王中明

（江漢大學 物理與信息工程學院，湖北 武漢 430056）

0 引言

“口袋實驗”（pocket labs）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［1］。

目前，國內(nèi)外很多高校已經(jīng)開始在工科教學（尤其是電子、通信以及計算類、控制類專業(yè)）中實施“口袋實驗”的探索，如英國德蒙福特大學為學生準備了一套基于微控制器或FPGA 的最小系統(tǒng)開發(fā)板作為“口袋實驗室”平臺，學生在課內(nèi)實驗以及畢業(yè)設計階段，均可以此平臺展開實驗。清華大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學、華中科技大學等知名高校正在探索將模擬電路、數(shù)字電路、開關電源、單片機等“口袋”實驗板引入到教學中［2-4］。另一方面，國際知名公司也紛紛注意到“口袋實驗室”在高校中的流行趨勢，并積極推出相關產(chǎn)品支持這一實踐教學模式。如美國德州儀器和賽靈思中國大學計劃項目引入“口袋”實驗理念，倡導一種不受時間、空間限制的全新實驗教學模式?，F(xiàn)有芯片制造技術可以生產(chǎn)出1元硬幣大小的“口袋”實驗設備。它們具有“小身材、大能量、開源性”的優(yōu)點，方便學生二次開發(fā)［5-7］。

2016年，筆者獲批湖北省教育廳項目《電信專業(yè)“口袋實驗室”教學模式的探索》，在《單片機原理》課程教學過程中，引入了“口袋實驗”教學方式，進行了為期3年的“口袋實驗”教學方式探索。

1 《單片機原理》課程“口袋實驗”教學前期準備

《單片機原理》是一門硬件技術和軟件技術相結合的綜合課程，涉及到微機原理、C 語言、軟件工程、模擬電路、數(shù)字電路等基礎知識，是大多數(shù)IT 企業(yè)人才必須精通的一門學科［8-10］。單片機體積小，所需輔助設備少，容易“口袋化”，且其教學過程中需要進行大量編程和調(diào)試實踐訓練，本次“口袋實驗室”教學實施選擇《單片機原理》課程。

江漢大學電信專業(yè)該課程在大二下學期進行，40 學時（理論28 學時，實驗12 學時），還有16 學時的課程設計，相關先修課程有模擬電路、數(shù)字電路、微機原理、C 語言等。

1.1 教學要求

“口袋實驗”教學方式以提高學生實踐能力為目的，通過本課程的學習，要求學生能自主進行單片機開發(fā)?！秵纹瑱C原理》課程的具體教學要求為：

1）熟練掌握單片機的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)過程。

2）了解單片機的啟動過程。

3）掌握定時、中斷、I/O、AD、DA 的工作原理。

4）熟練掌握單片機C 語言開發(fā)方法。

5）掌握單片機接口寄存器設置過程。

6）掌握單片機定時、中斷、I/O、AD、DA 等基本接口的開發(fā)。

1.2 實驗設備

本次“口袋實驗”的設備為正點原子miniSTM32F1 開發(fā)板（250 元/臺，含仿真器），如圖1 所示。該設備具有如下特點：

圖1 實驗設備Fig.1 Experimental equipment

1）“口袋化”。設備大小為8 cm × 10 cm，便于攜帶，且功耗低，可直接用筆記本USB 接口供電；同時可作為簡單函數(shù)信號發(fā)生器、示波器使用。因此，傳統(tǒng)實驗室中“單片機實驗室箱”+“信號源”+“示波器”+“電源插座”+“臺式機”的實驗室固定模式可轉變?yōu)椤翱诖鼏纹瑱C”+“筆記本電腦”的移動模式，學生可以在課堂、實驗室、宿舍等場合進行實踐訓練。

2）采用主流技術，接口豐富，實用性強。采用了主流的ST 公司COTEX-M3 系列芯片STM32F103RCT6，實用性強，且包含了串口、AD/DA、IIC、紅外、USB、網(wǎng)卡、LCD、SD 卡等通用接口。

3）資料豐富。有豐富的芯片資料、開發(fā)工具、視頻資源、源程序、交流平臺等，便于學生自主學習。

1.3 教學資料準備

以ST 官網(wǎng)下載的芯片數(shù)據(jù)手冊為教材。同時配備了相應知識點的PPT 及講解視頻。實驗配備了標準例程源程序及實驗指導書。同時在江漢大學慕課教學平臺上建立了《單片機原理與技術——STM32》課程，訪問地址為http：//jhun.fy.chaoxing.com/portal。

2 “口袋實驗”教學實施

以筆者在2017年和2018年江漢大學物理與信息工程學院電信專業(yè)進行的兩次授課為例，每次約35 人，學生自帶筆記本電腦，配備開發(fā)板一套；兩人一組。

2.1 教學方法

與傳統(tǒng)的理論與實踐分開教學的方式相比較，“口袋實驗”是一種將理論與實踐相結合，以實踐教學為中心的教學方式，其主要特點如下：

1）理論教學中結合實踐。理論教學基礎知識講解過程中，學生可直接在開發(fā)板上下載例程源程序進行驗證，并應用基礎知識對源程序進行針對性修改，這樣可加深學生對知識點的理解，同時也可提高學生的實際操作能力。

2）理論教學后加強實踐訓練。在每個知識點教學完成后，布置一次與知識點相關的實踐訓練，學生可在教室、圖書館、寢室等場所完成。

3）實驗課上以項目分析、調(diào)試、優(yōu)化為主要教學內(nèi)容。因?qū)W生在理論教學后完成了實驗的程序編寫工作，在此基礎上，實驗教學中，進行項目分析、調(diào)試，并找出項目中的錯誤和不足并優(yōu)化，從而改善實驗教學效果，提高學生的綜合能力。

4）實踐教學采用閉環(huán)方式。因?qū)W生隨時都可以進行實踐訓練，每個實踐訓練項目都可以采用學生編寫—老師批改—學生優(yōu)化—老師再批改直至滿意的閉環(huán)過程，在此過程中，學生可更好地掌握知識點。

5）以綜合實踐項目訓練為最終目的。在實驗教學的最后4 節(jié)課安排了一個綜合實驗，該項目主要訓練學生組織項目、借鑒資料、發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)試優(yōu)化項目的綜合能力。

6）借助慕課網(wǎng)絡教學平臺，提高教學效率。慕課平臺上的教學視頻可使學生有針對性地重復學習；試題庫既讓學生掌握了理論知識點，又讓老師可以騰出時間檢查學生的實踐項目，指導學生實踐；專題討論充分發(fā)揮學生的積極性。

2.2 教學實施過程

《單片機原理》課程“口袋實驗”教學內(nèi)容如表1 所示。在理論教學的學時分配上，50%左右的時間為PPT 理論授課，25%左右的時間為源程序分析，25%的時間為實驗驗證，共進行了10 個知識點的實驗驗證。在課后進行了10 個知識點的實踐訓練，每次訓練工作量為2 h 左右。在慕課網(wǎng)絡教學平臺網(wǎng)絡視頻有12 個，試題110 個，開展討論話題12 個。實驗教學完成教學知識點6 個，提交實驗報告6 份，實驗前準備1 h 左右，實驗完成后書寫報告1 h 左右。學生在該門課程上的總共學習時間約為80 h。

表1 《單片機原理》課程“口袋實驗”教學內(nèi)容Tab.1 Teaching content of ″pocket labs″ in the course of Fundamentals of Mono-chip Computers

3 教學效果及體會

3.1 教學效果

較傳統(tǒng)的教學方式，這兩次的“口袋實驗”教學效果較好，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

1）學生積極性明顯提高。學生上課出勤率每次都在97%以上，上課無玩手機現(xiàn)象，上課時都能認真聽講，實驗驗證能積極配合；課后作業(yè)及課后實踐訓練能按時完成；實驗課上，學生能認真討論、編寫、調(diào)試程序，學習氣氛活躍。

2）學生基本掌握了本課程的教學知識點。課程考試以上機編程的方式進行，考試時間4 h，考試內(nèi)容為在指定時間內(nèi)完成一個綜合項目的編寫、調(diào)試工作，60%左右的學生能全部完成，30%左右的學生能完成大部分內(nèi)容，10%左右的學生能基本完成。

3）學生的實踐能力得到了明顯提高。整個教學過程都是以實踐為基礎，學生在程序分析、單片機編程過程、C 語言編程方法、項目實施方法、程序調(diào)試等實踐應用能力上都有明顯提高。在《單片機原理》所對應的課程設計中，學生能自己收集資料、程序代碼，并能分析這些代碼、將其移植到現(xiàn)有平臺上，并根據(jù)自己的需要修改、優(yōu)化代碼，完成課程設計任務。

3.2 教學體會

實施“口袋實驗”教學方式，除了要選擇好的實驗平臺，前期做好充足準備外，還應該做好如下幾個方面工作：

1）實施課程項目應具有很強的實踐應用。這樣既可開展相應實驗教學項目，同時也可吸引學生，調(diào)動學生積極性。

2）教師應對實施課程項目具有很強的動手能力。學生在動手過程中會遇到很多實際問題，教師需及時解決。

3）教學需因材施教。學生選課時，應說明該課程對學生能力要求；教學前，了解學生的基本情況，根據(jù)學生的情況安排教學內(nèi)容和教學進度，教學中及時解決學生遇到的問題，同時及時掌握學生的學習情況，調(diào)整教學進度和教學內(nèi)容。

4）教師需投入更多的時間和熱情。做好一個實踐項目需老師多次檢查、同學多次修改；老師因此要付出更多的時間；同時因?qū)W生的個體差異，有些學生的進度相對較慢，老師應該鼓勵、督促他們，增加他們的自信心，使其學習有所進步。

4 結語

“口袋實驗”教學方式不是簡單的實驗設備小型化，而是理論與實踐充分結合，以提高學生實踐能力為核心的一種教學方式。在應用型學科，傳統(tǒng)實驗教學方式在技術更新速度、更新成本、管理方式等方面都難以與“口袋實驗”抗衡。高?？筛鶕?jù)實際需求，引進成本低、實用性強、更新快、管理簡便的“口袋實驗”項目，以提高學生的實踐能力。