高校數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

【摘 要】本文論述高校數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和實(shí)踐能力為目標(biāo)，提出在數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用以項(xiàng)目為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并將Quartus II軟件和Verilog 硬件描述語言等相關(guān)知識(shí)融入數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)和現(xiàn)代的數(shù)字電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合，探索有助于培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? Verilog 硬件描述語言? 項(xiàng)目導(dǎo)向

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）12C-0157-02

數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)是電子信息類專業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課。學(xué)生通過學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路的相關(guān)知識(shí)，然后進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)操作，在理論和實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和測試技術(shù)，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程奠定基礎(chǔ)。

改革前的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，“依葫蘆畫瓢”在實(shí)驗(yàn)箱上完成以理論教學(xué)驗(yàn)證為主、簡單設(shè)計(jì)為輔的相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要存在三方面的問題：一是讓學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。二是由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間缺乏連貫性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中只掌握了單個(gè)或零散的知識(shí)點(diǎn)，沒有建立起數(shù)字系統(tǒng)的概念。三是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏工程和應(yīng)用實(shí)踐，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求知道“怎樣完成實(shí)驗(yàn)”，但不知道“完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)有什么用”，所掌握的實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)“用在哪些電子產(chǎn)品中”，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和實(shí)踐能力為目標(biāo)，本文提出在數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用以項(xiàng)目為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，適當(dāng)?shù)貙uartus II軟件和Verilog硬件描述語言等相關(guān)知識(shí)融入數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而達(dá)到在傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)知識(shí)的目的，以方便培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行較復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。

數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)的方法為：實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)教學(xué)大綱的要求選取適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目，然后將項(xiàng)目按教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐技能分解為8個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生完成8個(gè)實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行級(jí)聯(lián)調(diào)試，進(jìn)而完成整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)項(xiàng)目。這樣既讓學(xué)生掌握單個(gè)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)技能，又能體驗(yàn)到每個(gè)實(shí)驗(yàn)在整個(gè)項(xiàng)目中的作用，進(jìn)而形成數(shù)字系統(tǒng)電路的概念，達(dá)到“既見樹木又見森林”的目的，并培養(yǎng)了學(xué)生復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。

一、項(xiàng)目的選擇

實(shí)驗(yàn)課程組教師以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和應(yīng)用能力為出發(fā)點(diǎn)，從數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度分析、尋找可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，且具有一定應(yīng)用背景的項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇既要具有一定的綜合性和應(yīng)用性，又能涵蓋傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)和現(xiàn)代的數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)，以滿足數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃的要求。因此，教師可根據(jù)上述要求，在兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)接受能力的前提下選取貼切可行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如“信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)”“多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)”“交通燈電路的設(shè)計(jì)”和“秒表電路的設(shè)計(jì)”等。

二、項(xiàng)目的任務(wù)要求和分解

不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)要求不盡相同，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分解也不可能一樣，因此實(shí)驗(yàn)課程組教師要根據(jù)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃的要求，在兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)接受能力的前提下，制定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)要求，并將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分解為多個(gè)實(shí)驗(yàn)。下面以“多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)”為例來進(jìn)行介紹。

（一）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)。設(shè)計(jì)并制作一個(gè)多功能數(shù)字鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)年、月、日、時(shí)、分和秒的顯示。

（二）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求。（1）具有計(jì)時(shí)功能，用8只數(shù)碼管分屏顯示年、月、日和星期、時(shí)、分、秒，分屏顯示可以自動(dòng)切換，也可以手動(dòng)切換;（2）具有校時(shí)功能，能通過按鍵對年、月、日、星期、時(shí)、分進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)選中設(shè)置對象后，對應(yīng)的數(shù)碼管閃爍點(diǎn)亮，表示要對其進(jìn)行設(shè)置;（3）具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能;（4）具有定時(shí)鬧鐘功能，可以設(shè)置鬧鐘的時(shí)和分，可以手動(dòng)關(guān)閉鬧鈴;（5）具有清零功能，能用按鍵將時(shí)間和鬧鐘定時(shí)清零。

（三）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分解。多功能數(shù)字鐘由計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、校時(shí)電路、分頻器、定時(shí)鬧鐘電路、數(shù)據(jù)選擇器、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路和蜂鳴器控制電路組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

多功能數(shù)字鐘的工作原理為：由20MHz的石英晶體振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，經(jīng)分頻器進(jìn)行分頻得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)脈沖。秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)滿24后向日計(jì)數(shù)器和星期計(jì)數(shù)器進(jìn)位，以此類推。計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器送給譯碼顯示電路進(jìn)行顯示。當(dāng)需要設(shè)置時(shí)間、星期和日期時(shí)，可以通過校時(shí)電路進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)多功能數(shù)字鐘的工作原理，結(jié)合數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃的要求，將多功能數(shù)字鐘分解為8個(gè)實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

1 基本邏輯門的功能和參數(shù)測試 （1）掌握基本邏輯門的邏輯功能和主要直流參數(shù)的測試方法;（2）了解數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法 （1）與門、或門、非門、異或門的邏輯功能和主要直流參數(shù)的測試;（2）寫出基本邏輯門的真值表和表達(dá)式

2 組合MSI器件的測試 （1）掌握組合MSI器件的邏輯功能及使用方法;（2）熟悉數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法 3-8譯碼器、顯示譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器的邏輯功能測試及使用

3 觸發(fā)器和移位寄存器的測試 （1）掌握觸發(fā)器和移位寄存器的邏輯功能及使用方法;（2）熟悉數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法 S-R鎖存器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和移位寄存器的邏輯功能測試及使用

4 Quartus II開發(fā)環(huán)境的使用 （1）熟悉Quartus II集成開發(fā)環(huán)境的使用;（2）熟悉數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法 掌握Quartus II原理圖和文本輸入法的編輯、編譯（綜合）、仿真和編程下載的操作方法

5 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用 （1）掌握計(jì)數(shù)器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的方法 用Verilog HDL分別設(shè)計(jì)7進(jìn)制、10進(jìn)制、24進(jìn)制、60進(jìn)制計(jì)數(shù)器

6 分頻器的設(shè)計(jì) （1）掌握分頻器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設(shè)計(jì)分頻器的方法 將20MHz的時(shí)鐘信號(hào)分頻得到1kHz、500Hz和1Hz的方波信號(hào)

7 數(shù)據(jù)比較器的設(shè)計(jì) （1）掌握數(shù)據(jù)比較器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較器的方法 用Verilog HDL分別設(shè)計(jì)4位和8位的數(shù)據(jù)比較器

8 多功能數(shù)字鐘 （1）掌握多功能數(shù)字鐘的工作原理;（2）掌握多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法 將實(shí)驗(yàn)按照圖1系統(tǒng)組成框圖級(jí)聯(lián)起來，并進(jìn)行調(diào)試，完成多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)

三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施

（一）實(shí)驗(yàn)動(dòng)員。在開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的前1周，由實(shí)驗(yàn)授課教師召集學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)動(dòng)員，介紹實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)的考核要求等。接著給學(xué)生展示已制作完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作品，有助于學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索的欲望，然后要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，獲取實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)信息，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的方案和步驟等。

（二）實(shí)驗(yàn)過程。首先由實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)學(xué)生按照自編的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求和實(shí)驗(yàn)授課計(jì)劃的安排做好每次分解實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，然后按照實(shí)驗(yàn)課表分批次到實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)。在前幾次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)教師可以給學(xué)生做詳細(xì)的指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生常到開放的實(shí)驗(yàn)室熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、軟件和儀器的使用。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)教師可以通過啟發(fā)式和組織學(xué)生探討的方式引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，注重學(xué)生分析問題能力和解決問題能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教師要善于發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中出類拔萃的學(xué)生，并加強(qiáng)對他們的引導(dǎo)，鼓勵(lì)他們對所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展或加入到教師的科研項(xiàng)目中，引導(dǎo)學(xué)生最大限度地提高自身的實(shí)踐能力。待分解的實(shí)驗(yàn)完成后，讓學(xué)生按照圖1將每個(gè)實(shí)驗(yàn)級(jí)聯(lián)起來，并進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和應(yīng)用能力。整個(gè)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)完成后，實(shí)驗(yàn)授課教師要組織學(xué)生進(jìn)行討論和總結(jié)，以求不斷提高。

（三）實(shí)驗(yàn)成績的評定。實(shí)驗(yàn)成績的評定=平時(shí)成績*50%+期末考核成績*50%。平時(shí)成績考核標(biāo)準(zhǔn)為：實(shí)驗(yàn)考勤占平時(shí)成績的10%，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)占平時(shí)成績的30%，實(shí)驗(yàn)操作占平時(shí)成績的40%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占平時(shí)成績的20%。實(shí)驗(yàn)期末考核由實(shí)驗(yàn)教師命題10套試題，學(xué)生采取抽簽選題的方式確定考題，實(shí)驗(yàn)試題包含卷面考核和實(shí)驗(yàn)操作考核兩部分，實(shí)驗(yàn)操作考核部分由實(shí)驗(yàn)監(jiān)考教師現(xiàn)場驗(yàn)收打分，給定成績。

數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)將一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)項(xiàng)目分解為多個(gè)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，然后在數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中適當(dāng)?shù)匾隥uartus II軟件和Verilog硬件描述語言等知識(shí)，在傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字邏輯電路知識(shí)的綜合應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在電子信息類專業(yè)學(xué)生中實(shí)踐，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，對培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力起到積極的促進(jìn)作用。

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