華春梅

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧 興城125105）

0 引言

為了提高電子信息類專業(yè)學生的工程實踐能力與創(chuàng)新能力，電氣工程系擬在教學中引入“口袋實驗室”，進一步豐富理實一體化教學模式。該模式突破了傳統(tǒng)實驗室場地限制以及開放時間的局限性，使學生能夠利用業(yè)余時間，在寢室等實驗室之外的其他場所進行實訓；除此之外，學生還可以根據自己的興趣自行開展設計開發(fā)試驗，使學生在實踐中不是單純地完成任務，而是能夠根據所學的知識開展創(chuàng)新研究等多種項目，從而提高學生工程實踐等綜合運用能力[1]。

1 電子類專業(yè)課教學進行理實一體化教學模式改革的必要性

以嵌入式系統(tǒng)為例，因其智能化、控制靈活、互聯(lián)性等特點，在工業(yè)控制以及智能制造領域得到了廣泛應用?；镜南到y(tǒng)設計、開發(fā)和調試方法等是電子信息類專業(yè)學生應該掌握的嵌入式系統(tǒng)基本技能，是電氣工程系智能控制技術、電氣自動化技術、應用電子技術、電子信息工程技術等電子類、控制類專業(yè)的基礎。我們以先修課程C 語言程序設計、數字電路和單片機等課程為基礎，設置了“嵌入式操作系統(tǒng)”課程作為專業(yè)課。根據工程實踐性強的課程特點，教學中更需要通過恰當的實訓平臺，應用理實一體化教學模式，將嵌入式系統(tǒng)的理論知識和實訓環(huán)節(jié)有機結合，增強學生創(chuàng)新意識和實踐動手能力的培養(yǎng)。而傳統(tǒng)教學模式中，較常見的都是通過教師的講解、演示，再由學生模仿這種方式使學生掌握知識，大部分課程實際情況仍然是將實踐教學視為理論課程的輔助工具，這使得學生在學習過程中的自主學習能力、動手實踐能力及創(chuàng)新能力得不到鍛煉。所以，應加強理實一體化教學模式改革，達到學生理論與實踐創(chuàng)新能力的融合。

2 “口袋實驗室” 理實一體化教學模式的優(yōu)勢

傳統(tǒng)教學模式阻礙了學生工程實踐能力、自主學習能力的提高和創(chuàng)新的意識的培養(yǎng)。引入“口袋實驗室”將會是一個很好的解決方案。

“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。“口袋實驗室”理實一體化教學模式是指將實驗設備小型化，便于攜帶，允許學生自由選擇時間地點進行獨立實驗[2-3]。目前“口袋實驗室”在電子信息以及計算、控制類專業(yè)中應用也很廣泛?！翱诖鼘嶒炇摇痹凇敖?、學、做”一體化教學模式改革、提高試驗效果、增強學習興趣、鍛煉學生動手能力、自主開發(fā)等方面有著比以往實驗教學模式更大的優(yōu)勢，同時對教師的理論知識更新也提出了新的要求。對于電氣工程系來說，特別適合于各專業(yè)通用的自動控制原理、嵌入式操作系統(tǒng)、單片機原理與實踐、無線網絡傳感器系統(tǒng)、C 語言程序設計等專業(yè)基礎課以及專業(yè)課程的教學。

將“口袋實驗室”引入教學，很好地解決了學生業(yè)余時間需要和實驗室的運行機制限制問題?！翱诖鼘嶒炇摇钡男⌒头奖阋约翱蓴U展性強的特點，可以使學生用課下業(yè)余時間，在寢室中進行實驗。幫助學生快速熟悉工程項目的開發(fā)流程，迅速進入工程角色，能夠充分激發(fā)學生的自主學習、實驗欲望和創(chuàng)作靈感，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)造力，增強團隊協(xié)作精神，促進相互交流，為培養(yǎng)一流人才奠定了基礎。

3 實施 “口袋實驗室” 理實一體化教學模式的思路

實施“口袋實驗室”理實一體化教學模式要從以下幾個方面進行研究設計：

“口袋實驗室”的引入目的是提高學生課余時間的利用率，拓展實驗場所。主要的實驗項目是由學生獨立在課下完成的，教師上課時負責考核、糾錯。這樣就大大提高了課堂效率，同時對學生的實踐能力和創(chuàng)新思維將會有很大鍛煉。

首先，要注意選擇貼近工程實踐、具有一定的挑戰(zhàn)性，而且在經過學生努力后還能夠實現的實驗項目。這樣能做到與現實工程接軌、訓練學生創(chuàng)新思維、鍛煉自主學習能力。

其次，在這種教學模式實施過程中，要注意對學生的組織，建立團隊，建立交流平臺，規(guī)范對實驗結果的考核。對于實驗結果考核將是最具有挑戰(zhàn)性的，由于“口袋實驗室”的引入，整個實驗過程大部分時間由學生業(yè)余時間獨立完成，使得教師對于學生的表現無法直接掌握。這就要求教師對整個實驗過程進行重新設計。一是實驗開始之前指導教師指導學生設計出實驗的計劃書，按照設定的計劃按步驟進行實驗，教師通過多種渠道完成，例如微信、QQ，或者通過專門的網站跟進指導；二是突出階段性考核的特點，突出個人面試的特點。教師平時不干預學生的實驗，但在階段節(jié)點，檢查學生階段任務的完成情況[4]。

4 電氣工程系 “口袋實驗室” 配置方案

基于口袋實驗設備的理實一體化教學模式，要充分發(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、時間均可進行實驗，大大解決了實驗室空間、時間受限等問題。這種教學模式能顯著提高學生的動手創(chuàng)新能力，對理實一體化教學實踐有明顯的促進作用。

綜合實驗平臺針對MSP430 單片機原理與實踐、傳感器原理與應用、無線傳感器網絡原理與實踐、自動控制原理等課程的實驗教學，同時兼顧學生課外口袋式實驗和電子設計競賽的需求。在設計時，通過優(yōu)化布局布線將MSP430 單片機主板尺寸控制在100 mm*160 mm 以內、CC2530 的主板控制在80 mm*120 mm 以內、傳感器母板60 mm*100 mm 以內，如圖1 所示。

圖1 口袋實驗板

這樣，學生既可以自己展開課外實驗，達到“口袋實驗室”的效果，也可以將該實驗板直接用于電子競賽和課外科技活動中去。不同課程可選擇不同的配置，譬如MSP430 單片機原理與實踐課程僅選擇MSP430 單片機主板即可；如果要學習傳感器課程，再選配相關傳感器模塊即可；如果開設無線傳感器網絡原理與實踐課程，選擇MSP430 單片機主板（或者CC2530 主板）、CC2530核心板和傳感器母板即可；如果涉及傳感器的話，選擇配相關傳感器模塊即可。

4.1 面向控制類MSP430 單片機實踐平臺

單片機（MCU） 是智能控制、儀器儀表、電子通信等專業(yè)的必修專業(yè)課程，在掌握一款單片機的基礎上，可以進一步學習和掌握嵌入式操作系統(tǒng)、控制器設計、無線傳感器網絡（WSNs） MCU 的協(xié)議棧（Z-Stack）；可為相關專業(yè)實踐課程打下基礎；可完成單片機實驗、嵌入式系統(tǒng)實驗（uC/OS-II 或FreeRTOS）。單片機口袋板可完成如下實驗：輸入/ 輸出I/O 口控制實驗、定時器實驗、異步串口通信實驗、PWM 輸出實驗、按鍵中斷實驗、A/D 實驗、D/A 實驗、RTC 輸出顯示實驗、七段數碼管顯示實驗、LCD12864 顯示實驗、I2C 雙機通信實驗、I2C 讀寫EEPROM 實驗、SPI 讀寫SD 卡驗、USB 實驗、FAT 文件系統(tǒng)實驗、uC/OS-II 移植實驗、FreeRTOS 移植實驗、TI SYS/BIOS 實驗。

其中，前5 個為基本入門實驗，教師可手把手指導學生入門，讓學生初步掌握MCU 內部原理和程序設計方法，掌握了這幾個實驗之后，可為后續(xù)控制原理實踐課打下基礎（定時器用來設置控制周期，PWM 用來控制量的輸出，串口/IO 口/按鍵用來人機交互）；6～13 個實驗為提高性實驗，可根據實際情況進行選擇；14～18 個實驗為選做性實驗。

uC/OS-II 移植實驗和FreeRTOS 移植實驗可進行擴展完成嵌入式操作系統(tǒng)課程的實踐課，具體如下：uC/OS-II操作系統(tǒng)移植實驗、任務控制LED 燈實驗、任務控制串口輸出實驗、信號量按鍵實驗、郵箱按鍵實驗。

其中，任務、信號量和郵箱是嵌入式系統(tǒng)的基本概念，通過上述實驗可讓學生有所了解。

4.2 面向物聯(lián)網的Zigbee 實踐平臺（配有多種傳感器）

可選配相關傳感器完成傳感器原理與實踐課程實驗、無線傳感器網絡實驗。

無線傳感器網絡口袋板（CC2530 主板） 可完成如下實驗：輸入/輸出I/O 口控制實驗、定時器實驗、異步串口通信實驗、PWM 輸出實驗、按鍵中斷實驗、AD 實驗、LCD12864 顯示實驗、Z-Stack 協(xié)議棧。

CC2530 的內核為8051 單片機，外加無線收發(fā)器和Z-Stack 協(xié)議棧，這樣可實現豐富的物聯(lián)網應用。上述實驗為CC2530 的8051 內核實驗，熟悉這幾個實驗后，可為無線網絡課程實踐打下基礎。

無線傳感器網絡口袋板（CC2530 主板） +無線傳感器節(jié)點，可完成相關實驗，具體可選配的節(jié)點如下：直流電機節(jié)點模塊、步進電機節(jié)點模塊、溫濕度傳感器節(jié)點模塊（模擬和數字兩類傳感器）、光照度采集節(jié)點傳感器模塊、煙霧、火焰探測節(jié)點模塊、MQ2 氣體檢測節(jié)點模塊、熱釋電紅外傳感器節(jié)點模塊、RFID 讀卡器節(jié)點模塊、振動檢測節(jié)點模塊、聲音探測節(jié)點模塊。可完成的實驗如下：Zigbee 組包發(fā)送實驗、Zigbee 地址與參數實驗、點對點通信實驗、簡單拓撲網絡實驗、廣播通信實驗、指定路由多跳網絡的實驗、動態(tài)自組網實驗、簡單的泛洪協(xié)議的多跳路由網絡的實驗、Zigbee 嗅探器實驗、Zigbee 動態(tài)接入實驗、Zigbee 多跳傳輸實驗、射頻信號強度實驗。其中前5 個為基本實驗。

5 結論

建設“口袋實驗室”硬件設施，可進一步豐富學校自主學習資源，推動學校打造自主學習實踐平臺；依托“口袋實驗室”，實施理實一體化教學模式，學生可以進一步學習和掌握嵌入式操作系統(tǒng)、控制器設計、無線傳感器網絡（WSNs） MCU 的協(xié)議棧（Z-Stack），為相關專業(yè)實踐課程打下基礎；教師可深入研究自主教學模式改革，推進混合式理實一體化教學模式建設。