0 引 言

口袋實驗室實驗教學(xué)模式是指將實驗設(shè)備微型化，方 便攜帶，允許實驗者自選場合自選時間進(jìn)行實驗的一種教學(xué) 模式?？诖鼘嶒炇医虒W(xué)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(shè)計和實驗過程的組織等角度進(jìn)行了探索。 

1 實驗項目的設(shè)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(xué)生的實驗興趣。為了提高實驗興趣，一方面實驗項目 設(shè)計得富有挑戰(zhàn)性，另一方面要確保經(jīng)過學(xué)生的努力能實現(xiàn) 主要設(shè)計目標(biāo)，防止挫傷學(xué)生的積極性。為此，應(yīng)滿足以下 3 點要求。

1.1 工程性 

工科院校本科層次學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，主要還是工程能力 的培養(yǎng)。因此在設(shè)計實驗項目時，應(yīng)注意項目的工程性特點。 應(yīng)當(dāng)從本專業(yè)的實際工程項目中選擇某些課題經(jīng)適當(dāng)簡化后交 給學(xué)生以口袋實驗室的實驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行，并且應(yīng)注意選題實現(xiàn) 效果和參數(shù)不能過于理想化，應(yīng)與現(xiàn)實工程接軌。比如，金 陵科技學(xué)院在 2015 年的口袋實驗室實驗中，要求設(shè)計一個基 于 FPGA 的數(shù)控恒流源，給出了明確的設(shè)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(shè)計的實驗項目的實現(xiàn)方案需要經(jīng) 過努力才能獲得，學(xué)生們不能輕易獲取，如果設(shè)計方案直接 到達(dá)學(xué)生手中，就使學(xué)生們的創(chuàng)新思維得不到訓(xùn)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(yīng)要求學(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，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(xué)生應(yīng)能在教師較少指導(dǎo)甚至不指導(dǎo)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(wù)。當(dāng)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(xué)生應(yīng)能高度 自主地展開自學(xué)，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(xué)生輕 易從往屆學(xué)生處獲得項目的設(shè)計結(jié)果。為此，金陵科技學(xué)院 建立了嚴(yán)格的選題制度，即要求當(dāng)年度的設(shè)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(yīng)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 建立團(tuán)隊 

由于口袋實驗室教學(xué)模式使學(xué)生在實驗過程中脫離了教師的視線，某種程度上對學(xué)生的自覺性提出了較高的要求。而 團(tuán)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(xué)生具備團(tuán)隊合作意識 [5]，因此，教師應(yīng)在實驗 之初認(rèn)真組織團(tuán)隊建設(shè)，從態(tài)度、學(xué)習(xí)能力、特長等角度對 團(tuán)隊成員合理調(diào)配，最后每組選定組長，組長對全組承擔(dān)監(jiān)督、 任務(wù)分配的職能。 

2.3 建立團(tuán)隊間的交流機制 

為了提高實驗對學(xué)生知識理解、知識廣度方面的促進(jìn)作 用，應(yīng)在實驗期間建立穩(wěn)定的團(tuán)隊間交流機制，在團(tuán)隊交流 期間，由各組分別闡述各自的設(shè)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(xué)模式，由于將實驗的大部分 時間交給了學(xué)生，學(xué)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(xué)院基于 口袋實驗室的教學(xué)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(xì) 的實驗進(jìn)度，將實驗過程分為若干個階段，教師平時不干預(yù) 學(xué)生的實驗，但在階段時間節(jié)點，將專門組織時間檢查學(xué)生階 段任務(wù)的完成情況。未能如期完成任務(wù)的團(tuán)隊，要求分析原因 并在下一階段有所改進(jìn)。階段任務(wù)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(tuán)隊成員進(jìn)行 隨機問答，考察學(xué)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(shè)備的選擇 

口袋實驗設(shè)備的選擇，應(yīng)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(shè)備“體積小”，即要求設(shè) 備能隨身攜帶，甚至可以放在口袋中，這樣才能滿足學(xué)生有設(shè) 計靈感和實驗欲望時隨時獲取設(shè)備的要求?！肮δ苋钡囊?是指所選擇的口袋式設(shè)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(shè)備的使用應(yīng)簡易可行，不需 要太多的外接設(shè)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(shè)備的體積小，所提供的功能不可能面面俱到，應(yīng)根據(jù)具 體實驗要求擴展外部設(shè)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(xué)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(xué)實踐時選擇用的口袋實驗設(shè)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(lán)牙收發(fā)器、無線收發(fā)器、紅外收發(fā)器、 GPS 等各類外擴設(shè)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(shè)備。

4 結(jié) 語

基于口袋實驗設(shè)備的實驗教學(xué)模式，充分發(fā)揮設(shè)備易攜 帶易操作且功能豐富的特點，使學(xué)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(jìn)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(xué)院的教學(xué)實 踐結(jié)果表明，這種實驗?zāi)Ｊ侥茱@著提高學(xué)生的動手創(chuàng)新能力， 對其他高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實踐有明顯的借鑒意義。