張洪杰 方愷晴 徐 成

摘 要：介紹自主實驗教學(xué)模式的特點和低成本便攜式實驗設(shè)備，說明“模塊化、預(yù)期學(xué)習(xí)成果”為導(dǎo)向的課程設(shè)置和3類典型實驗案例，分享考評體系建設(shè)經(jīng)驗。指出自主實驗教學(xué)模式可以利用有限資金和設(shè)備深化實驗教學(xué)改革，具有推廣價值。

關(guān)鍵詞：自主實驗教學(xué)；數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計；便攜式實驗設(shè)備

0 引言

目前，為了適應(yīng)計算機與電子信息技術(shù)“厚基礎(chǔ)、強能力和高素質(zhì)”復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，國內(nèi)各高校的教學(xué)改革高度重視開放式實驗教學(xué)”。但是，實驗改革必然性與持續(xù)性投資不足的矛盾給國內(nèi)高校帶來一些新問題，如教學(xué)內(nèi)容不系統(tǒng)，教學(xué)模式缺少改革，教學(xué)資源欠充實等，學(xué)科教學(xué)計劃設(shè)置不合理，導(dǎo)致出現(xiàn)實踐課程超前于理論課的現(xiàn)象；另外還缺乏對自制實驗設(shè)備的改革與教學(xué)模式及評價體系的創(chuàng)新。

1 自主實驗教學(xué)模式

自主實驗教學(xué)模式是以案例開發(fā)為驅(qū)動，以便攜式實驗設(shè)備為載體，以學(xué)生為主體，鼓勵學(xué)生在實驗內(nèi)容上進行自主創(chuàng)新，綜合教師引導(dǎo)、集中答疑，從知識、能力和素質(zhì)3個方面進行全面考核評價。

1.1 優(yōu)勢

開設(shè)自主實驗有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動手實驗?zāi)芰?，更能培養(yǎng)學(xué)生面對復(fù)雜實際問題的主動探索精神，因而得到學(xué)生由衷的接納與歡迎。

傳統(tǒng)計算機實驗室存在使用權(quán)限、電腦數(shù)量和操作系統(tǒng)限制的弊端。自主實驗教學(xué)模式符合計算機與電子信息類實驗室零臺式電腦建設(shè)要求，學(xué)生利用自備手提電腦和便攜式實驗設(shè)備完成實驗，減少了電腦設(shè)備更新單項資金的投入，彌補了實驗室空間和設(shè)備開放方面的短缺。

知識、能力和素質(zhì)3個方面綜合考評體系，避免了傳統(tǒng)實驗以實驗報告和出勤為主的單一考核方式。

1.2 便攜式實驗設(shè)備構(gòu)成

公司實驗設(shè)備往往針對研發(fā)人員設(shè)計，功能和操作較復(fù)雜，再加上技術(shù)相對落后、附加配件繁多、大包裝等盈利性因素，限制了學(xué)生實驗自制實驗設(shè)備是本科教學(xué)工作優(yōu)秀學(xué)校評價的重要組成部分。為了促進實驗教學(xué)改革，實驗室應(yīng)因地制宜地自制實驗設(shè)備。

在數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計類自主實驗教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生課上課下相結(jié)合，積極開展自主實驗，主要采用3種便攜式設(shè)計驗證設(shè)備：①免費Quartus集成的波形編輯與仿真器；②自主設(shè)計的開源8位CPU模擬器；③自主知識產(chǎn)權(quán)的便捷式EDA系列實驗板。

2 教學(xué)辦法

2.1 課程設(shè)置

老師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體。課堂上面對面答疑，老師引導(dǎo)學(xué)生完成實驗、驗收、測試3部分內(nèi)容。課下，學(xué)生自主實驗教學(xué)項目或依興趣自行設(shè)計實驗方案解答問題。從學(xué)生認知過程和教師實驗教學(xué)開展兩方面人手，設(shè)置了數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計類實驗相關(guān)內(nèi)容、課時、便攜設(shè)備、預(yù)期學(xué)習(xí)成果，如表1所示。設(shè)備序號分別對應(yīng)1.2節(jié)中3種便攜式實驗設(shè)備。O代表各門課程適用模塊?！虨楦髂K訓(xùn)練的預(yù)期學(xué)習(xí)效果。

老師開發(fā)自主實驗教學(xué)案例，精編涵蓋認知型、設(shè)計型和綜合型實驗的指導(dǎo)教材和完善的網(wǎng)絡(luò)課程資源。

明確專業(yè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，依據(jù)各項預(yù)期學(xué)習(xí)成果指導(dǎo)數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計類專業(yè)實驗課程、課程實驗、實習(xí)和創(chuàng)新訓(xùn)練。

全程采用便攜式實驗設(shè)備以及可自由搭配的模塊化教學(xué)內(nèi)容，完全滿足不同專業(yè)學(xué)生多層次自主學(xué)習(xí)要求，充分激發(fā)學(xué)生潛能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

2.2 仿真驗證實驗

仿真驗證實驗專項訓(xùn)練旨在培養(yǎng)學(xué)生分析和解釋數(shù)據(jù)的能力，識別、制定和解決工程問題的能力，進一步提高應(yīng)用本專業(yè)數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程知識的應(yīng)用能力，應(yīng)用本專業(yè)的技術(shù)、技能、現(xiàn)代工程所需工具的能力。實驗要求如下。

（l）理解仿真波形圖“完整、簡明”的基本原則和仿真常規(guī)步驟。

（2）掌握新建波形文件后的波形圖時間開銷基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，理解Grid size與時鐘周期關(guān)系，End time與時間軸長度關(guān)系。

（3）熟悉信號節(jié)點添加后的位置調(diào)配。重新凋配信號位置應(yīng)注意：激勵輸入與輸出信號上下放置；輸入信號可按“時鐘信號→異步控制→同步控制→數(shù)據(jù)輸入”順序向下放置；同一元器件或同一功能的控制信號就近放置。

（4）熟悉信號整合為總線Group形式。原本符合Group、同一器件和同一屬性的控制信號優(yōu)先整合；脈沖信號不整合；整合前信號應(yīng)按“高位_低位”順序向下放置；整合后信號名要能直觀反映該信號功能。

（5）理解并熟悉電路初始狀態(tài)激勵輸入和分段仿真方法。分段仿真方法是先完成初始電路，再將時間軸看成連續(xù)的時間段，一個時間段完成一步實驗內(nèi)容。

2.3 CPU模擬器實驗

CPU模擬器實驗主要訓(xùn)練學(xué)生系統(tǒng)開發(fā)的能力，即在現(xiàn)實約束下設(shè)計一個系統(tǒng)、組件或流程滿足期望的需求。

實驗依據(jù)微程序流程圖及CPU模擬器，編寫用戶調(diào)試程序進行功能驗證，必要時重寫CPU模擬器開源代碼以實現(xiàn)拓展指令。

（1）學(xué)習(xí)指令、微指令和微程序知識。

（2）理解微程序運行時微地址轉(zhuǎn)移邏輯涉及的異步清零、RAM寫、RAM讀、順序執(zhí)行和判別測試字段P重新映射，設(shè)計微程序流程圖。

（3）分析用戶測試程序?qū)嵗J識指令碼和數(shù)據(jù)字節(jié)、復(fù)合運算編程方法、RAM程序存儲方式。

（4）掌握用戶測試程序時應(yīng)用Hex文本編輯器編寫匯編代碼方法。

（5）掌握計數(shù)器PC、地址寄存器AR、存儲器MEM、指令碼OP、微地址M_ADDR與MNXT_ ADDR、寄存器R5、累加器DRI與DR2、單步執(zhí)行模擬器使用方法，觀察地址及數(shù)據(jù)流進行微指令調(diào)試完成功能驗證。

2.4 綜合實驗

綜合實驗是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用某一課程或多門課程的知識，對實驗技能和實驗方法進行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性、開發(fā)性實驗。綜合實驗培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力、道德責(zé)任能力、創(chuàng)新能力、團隊合作能力以及溝通能力。

（l）綜合實驗l為圖文解說數(shù)碼管顯示電路實驗過程，了解FPGA工作原理與特性；熟悉并掌握軟硬件平臺的安裝及使用；掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程及圖形法、硬件語言描述法、層次設(shè)計法等設(shè)計方法；掌握圖形法的注意事項與畫圖技巧。

（2）綜合實驗2為各小組自主選題，掌握綜合運用前面所學(xué)狀態(tài)機、移位寄存器、計數(shù)器、按鍵消抖電路和數(shù)碼管顯示電路等模塊功能，要求學(xué)生分工協(xié)作，搜集資料確定選題，分析可行性形成開題報告，有效溝通進行分模塊設(shè)計與調(diào)試，最后完成答辯互評。

（3）綜合實驗3為通過圖形法或VHDL設(shè)計完成時序發(fā)生模塊、微程序控制器和顯示予模塊的集成與頂層例化模型機調(diào)試，從而形成芯片到系統(tǒng)的整體概念和軟硬聯(lián)合處理問題思維方式，實現(xiàn)初步的系統(tǒng)設(shè)計、工程實踐能力、創(chuàng)新過程思維和自我學(xué)習(xí)能力。

3 考評體系

傳統(tǒng)實驗考核主要指標(biāo)有實驗預(yù)習(xí)、實驗紀(jì)律和實驗態(tài)度、實驗過程、實驗結(jié)果、實驗報告、期末考試成績等，即以平時成績?yōu)橹鞯膶嵺`性考核。

（l）實驗日志體現(xiàn)學(xué)生實際實驗情況，是學(xué)生獨立實驗的一項重要證明。實驗報告分項計分要求：實驗原理說明10分；波形圖參數(shù)設(shè)置合理10分；波形圖信號設(shè)置合理10分；波形圖中操作標(biāo)注說明10分；仿真驗證結(jié)論10分；操作步驟數(shù)據(jù)記錄完整10分；管腳分配及硬件驗證結(jié)論10分；實驗日志30分。實驗日志由淺人深逐條記錄實驗過程中的問題及解決方法、習(xí)題解答、難點引申與信息檢索、經(jīng)驗總結(jié)。

（2）綜合實驗小組投票互評。老師組織各項目小組參加成果展示，學(xué)生自行按流程主持、唱票和計票。小組每位成員均需匯報個人工作和項目可借鑒意見。每組不記名投票、不重復(fù)投票，最后以票數(shù)及意見評等級。

（3）數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基本技能測試細分為多次，要求人人過關(guān)。該測試對實驗過程需截圖并說明，考查范圍為：原理部分20分，如Symbolfile端口功能描述、RTL viewer子模塊功能描述和Hierarchy分層說明；輸入部分20分，含工程創(chuàng)建（工程名、路徑名和目標(biāo)器件）、新建文件類型（BDF、VHD及VWF）、MIF文件（字、數(shù)制和內(nèi)容）和State Machine File（reset控制信號與Action輸出）；編譯部分10分，為正確結(jié)果報告或錯誤警告說明；仿真部分50分，包括功能仿真網(wǎng)表、Simulator設(shè)置波形文件、初始化波形文件（參數(shù)、信號與時鐘）、仿真結(jié)果分析與結(jié)論。

4 結(jié)語

長期以來，我校教研室通過開展低成本便捷式實驗設(shè)備為主的自主實驗教學(xué)模式，為數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計類課程教學(xué)奠定了堅定實驗基礎(chǔ)。便攜式EDA系列實驗板在全學(xué)院得到廣泛應(yīng)用，成為學(xué)院課程教學(xué)實踐、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中基本使用設(shè)備。這種自主實驗教學(xué)模式可進一步推廣至單片機類、嵌入式系統(tǒng)類、物聯(lián)網(wǎng)類、智能控制類方向。