基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

黃沛昱+應(yīng)俊+羅一靜

摘要：為培養(yǎng)具備工程實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才，改革數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程，我們構(gòu)建了3個層次的教學(xué)體系，改革傳統(tǒng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引入EDA技術(shù)，同時實(shí)現(xiàn)跨課程知識的融合。自制簡易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板、芯片測試儀和FPGA硬件開發(fā)平臺，便捷高效、易于擴(kuò)展，較好地支撐了實(shí)踐教學(xué)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次；工程教育；硬件環(huán)境

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）31-0250-03

全球科技的高速發(fā)展，對工程師提出了更新、更高的要求，工程教育改革已成為不可回避的重要課題。高等學(xué)校要培養(yǎng)創(chuàng)新人才，其重點(diǎn)在于加強(qiáng)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，能夠切實(shí)提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)而關(guān)注創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等其他能力，為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)或就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

數(shù)字電路課程是高等教育工科的一門重要的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性[1]。本文以數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)改革為例，探討了基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的改革，構(gòu)建了數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)驗(yàn)證，改革在培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能、工程系統(tǒng)能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等方面取得了良好的教學(xué)效果。

一、存在的問題

重慶郵電大學(xué)是一所以工科為主的高等院校，通信和電子是學(xué)校的特色和長處。目前，幾乎全校大多數(shù)專業(yè)都開設(shè)有數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程。該實(shí)驗(yàn)課程單獨(dú)設(shè)課，獨(dú)立學(xué)分，所處地位十分重要。改革前主要存在以下幾個問題：

1.電工電子類相關(guān)課程各自形成比較完整但相對封閉的知識體系，課程之間的銜接和聯(lián)系并不十分緊密，采用的理論體系和分析設(shè)計(jì)方法也各不相同。相比于國外高校，以美國著名麻省理工學(xué)院所開設(shè)的電路課程《電路與電子學(xué)》為例，該課程不僅包含電路課程的主要內(nèi)容，還包含我國課程體系中的“模擬電路”和“數(shù)字電路”的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)課程知識體系的完整性和系統(tǒng)性，教學(xué)內(nèi)容涵蓋面廣；強(qiáng)調(diào)電路理論—電子學(xué)—數(shù)字系統(tǒng)的有機(jī)聯(lián)系，提供一個寬口徑的電路與電子學(xué)的公共基礎(chǔ)課程，且非常強(qiáng)調(diào)電路在相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。

2.教學(xué)內(nèi)容仍以驗(yàn)證性傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主，如：各芯片功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、脈沖電路的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)等，只需要按照經(jīng)典電路圖搭建即可，設(shè)計(jì)內(nèi)容較少。即使有部分設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如：任意模值計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、移位寄存器的設(shè)計(jì)等，也只是停留在利用芯片基本功能進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)，對理論內(nèi)容加以驗(yàn)證的基礎(chǔ)上。

教學(xué)內(nèi)容中，很少涉及到模擬電路、傳感器、可編程邏輯器件、單片機(jī)等方面內(nèi)容的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課程大多是2-3學(xué)時的相互孤立的項(xiàng)目，任務(wù)要求統(tǒng)一有余，對知識的深度和廣度層次少有梯度，因材施教不足，實(shí)驗(yàn)沒有深入與升華的時空條件[2]。

3.實(shí)驗(yàn)形式仍采用傳統(tǒng)的74系列芯片，在面包板上搭建電路，利用數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱提供的邏輯高低電平和發(fā)光二級管、數(shù)碼管等分別作為輸入信號以及輸出顯示來完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。采用分立器件、面包板加實(shí)驗(yàn)箱的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形式，一方面由于實(shí)驗(yàn)箱的硬件資源的限制使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受到了限制，不能完成某些綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；另一方面則完全沒有體現(xiàn)現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)。

4.由于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程面向全校開設(shè)，每學(xué)期選課人數(shù)均在千人以上。人數(shù)過多，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)箱、芯片常常會因?yàn)橥瑢W(xué)們的使用不當(dāng)，損耗嚴(yán)重。特別由于芯片種類多、數(shù)量大（10多類芯片，每類幾百、上千片），對芯片采用功能測試的方法進(jìn)行好壞驗(yàn)證費(fèi)時費(fèi)力、不切實(shí)際。

二、數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的應(yīng)用性、工程性強(qiáng)，技術(shù)更新、發(fā)展快，容易形成教學(xué)滯后于技術(shù)進(jìn)步的局面，因此我們提出了如下數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思路：塑造合理的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次，改變現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐手段中融入現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的新技術(shù)和新知識，以應(yīng)用型、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，形成以工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為目的的教學(xué)形式。打破封閉的知識體系，加強(qiáng)課程間的銜接與融合，構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

雖然傳統(tǒng)采用74系列芯片完成電路設(shè)計(jì)的方法比較落后，但對于剛從理論課堂轉(zhuǎn)入實(shí)踐的學(xué)生來說，傳統(tǒng)性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中的作用是不可忽視的，它能夠加深和鞏固理論知識，幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)儀器儀表的使用，幫助學(xué)生了解器件的基本功能和參數(shù)指標(biāo)。因此，我們認(rèn)為以工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，也不能完全否定傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)是有層次的推進(jìn)，以數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為最終目標(biāo)。因此我們將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分3個層次，如圖1所示。

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)層次仍以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主，采用74系列芯片，在面包板上搭建電路進(jìn)行硬件測試與驗(yàn)證。該層次是培養(yǎng)學(xué)生基本動手能力，要求學(xué)生熟練掌握函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、萬用表、電流表等儀器儀表的使用；要求學(xué)生能夠?qū)π酒瑓?shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，以及利用芯片完成簡單基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該層次面向全校所有專業(yè)開放。

設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)層次分兩個部分：①引入現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)，利用EDA工具（Multisim、QuartusII等軟件）進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，利用可編程邏輯器件進(jìn)行硬件驗(yàn)證。該部分面向全校所有專業(yè)開放。②提高型設(shè)計(jì)，該部分以數(shù)字電路為主，輔以一定量的模擬電路和傳感器方面的應(yīng)用知識，以增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課題系統(tǒng)性的認(rèn)識。本部分面向電類專業(yè)學(xué)生開放。

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次需要靈活應(yīng)用多門課程知識，如：使用單片機(jī)作為控制器件。該層次針對部分有興趣、優(yōu)秀的學(xué)生開放，也可作為課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題層次。

三、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

（一）改進(jìn)和精簡傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引入EDA技術(shù)

我們保留部分經(jīng)典的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如：門電路的外部特性測試、四人表決器電路設(shè)計(jì)、任意模值計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)等。但需要對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，要求學(xué)生進(jìn)一步深入，生成構(gòu)建新的知識。如：與非門電路外部特性測試要求完成以下幾點(diǎn)：①對輸入電平、電流、負(fù)載和空載情況下的電平、電流進(jìn)行測試。②給出電壓傳輸特性曲線的定義，要求學(xué)生測試出該與非門電路電壓傳輸特性曲線。③要求學(xué)生從電壓傳輸特性曲線解讀出門電路的幾個參數(shù)。允許學(xué)生查閱資料，描述出參數(shù)的物理意義，舉例指出此參數(shù)在實(shí)際使用的場合和注意事項(xiàng)。此舉能夠很好的幫助學(xué)生理解當(dāng)與非門輸入端懸空時的意義，如何判定是否為高電平1，以及實(shí)際操作與理論的區(qū)別。讓學(xué)生意識到實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要性，打破過于強(qiáng)調(diào)基本原理、基本公式、基本設(shè)計(jì)的推導(dǎo)過程。

另一方面，可編程邏輯器件作為當(dāng)前數(shù)字設(shè)計(jì)的主流器件，已經(jīng)被大量應(yīng)用于數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)中，代表了電子設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的最新技術(shù)方向和潮流[3-5]。引入了FPGA技術(shù)，既能夠讓學(xué)生了解現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的趨勢，又能夠掌握一種現(xiàn)代主流設(shè)計(jì)方法，體會其優(yōu)越性。我們將數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)按模塊劃分為分頻器、計(jì)數(shù)器、動態(tài)顯示、譯碼幾個模塊，每一次課程完成一個模塊的設(shè)計(jì)，最后完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)后完成諸如整點(diǎn)報(bào)時、校時、鬧鐘、秒表等拓展功能。該項(xiàng)改革實(shí)現(xiàn)了由單元到系統(tǒng)，由已知知識到拓展知識的完整流程，學(xué)生反饋效果較好。

（二）增加各層次的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)與其他課程的融合

為鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識的能力，拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們在選取項(xiàng)目時緊密結(jié)合數(shù)字邏輯電路的重要概念、原理、技巧，注重項(xiàng)目的“新穎性”、“應(yīng)用性”以及“綜合性”。如：利用555定時器產(chǎn)生鋸齒波階梯波的波形發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含的電路模塊有：①振蕩器，②加法器，③數(shù)模轉(zhuǎn)換器，④運(yùn)算放大電路等；既涵蓋了數(shù)電的重要知識，也包含了模電中運(yùn)算放大器的靈活應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了跨課程知識融合。如：利用示波器顯示人像照片，除需要數(shù)模轉(zhuǎn)化的知識外，還需要單片機(jī)和示波器原理方面的知識（該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是由學(xué)生自行設(shè)計(jì)，并已完成的項(xiàng)目）。

（三）自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在改革課程教學(xué)內(nèi)容的同時，我們積極改善硬件教學(xué)條件。自制了簡易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板（如圖2所示）、芯片測試儀（如圖3所示）、FPGA硬件開發(fā)平臺（如圖4所示）。

簡易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板提供基本的輸入、輸出邏輯，由學(xué)生自行焊接完成，每人一塊、自行保管。該實(shí)驗(yàn)板簡易方便、體積小，被學(xué)生們親切地稱為“口袋實(shí)驗(yàn)室”。當(dāng)然，設(shè)計(jì)性項(xiàng)目的擴(kuò)展電路也可通過多孔板由學(xué)生自行焊接連接。該舉措完善了數(shù)字電路實(shí)踐的教學(xué)范圍：從基本焊接、實(shí)驗(yàn)平臺的原理到各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；進(jìn)一步提升了學(xué)生的實(shí)踐能力。

芯片測試儀可進(jìn)行常用數(shù)字器件功能的測試，快捷判斷器件的好壞，能夠提高器件的利用率、減少浪費(fèi)。

FPGA硬件開發(fā)平臺采用母板加核心板的設(shè)計(jì)，核心板采用Altera公司FPGA器件CycloneIII系列EP3C16Q240C8，該款器件屬于Altera公司的低功耗、低成本FPGA系列，其資源已大大滿足本科或研究生教學(xué)使用?？筛鶕?jù)需要靈活、便捷地更換不同的核心板。母板硬件資源包括8個按鍵、8個撥碼開關(guān)、8個數(shù)碼管、8個發(fā)光二極管、溫濕度傳感器、音頻接口、紅外接收頭、蜂鳴器、液晶顯示屏、SD卡接口、PS2接口、AD/DA轉(zhuǎn)化、有源及無源晶振等，硬件資源豐富，能夠完成各類相關(guān)設(shè)計(jì)型、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

四、結(jié)束語

課程組分析了本校數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程存在的問題，從課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、硬件資源出發(fā)進(jìn)行了改革。實(shí)踐結(jié)果表明，以應(yīng)用型、綜合性項(xiàng)目為主的教學(xué)內(nèi)容較好地培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠有效的支撐實(shí)踐教學(xué)。

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