基于加法計數(shù)器案例的高校電子技術(shù)實驗課程線上線下多元化模式探索

周 蕓，張濟淵

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

電子技術(shù)實驗是高校的重要基礎(chǔ)課程之一，該課程體現(xiàn)了課程體系中兼具基礎(chǔ)理論性與科學(xué)實踐應(yīng)用性的綜合特點，因此，如何將理論知識和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合，在鞏固理論的同時，給學(xué)生提供獨立的設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，學(xué)以致用，提高獨立思考、自主設(shè)計和獨立解決實際問題的綜合學(xué)習(xí)能力是我們一直追尋探索的。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，借助于網(wǎng)絡(luò)平臺或EDA(Electronics Design Automation)開發(fā)平臺的多模式全方位的線上線下教學(xué)模式，增強了構(gòu)建電子技術(shù)實驗課程的教學(xué)創(chuàng)新性和實踐性，使學(xué)生在正確地、完善地、多角度地教學(xué)指導(dǎo)下，提升自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐能力。

伴隨著電子技術(shù)理論課程教學(xué)的開展，與其密切關(guān)聯(lián)的電子技術(shù)實驗課程則更加注重培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和工程素質(zhì)。實驗室現(xiàn)場教學(xué)是目前主流的實驗課程開展方式，這種模式的建設(shè)也是各高校資金和人力投入較大的學(xué)科建設(shè)領(lǐng)域。但實際情況是，實驗室現(xiàn)場教學(xué)會受到空間、時間和器件材料等問題限制[1]，尤其就疫情期間課程開展的情況來看，當線下實驗教學(xué)無法正常開展時，學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)興趣減弱，而且理論與實踐不能有機結(jié)合，學(xué)習(xí)效果也會打折扣。目前對電子技術(shù)實驗課程教學(xué)方面的改革主要有以下幾種方式：改革教學(xué)方法，如課堂教學(xué)中強化師生互動、翻轉(zhuǎn)課堂及改進課件版面設(shè)計及動畫的運用[2]；通過創(chuàng)新考核評價方式、優(yōu)化實驗內(nèi)容來提升課堂教學(xué)的整體效果[3，4]；結(jié)合電子技術(shù)課程設(shè)計，加強對理論課程的深入探究[5]；引入電子電路仿真軟件，將電子技術(shù)傳統(tǒng)實驗移植到PC機進行模擬仿真實驗[6-8]等。

作為一門可以從基礎(chǔ)出發(fā)，并結(jié)合實踐環(huán)節(jié)開展深入探索的課程，提升電子技術(shù)實驗課程的教學(xué)效果，主要從以下兩個角度出發(fā)：一是如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；二是結(jié)合目前可行的實際情況，創(chuàng)造多角度多渠道的模式，將理論和實踐結(jié)合更加緊密。因此，如何有效地開展線上線下實驗結(jié)合教學(xué)新模式，綜合運用各種信息化手段開展實驗教學(xué)探索，借用各種平臺，讓學(xué)生在盡可能掌握現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用的同時，又能將基礎(chǔ)知識掌握，最重要的是解決線下實驗課程對時間、場地及實驗條件依賴的問題，是需要教學(xué)改革探索的重要環(huán)節(jié)。另一方面，雖然現(xiàn)代數(shù)字電路的設(shè)計中，很少直接應(yīng)用中小規(guī)模門電路，但是，盡管如何復(fù)雜精密的電路其底層還是邏輯門電路，單純依靠仿真軟件越過基礎(chǔ)門電路的搭建實驗，顯然不利于電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的夯實。EDA作為現(xiàn)階段主流數(shù)字邏輯電路的仿真平臺，也需要加入電子技術(shù)實驗課程中。在保留基礎(chǔ)門電路實驗的同時，將EDA引入電子技術(shù)實驗教學(xué)，可以改變以往僵硬的理論教學(xué)加實驗室驗證的教學(xué)模式，通過引導(dǎo)學(xué)生采取項目管理模式，將理論內(nèi)容承載在單一項目中，可以在線上進行初步探索性質(zhì)實驗，線下進行實際門電路的搭建，同時將軟件編程仿真貫穿其中，既針對基礎(chǔ)知識有層次遞進的認知過程，又能實現(xiàn)線上線下靈活開展實驗，并能夠?qū)⒂嬎銠C編程仿真綜合實驗素養(yǎng)融入其中。尤其針對復(fù)雜知識點，可以通過多種手段、多種途徑理解并實踐，從而可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和興趣。因此，在針對電子技術(shù)實驗課程知識點和實踐在線可操作性多次研討的基礎(chǔ)上，以本次教學(xué)實踐的一個案例為例，來說明如何針對電子技術(shù)實驗進行線上線下教學(xué)多元化課程建設(shè)的研究探索。

1 實驗案例

本次案例的內(nèi)容是應(yīng)用JK觸發(fā)器設(shè)計一個五進制同步加法計數(shù)器。計數(shù)器是一種廣泛應(yīng)用的電路，在數(shù)字系統(tǒng)的控制、運算以及分頻等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。計數(shù)器實際上是對時鐘脈沖進行計數(shù)，每到來一個時鐘脈沖觸發(fā)沿，計數(shù)器改變一次狀態(tài)。在每個時鐘脈沖作用下，計數(shù)器的狀態(tài)輸出編碼值加1，每經(jīng)過五個時鐘脈沖，計數(shù)器完成一個計數(shù)周期，共有五個狀態(tài)。以下是根據(jù)理論學(xué)習(xí)進行設(shè)計的完整過程。

首先建立原始狀態(tài)圖：

根據(jù)要求，首先建立原始狀態(tài)圖，如圖1所示。

圖1 原始狀態(tài)圖

狀態(tài)化簡：目前已經(jīng)最簡，已經(jīng)是二進制狀態(tài)，因需用三位二進制代碼，選用三個CP下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器，分別用FF0、FF1、FF2表示。由于要求采用同步方案，故時鐘方程如式1-1所示。

CP0=CP1=CP2=CP

(1-1)

確定激勵方程組和輸出方程組：

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表及激勵信號

畫卡諾圖，如圖2所示。

圖2 卡諾圖

根據(jù)驅(qū)動方程組，完成邏輯電路圖設(shè)計，如圖3所示。

圖3 邏輯圖

2 四種教學(xué)模式

由上述理論過程可知，根據(jù)設(shè)計步驟，可以得到所需要的邏輯電路圖。在理論課基礎(chǔ)上，希望通過多種方式給學(xué)生提供理解并實現(xiàn)計數(shù)器的實踐方案，在五進制加法計數(shù)器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)任意進制計數(shù)器的設(shè)計，同時對電子技術(shù)基礎(chǔ)的理論知識更進一步的了解和體驗。我們采用了以下幾種模式進行實踐探索，分別是基于東南在線平臺的線上平臺仿真、數(shù)字電路實驗箱、基于VHDL語言的線上仿真和基于EDA實訓(xùn)平臺的線下實驗。

(1)線上仿真

2020年春季學(xué)期，由于疫情影響，電子技術(shù)課程轉(zhuǎn)為線上課程，同時電子技術(shù)實驗課程也轉(zhuǎn)為線上課程，為了保障學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，減少疫情對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，東南大學(xué)開通了“東南在線實驗”平臺，為全國高校免費提供電工電子基礎(chǔ)課程在線實驗，學(xué)生可在家庭、圖書館等任何地點調(diào)用在線資源，應(yīng)用這種前所未有的學(xué)習(xí)模式開展線上實驗課，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性，同時將理論與實踐統(tǒng)一結(jié)合，擴展了學(xué)生自主探索與研究的新途徑。根據(jù)五進制加法計數(shù)器的題目要求，理論分析設(shè)計出如圖3所示的邏輯圖之后，需在在線實驗平臺資源庫挑選合適的集成芯片，按照設(shè)計的邏輯圖完成連線，并完成數(shù)據(jù)的測試，東南在線實驗平臺實現(xiàn)計數(shù)器如圖4所示。

圖4 東南在線實驗平臺實現(xiàn)計數(shù)器

在線實驗平臺與數(shù)字電路實驗箱的結(jié)構(gòu)相似，但更直觀清晰，還有計時設(shè)備，操作方便。從我們春季學(xué)期的實踐效果來看，學(xué)生整體運用情況良好，因為實驗箱配備有計時功能，通過學(xué)生上交的報告可以看到大家整體完成時間相似，同學(xué)反饋體驗感較好。

(2)數(shù)字電路實驗箱測試

線下的實驗多采用數(shù)字電路實驗箱完成，如圖5所示。本次實驗采用的是清華大學(xué)科教儀器廠的TPE-D3A數(shù)字電路實驗箱。按照理論設(shè)計的邏輯圖，連接電路，分別用三個發(fā)光二極管表示三位輸出，另外一個二極管表示進位位。仔細連接好電路，尤其注意在應(yīng)用74LS112芯片用于計數(shù)器時，為了保證計數(shù)器的正常運行，芯片的CLR(置零端)和PRE(置一端)要連接到高電平。通過調(diào)整JK輸入端的輸入邏輯，讀出相應(yīng)的四位輸出，得到的真值表同表1。

圖5 數(shù)字電路實驗箱實現(xiàn)計數(shù)器

(3)軟件編程

隨著電子信息和通信領(lǐng)域科技的發(fā)展，電子設(shè)計自動化技術(shù)即EDA已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計的核心技術(shù)，而實際工作中，電子系統(tǒng)的設(shè)計也越來越依賴EDA工具的支持，因此，把EDA技術(shù)引入到電子技術(shù)實驗課程中，一方面擴展了學(xué)生的視野和知識面，另一方面適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)生以后就業(yè)工作打好基礎(chǔ)。

這部分的學(xué)習(xí)可分為兩個模式，線上軟件編程仿真實驗和基于EDA實訓(xùn)平臺的線下實驗。

QuartusⅡ是Altera公司推出的新一代開發(fā)軟件，適合于大規(guī)模邏輯電路設(shè)計。QuartusⅡ支持多種編輯輸入法，包括圖形編輯輸入法，VHDL、VerilogHDL和AHDL的文本編輯輸入法，符號編輯輸入法，以及內(nèi)存編輯輸入法。本次案例采用的是VHDL語言編寫程序，并應(yīng)用平臺的在線仿真功能對五進制加法計數(shù)器的邏輯進行編程仿真。從圖6可以觀察到，隨著脈沖的輸入，完成了輸出從“000”狀態(tài)到“100”狀態(tài)，同時進位輸出，再重新循環(huán)，滿足了設(shè)計要求。

(4)實訓(xùn)平臺測試

在線仿真后，將程序下載到EDA實訓(xùn)平臺中，進行連線演示及數(shù)據(jù)驗證。圖7為EDA實訓(xùn)平臺的實驗過程。程序下載到CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)芯片中，其型號為EP1K30TC144-3。通過程序引腳鎖定，從圖7中可以看到：實驗過程中只需要連接輸入脈沖、三個輸出和一個進位位三根導(dǎo)線即可，連線明顯少于前兩種模式，并可動態(tài)展現(xiàn)五進制加法計數(shù)器的五個計數(shù)狀態(tài)。

圖6 線上仿真實現(xiàn)計數(shù)器

圖7 EDA實訓(xùn)平臺實現(xiàn)計數(shù)器

3 實驗教學(xué)啟發(fā)

從實驗結(jié)果分析，以上四種模式都可得到五進制加法計數(shù)器，理論都可以得到驗證，但是這四種方式有各自的優(yōu)缺點：第一種模式不受場地、時間限制，特別適合作為疫情期間上課的模式，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)后自行鞏固學(xué)習(xí)效果或進實驗室實驗之前的預(yù)習(xí)準備使用；第二種是學(xué)校目前應(yīng)用最普及的實驗室教學(xué)模式，學(xué)生一方面鍛煉了動手能力，另一方面由于面對實際門電路的搭建，對基礎(chǔ)知識的認知和理解會非常直接，同時非常清晰的觀察設(shè)計結(jié)果；第三種和第四種使用計算機編程分別以在線仿真和EDA實訓(xùn)平臺兩種方式展現(xiàn)，前提都是學(xué)習(xí)編程語言。第三種可以線上仿真，得到輸出波形圖，便于學(xué)生觀察整體輸出狀態(tài)，簡潔明了。第四種需要線下EDA實訓(xùn)平臺連線，類似于第二種與第三種的結(jié)合，通過將軟件編程運用到中規(guī)模計數(shù)器設(shè)計中來，鞏固之前所學(xué)相關(guān)理論知識。以上四種模式，分別屬于線上線下實驗、門電路搭建和編程實踐實驗，全面完整地再現(xiàn)了理論設(shè)計的過程和結(jié)論，且直觀地反映出設(shè)計的對錯。因此，如果在理論知識的基礎(chǔ)上，配合多種實驗實踐模式，多手段多途徑進行實踐、驗證，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)效果及擴展知識體系大有裨益。在實際課程開展過程中，可將第一種模式作為實驗前的準備過程，在實驗課之前完成。第二種模式作為常規(guī)實驗課程內(nèi)容。第三種模式作為編程語言的學(xué)習(xí)和實踐過程，可在實驗課程之外的時間完成。第四種模式可作為學(xué)有余力的同學(xué)對電子技術(shù)理論和實驗有深層次的探索需求，進入實驗室繼續(xù)學(xué)習(xí)的選擇。最后為了鞏固實踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)成果，可要求學(xué)生撰寫基于三種或四種模式的綜合實驗報告，通過報告的撰寫過程，回顧整個實驗流程，增強學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的參與感，感受模式一底層搭建與模式三、模式四頂層設(shè)計的區(qū)別。四種模式交融結(jié)合，可全面地考查學(xué)生對理論基礎(chǔ)和實踐過程的掌握程度，同時提高學(xué)生的積極性和主動性。

4 實驗教學(xué)思考

通過以上的教學(xué)實踐的案例，有以下教學(xué)思考：

(1)理論知識體系的重要性。在理論學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生只有對設(shè)計問題的過程重視，并沒有注重處理實際問題能力的培養(yǎng)，沒有認識到理論指導(dǎo)實踐這句話的真諦。通過線上線下實驗、仿真實驗，學(xué)生才能夠直觀感受到實踐中理論知識的指導(dǎo)作用，實驗現(xiàn)象和仿真現(xiàn)象反饋回到理論學(xué)習(xí)中，形成良好的閉環(huán)，互相促進，互相驗證。

(2)軟件編程的引入是大勢所趨，將EDA引入電子技術(shù)實驗課程具有實際意義，使得抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容直觀化，教學(xué)概念的表達清晰化。采取多模式教學(xué)，可使得學(xué)生體驗底層搭建和頂層設(shè)計的應(yīng)用區(qū)別，并著重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識：既要重視基礎(chǔ)，又要學(xué)會頂層設(shè)計思路，把握電子設(shè)計的發(fā)展趨勢。

(3)傳統(tǒng)的理論與實踐結(jié)合屬于一刀切模式，所有學(xué)生要遵循統(tǒng)一的學(xué)習(xí)要求和課程進度，教師不能兼顧到每一個學(xué)生，也無法體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的差異化，更無法兼顧學(xué)有余力的同學(xué)進行縱向延伸式地學(xué)習(xí)。而所有以上的問題，是需要我們采取更多的方式去修正和解決，促使我們要考慮多模式的探索。

5 結(jié) 語

本文從教學(xué)角度以電子技術(shù)實驗課程中的計數(shù)器為例，分析了五進制加法計數(shù)器的理論設(shè)計過程，討論了四種模式進行實驗的方法和過程。在此基礎(chǔ)上，研究了四種模式的取舍和應(yīng)用環(huán)境，并提出了基于實驗的教學(xué)思考。在實驗教學(xué)以及課后延伸學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中引入編程實踐，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化學(xué)生對電子技術(shù)理論知識的理解，也鍛煉了學(xué)生運用現(xiàn)代編程軟件的實踐能力，同時兼顧各種層次的學(xué)生，對自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐能力提升起到積極有效的促進作用，也為電子技術(shù)實驗這門課程線上線下多元化的教學(xué)模式做出了有益的探索。