摘要：口袋實(shí)驗(yàn)室作為一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，被國內(nèi)很多高校引入，替代原有的實(shí)驗(yàn)臺和實(shí)驗(yàn)箱，將原有的設(shè)備微型化。本文從電子線路實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀分析，到改革的原因闡明，再到制定詳細(xì)的改革方案，最后闡述了口袋實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)上的延伸。這項(xiàng)改革不僅可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣，還可以提高其理論與實(shí)踐的結(jié)合能力與創(chuàng)新能力，適合應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)方案。

關(guān)鍵詞：口袋實(shí)驗(yàn)室；電子線路；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；應(yīng)用型本科

一、電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析

本院的電子線路實(shí)驗(yàn)室主要開設(shè)模擬電子線路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)，一直以來沿用的都是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)室里的GSM模數(shù)電實(shí)驗(yàn)臺比較老舊，而且體積大，功能也是定制的，預(yù)留的擴(kuò)展接口很少，這些情況在很大程度上限制了學(xué)生自主發(fā)揮的空間。學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)教師規(guī)定的實(shí)驗(yàn)場所和時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，這使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一定的時效性，對于部分動手能力薄弱的同學(xué)而言，在規(guī)定的時間里無法完成實(shí)驗(yàn)，也會被迫結(jié)束，不利于學(xué)生對學(xué)習(xí)進(jìn)度的自主調(diào)節(jié)。

二、電子線路實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革的原因

隨著教育部“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、“智能+教育”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，MOOC、口袋實(shí)驗(yàn)室等技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)揮了越來越發(fā)重要的作用，特別是在2020年疫情防控期間疫情期間。為了將這些資源深度融入電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要建立面向線上線下融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化平臺，為探索新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)形態(tài)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

口袋實(shí)驗(yàn)室（Pocket Labs）的概念由美國斯坦福大學(xué) Clifton Roozeboom 博士率先提出，隨即，英國德蒙福特大學(xué)設(shè)計了一款以FPGA/ARM 為核心的開發(fā)板，作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)板和項(xiàng)目開發(fā)板[1]。近年來，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，很多電子類實(shí)驗(yàn)設(shè)備逐步向微型化發(fā)展，越來越受到國內(nèi)各高校的青睞，口袋實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生，并由美國德州儀器（TI）和賽靈思（Xilinx）“中國大學(xué)計劃項(xiàng)目”引入中國。國內(nèi)最早引進(jìn)口袋實(shí)驗(yàn)室的是東南大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等，自此，國內(nèi)高校教學(xué)中產(chǎn)生了一種新型教學(xué)模式[2-3]。

口袋實(shí)驗(yàn)室作為一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，替換了原有的實(shí)驗(yàn)臺和實(shí)驗(yàn)箱，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備微型化，利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、電源、邏輯分析儀等多種實(shí)驗(yàn)儀器的功能，讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)室裝進(jìn)口袋，可隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢詾閷W(xué)生學(xué)習(xí)電類基礎(chǔ)課程提供有力的輔助工具[4-5]。

三、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革涉及的模塊分析

電子線路實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)課程包括模擬電子線路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)、電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)、模數(shù)電綜合實(shí)驗(yàn)以及電工電子綜合實(shí)驗(yàn)。通過走訪兄弟院校并與相關(guān)教師進(jìn)行課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)實(shí)施計劃的交流分析后確定，只有模擬電子線路實(shí)驗(yàn)的橋式整流電路因涉及交流電源提供輸入電壓，故不可在口袋實(shí)驗(yàn)平臺開展實(shí)驗(yàn)，其余的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均可適應(yīng)此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室所涉及的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，需要和相關(guān)設(shè)備廠商進(jìn)行溝通，定制所需的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

（二）口袋實(shí)驗(yàn)箱的選取

在進(jìn)行充分的調(diào)研后，選擇的口袋實(shí)驗(yàn)箱（硬件）產(chǎn)品，是集成了數(shù)?；旌蠝y試測量系統(tǒng)和可更換的實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。配合口袋實(shí)驗(yàn)交互平臺，可實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理”，具體包括遠(yuǎn)程協(xié)助、實(shí)驗(yàn)和課件資源發(fā)布、電子實(shí)驗(yàn)報告在線提交、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和儀器截圖上傳、教師批改、口袋實(shí)驗(yàn)箱使用統(tǒng)計等一系列功能。

（三）口袋實(shí)驗(yàn)室線上平臺教學(xué)資源建設(shè)

在口袋實(shí)驗(yàn)室線上平臺，教師可以分類上傳電子線路實(shí)驗(yàn)室所涉及的模電實(shí)驗(yàn)、數(shù)電實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程找到自己所需的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；同時也可以實(shí)現(xiàn)無限次的獲得課堂上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，，以便在實(shí)驗(yàn)過程中遇到相關(guān)疑問時可以隨時查找教學(xué)內(nèi)容。通過線上平臺，教師可根據(jù)已上傳的課程內(nèi)容直接授課，也可根據(jù)自己的教學(xué)計劃，建立自己的個人賬號，自行編輯實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容、發(fā)布教學(xué)資源。每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均配置了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)中的常見問題等。在教學(xué)資源方面，教師除了可以上傳音視頻文件、Office文檔、文件壓縮包等，還可以直接導(dǎo)入互聯(lián)網(wǎng)平臺內(nèi)容，如騰訊視頻、Bilibili等平臺的視頻資源。例如在綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源里，就上傳了在Bilibili“硬木課堂”里的相關(guān)內(nèi)容。這樣，教師可以很好地豐富教學(xué)資源庫，也可以幫助學(xué)生養(yǎng)成從網(wǎng)站上獲取最新知識的習(xí)慣。

（四）口袋實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理

1.教師利用平臺可批量導(dǎo)入班級數(shù)據(jù)，也可直接邀請學(xué)生進(jìn)入自己的教學(xué)班級，從而大大減少教師的工作量。教師也可在線修改教學(xué)班級數(shù)據(jù)，從而及時更新和完善班級數(shù)據(jù)管理。

2.通過口袋實(shí)驗(yàn)線上交互平臺，任課教師可在教師機(jī)上清楚地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展。因?yàn)槠脚_可將學(xué)生學(xué)號和儀器一一對應(yīng)，并對學(xué)生的操作進(jìn)行記錄，可以有效地分析設(shè)備的利用率，以及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況、實(shí)驗(yàn)時長、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，從而有助于教師高效管理學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，有效的杜絕了有些學(xué)生抄襲他人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)教師也可根據(jù)平臺記錄的數(shù)據(jù)及時分析班級的整體學(xué)習(xí)情況，以便更加科學(xué)有效地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.我院根據(jù)實(shí)際情況，在線上平臺增設(shè)了電子實(shí)驗(yàn)報告系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)報告在線編輯、上傳提交與批改等功能。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，口袋儀器硬件設(shè)備會自動接入系統(tǒng)，可將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、波形保存下來，并直接上傳至電子實(shí)驗(yàn)報告界面。

教師在收取學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報告后，可直接在線進(jìn)行批改。電子實(shí)驗(yàn)報告批改功能支持打鉤、打叉、做各類標(biāo)記、寫評語等，也支持手繪標(biāo)記，教師的所有批改痕跡都可保存在系統(tǒng)中，需要紙質(zhì)版本時也可導(dǎo)出打印。

四、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革案例

以本院電類專業(yè)涉及的模擬電子線路中的實(shí)驗(yàn)“運(yùn)放構(gòu)成的RC橋式振蕩電路”為例。根據(jù)電路圖在實(shí)驗(yàn)板連接相應(yīng)的電路，振蕩電路剛接通電源時，電路中會出現(xiàn)一個沖擊，從而得到此頻率很寬的微弱信號，它含有各種頻率的諧波分量。經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用，使f = f0的單一頻率分量滿足自激振蕩條件，其他頻率的分量不滿足自激振蕩條件，這樣就將f = f0的頻率信號從最初的信號中挑選出來。振蕩電路由選頻網(wǎng)絡(luò)（RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，兼作正反饋）和同相輸入運(yùn)放構(gòu)成，其振蕩頻率為f = f0 =1/ （2πRC） 。文氏電橋振蕩電路由同相放大器A和反饋網(wǎng)絡(luò)F兩部分組成。

在實(shí)驗(yàn)板上接入直流電壓源和示波器，對電路的輸出信號進(jìn)行測量。示波器的CH1通道為電路選頻網(wǎng)絡(luò)自激振動產(chǎn)生的輸入電壓uf ，示波器的CH2通道為運(yùn)放電路的輸出電壓u0 ，用示波器對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，得到實(shí)驗(yàn)測試圖如圖1所示。

從示波器的波形圖可看出，當(dāng)自激振動的正弦波在放大器的作用下，測出的頻率f=1.592KHz，輸出電壓值u0=5V，測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

以上結(jié)果證明，口袋實(shí)驗(yàn)平臺可以準(zhǔn)確地測出電壓的放大倍數(shù)，驗(yàn)證了它的可行性。

五、口袋實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的延伸

在課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以借助口袋實(shí)驗(yàn)室平臺，根據(jù)自己的興趣愛好對電路進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)，甚至可以將模擬電子線路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)的知識點(diǎn)相結(jié)合，搭建更具綜合性和設(shè)計性的實(shí)驗(yàn)。這就需要學(xué)生除了擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實(shí)踐動手能力外，還需要具備自主探索、研究的能力。這種教學(xué)模式可以有效提高學(xué)生的專業(yè)綜合實(shí)踐能力[6]。

由于口袋實(shí)驗(yàn)室的可擴(kuò)展性非常強(qiáng)，學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下靈活地完成所需的電路，因此，老師可以利用口袋實(shí)驗(yàn)室，指導(dǎo)學(xué)生參加校級科研活動和創(chuàng)新訓(xùn)練、各級大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計訓(xùn)練、學(xué)校的創(chuàng)新訓(xùn)練，大學(xué)生電子設(shè)計大賽等，不僅可以提升老師自身的科研和教學(xué)能力，也有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

口袋實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集服務(wù)與遠(yuǎn)程控制。學(xué)生在使用口袋實(shí)驗(yàn)平臺的時候，可以隨時使用遠(yuǎn)程協(xié)助功能向指導(dǎo)老師尋求幫助。平臺可將本地上位機(jī)采集的數(shù)據(jù)和控制界面發(fā)送到遠(yuǎn)程請求的客戶端，從而實(shí)現(xiàn)口袋實(shí)驗(yàn)過程的遠(yuǎn)程演示和遠(yuǎn)程協(xié)助操作等。例如，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果不準(zhǔn)確，即可使用視頻軟件進(jìn)行連線，并使用平臺的互動模式向指導(dǎo)教師演示自己的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，然后由教師幫助學(xué)生定位電路故障，并指導(dǎo)學(xué)生修改電路的連接線或者修正參數(shù)等，以達(dá)到遠(yuǎn)程指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的目的。

六、口袋實(shí)驗(yàn)室優(yōu)缺點(diǎn)

改革之后的口袋實(shí)驗(yàn)室是在手提型實(shí)驗(yàn)箱里放置了實(shí)驗(yàn)所需的模電實(shí)驗(yàn)定制板和數(shù)電實(shí)驗(yàn)面包板，不僅便于攜帶，還方便收納實(shí)驗(yàn)所需的工具，如杜邦線、鑷子、小鉗子等。開展實(shí)驗(yàn)所需的集成芯片、三極管、發(fā)光二極管等，任課老師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容自行配置和更換。在口袋實(shí)驗(yàn)箱中，面包板配有搭接電路所需的特定接口，除電壓源之外，還有用于輸出顯示的二極管、數(shù)碼管、高低電平開關(guān)，以及一些做時序電路時所需的接口，如單脈沖信號源接口和連續(xù)脈沖信號源接口。配置接口使得實(shí)驗(yàn)過程更加便捷有效。實(shí)驗(yàn)過程中，口袋實(shí)驗(yàn)箱還能實(shí)現(xiàn)軟件與硬件的配合使用。實(shí)驗(yàn)箱配備的萬用表和集成示波器是用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，測試更加便捷，但由于軟件示波器采樣率低，有時測試結(jié)果不理想，就需要借助外部示波器。

口袋實(shí)驗(yàn)室具備很多優(yōu)勢，同時也存在不少問題。例如，在口袋實(shí)驗(yàn)箱里，如果用雙頭跳線來搭建電路，由于面包板面積較小，跳線就會顯得非常擁擠，會出現(xiàn)各種跨線問題，如果電路需要修改便會非常麻煩。改用杜邦線可解決這個問題，但是杜邦線的價格偏高。在實(shí)驗(yàn)過程中，一些接口往往會出現(xiàn)接觸不良的情況，這就需要在實(shí)驗(yàn)前提前測試。學(xué)生在操作口袋實(shí)驗(yàn)箱的軟件示波器、軟件函數(shù)信號發(fā)生器、軟件交流毫伏表等時，往往會出現(xiàn)操作困難或應(yīng)用不熟練的情況。

根據(jù)以上問題，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師需要增加對口袋實(shí)驗(yàn)箱硬件和軟件的詳細(xì)、完整介紹和使用培訓(xùn)，可以作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的課前預(yù)習(xí)內(nèi)容并在平臺上增加一項(xiàng)課前考核，考核不通過的同學(xué)將無法跟班進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行上課從而提升學(xué)生通過口袋實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)的效率和質(zhì)量。

七、結(jié)束語

在高校電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入口袋實(shí)驗(yàn)室，可以和傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到相互促進(jìn)的作用。在教學(xué)方式和觀念上兩者是不同的，前者強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和方式的養(yǎng)成，后者主要依靠教師的引導(dǎo)作用[7-8] 。基于口袋實(shí)驗(yàn)室的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，可對接新工科人才“創(chuàng)意－創(chuàng)新－創(chuàng)業(yè)”教育體系[9-10] 。相比傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)下大多數(shù)學(xué)生在課堂上“照圖接線”的被動實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，口袋式?shí)驗(yàn)教學(xué)改革不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其理論與實(shí)踐的結(jié)合能力，還有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，適合我校作為應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)

方案。

作者單位：張丹 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

程婧 周月娥 周廣麗 陳姝君 電子與光電技術(shù)學(xué)院

參考文獻(xiàn)

[1]劉艷，秦昌明.“口袋”實(shí)驗(yàn)室在物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，（08）：212-215.

[2]譚貴生，石宜金，馮微瑋，等.獨(dú)立院?！翱诖鼘?shí)驗(yàn)室”建設(shè)與教學(xué)改革[J].高教學(xué)刊，2020，（33）：153-156.

[3]姜志鵬，陳正宇，閻浩.基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施方法[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（09）：98-99.

[4]劉瑋，孟橋，張?zhí)硪?，? 口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016，38（06）：105-109，115.

[5]侯長波，王曉迪，胡乃志，等.全開放口袋實(shí)驗(yàn)室共享平臺建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（12）：277-280.

[6]宮亞梅，朱俊，高飛.基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].電子制作， 2020，（07）：78-80+19.

[7]陳潔，仲雪飛，楊蘭蘭，等.基于口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐教學(xué)模式改革探索[C]. //中國電子教育學(xué)會高教分會2017年年會論文集. 2017：141-144.

[8]陳潔，熊蘭，周靜，等.基于口袋實(shí)驗(yàn)室的“數(shù)字電子技術(shù)”課程混合式教學(xué)改革與實(shí)踐[J].工業(yè)和信息化教育，2023（2）：45-49.

[9]宮亞梅，鄧志輝，裴志堅.“口袋實(shí)驗(yàn)室”在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的改革探索[J].電子制作， 2021，（02）：58-60+53.

[10]薛波，高倩，崔淵，等. “模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2023，45（03）：35-38.