基於“口袋實驗室”的實踐教學模式實施方法
學術研究
作者：薑誌鵬 陳正宇 閻浩
摘 要：口袋實驗室教學模式是一種基於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，基於該方法的口袋實驗室教學能較好地實現教學目標。
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。口袋實驗室教學模式的提出是以集成技術迅猛發展為技術前提[1-3]，IC製造商，比如XILINX公司宣布已經推出了16 nm的高集成度FPGA芯片[4-6]。在這樣高集成度的情況下，產生了大量的片上係統芯片（ 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個邏輯區域，1 800 Kb的快速RAM，5個時鍾管理模塊以及90個DSP區，另外還提供了片上模數轉換器，使得在該芯片上實現一個完整的係統成為可能。
目前，口袋實驗室在各類院校，尤其是工科物聯網、電子、通信以及計算類、控製類專業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係。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，一方麵實驗項目設計得富有挑戰性，另一方麵要確保經過學生的努力能實現主要設計目標，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目標，主要還是工程能力的培養。因此在設計實驗項目時，應注意項目的工程性特點。應當從本專業的實際工程項目中選擇某些課題經適當簡化後交給學生以口袋實驗室的實驗模式進行，並且應注意選題實現效果和參數不能過於理想化，應與現實工程接軌。比如，金陵科技學院在2015年的口袋實驗室實驗中，要求設計一個基於FPGA的數控恒流源，給出了明確的設計參數下限，這些參數均與工程實踐密切相關，並且也是可以實現的。
1.2 挑戰性
挑戰性特點決定了所設計的實驗項目的實現方案需要經過努力才能獲得，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，經過充分的小組討論和論證，得出幾種可能方案，並一一驗證是否可行，是否最佳，也隻有通過這樣一個過程，才使得實驗不能在幾節課的時間內完成，從而必須利用口袋實驗室在課餘時間完成實驗。
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，解決有可能出現的各方麵問題的任務。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後再做實驗。
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果。為此，金陵科技學院建立了嚴格的選題製度，即要求當年度的設計選項不得與三年內的課題相同，必須經過變化。此外，規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
由於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生約束作用。同時，現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，從態度、學習能力、特長等角度對團隊成員合理調配，最後每組選定組長，組長對全組承擔監督、任務分配的職能。