姜志鵬+陳正宇+閻浩

摘 要：口袋實驗室教學模式是一種基于實驗設備微型化的實驗模式。文章分析了口袋實驗室教學模式的目標，研究了這種模式的特點，提出了實施過程需要注意的要點，從設計實驗項目時應遵循的主要原則和教學過程的組織角度作了分析和闡述。教學實踐表明，基于該方法的口袋實驗室教學能較好地實現(xiàn)教學目標。

關鍵詞：口袋實驗室;實踐教學;實驗設計;教學組織

中圖分類號：TN915 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-02

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33280 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，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笫侵杆x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。“操作方便”是指口袋式設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。“可擴展性強”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。

圖1 ?BASYS3口袋實驗板資源圖[9，10]

表1 ?BASYS3口袋實驗板資源一覽表

序號 資源 序號 資源

1 電源正常指示 9 FPGA配置復位

2 PMOD接口 10 編程模式選擇

3 模擬信號接口 11 USB接口

4 4位數(shù)碼管 12 VGA接口

5 拔動開關（16個） 13 UART/JTAG接口

6 發(fā)光二極管（16個） 14 外部電源

7 按鈕（5個） 15 電源開關

8 FPGA編程指示 16 電源選擇

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，對其他高校相關專業(yè)的教學實踐有明顯的借鑒意義。

參考文獻

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[2]楊榮，陳麗紅，馮黎.半導體制造設備進步支撐半導體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展[J].集成電路應用，2015（4）：28-31.

[3]黃盼.集成電路的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J]. 品牌，2015（3）：166.

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[5] Xilinx將推出16nm的FPGA和SoC，融合存儲器、3D-on-3D和多處理SoC技術(shù)[J]. 電子產(chǎn)品世界，2015（Z1）：65.

[6]薛士然. 16nm FinFET+技術(shù)帶來FPGA的巨大變革[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2015（4）：80.

[7] Xilinx Inc.Artix7 FPGA Product Brief[EB/OL].http：//www.xilinx.com/artix，2014

[8] Digilent Inc.Pmods Reference Manual[EB/OL].http：//www.digilentic.com，2015

[9] Digilent Inc.Basys3 FPGA Board Reference Manual[EB/OL].http：//www.digilentic.com，2014

[10]徐彬，詹華群. 基于Basys開發(fā)板的VGA顯示控制設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2014（2）：42-45.