此，金陵科技學院 建立了嚴格的選題制度，即要求當年度的設計選項不得與三年 內(nèi)的課題相同，必須經(jīng)過變化。此外，規(guī)定同一年度對某一 年級的選題，至少應包含三個課題，這也從一定程度上增加了 課題的可選性，提高了學生的學習興趣。

2.2 建立團隊 

由于口袋實驗室教學模式使學生在實驗過程中脫離了教師的視線，某種程度上對學生的自覺性提出了較高的要求。而 團隊從一定程度上能對個體產(chǎn)生約束作用。同時，現(xiàn)代工程教 育理念也要求學生具備團隊合作意識 [5]，因此，教師應在實驗 之初認真組織團隊建設，從態(tài)度、學習能力、特長等角度對 團隊成員合理調(diào)配，最后每組選定組長，組長對全組承擔監(jiān)督、 任務分配的職能。 

2.3 建立團隊間的交流機制 

為了提高實驗對學生知識理解、知識廣度方面的促進作 用，應在實驗期間建立穩(wěn)定的團隊間交流機制，在團隊交流 期間，由各組分別闡述各自的設計方案，交流可能遇到的問題， 共享已經(jīng)查到的資料，從而使實驗的效率大大提高。 

2.4 實驗結(jié)果考核 

基于口袋實驗室的實驗教學模式，由于將實驗的大部分 時間交給了學生，學生的表現(xiàn)往往對教師來說是個盲區(qū)，從而 對考核結(jié)果的公平合理性提出了挑戰(zhàn)。在金陵科技學院基于 口袋實驗室的教學實踐中，從時間上突出了階段性考核的特點， 從方式上突出了個人面試的特點。每組在實驗之初就撰寫詳細 的實驗進度，將實驗過程分為若干個階段，教師平時不干預 學生的實驗，但在階段時間節(jié)點，將專門組織時間檢查學生階 段任務的完成情況。未能如期完成任務的團隊，要求分析原因 并在下一階段有所改進。階段任務如期完成情況占總評成績的 一部分。然后每個階段組織小型面試，對每個團隊成員進行 隨機問答，考察學生的知識掌握情況，并直接影響該成員的總 評成績。

3 口袋實驗設備的選擇 

口袋實驗設備的選擇，應以體積小、功能全、操作方便、 可擴展性強為主要原則。要求實驗設備“體積小”，即要求設 備能隨身攜帶，甚至可以放在口袋中，這樣才能滿足學生有設 計靈感和實驗欲望時隨時獲取設備的要求?！肮δ苋钡囊?是指所選擇的口袋式設備能提供豐富的軟硬件資源，方便實 驗時的功能實現(xiàn)，這是口袋實驗室實驗效果得到保證的必然 要求?！安僮鞣奖恪笔侵缚诖皆O備的使用應簡易可行，不需 要太多的外接設備即可使用，只有這樣才能滿足口袋實驗在任 意場合都可實行的實際要求?！翱蓴U展性強”是指由于口袋實 驗設備的體積小，所提供的功能不可能面面俱到，應根據(jù)具 體實驗要求擴展外部設備以便擴展實驗功能，這個要求同樣是 為了保證口袋實驗的實驗質(zhì)量。

以金陵科技學院為例，在實施電子類、物聯(lián)網(wǎng)類等相 關(guān)專業(yè)的口袋實驗教學實踐時選擇用的口袋實驗設備之一是 DIGILENT 公司的 BASYS3 板，如圖 1 所示。該板體積小巧， 板上核心芯片為 XILINX 公司的 Artix7 FPGA，核心功能可 編程。板上資源豐富、接口齊全，如表 1 所列。它所提供的 PMOD 接口能夠連接從藍牙收發(fā)器、無線收發(fā)器、紅外收發(fā)器、 GPS 等各類外擴設備 [8]，能夠完成工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)等眾多 功能，且使用時只需一根電源線與電腦相連即可。因此該板比 較適合用于口袋實驗設備。

4 結(jié) 語

基于口袋實驗設備的實驗教學模式，充分發(fā)揮設備易攜 帶易操作且功能豐富的特點，使學生可以在任意場合任意時 間，只要有實驗欲望或創(chuàng)作靈感，均可進行實驗，大大解決了 實驗室空間受限、時間有限等問題，金陵科技學院的教學實 踐結(jié)果表明，這種實驗模式能顯著提高學生的動手創(chuàng)新能力， 對其他高校相關(guān)專業(yè)的教學實踐有明顯的借鑒意義。