蔡春曉　周巍　孟德明　李燕龍

【摘 要】針對開展工程教育專業(yè)認證背景下，分析了目前數(shù)字邏輯實驗存在的問題；通過分析開展工程教育專業(yè)認證的標準，提出適應(yīng)專業(yè)認證的數(shù)字邏輯電路實驗的改革方案，包括優(yōu)化實驗內(nèi)容，加強實驗預習環(huán)節(jié)管理，加大EDA實驗技術(shù)內(nèi)容，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，改革考核方式等。實踐結(jié)果表明，改革方案是可行的。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路；專業(yè)認證；教學內(nèi)容；EDA技術(shù)

中圖分類號： TN791-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）26-0082-003

The Experimental Reform and Practice of Digital Logic Circuit Adapted to Professional Certification

CAI Chun-Xiao ZHOU Wei MENG De-Ming LI Yan-Long

（National Demonstration Center for Experimental electronic circuit Education （Guilin University of Electronic Technology），Guangxi Guilin，541004，China）

【Abstract】In view of the development of engineering education background of professional certification， analyzes on the problems existing in the digital logic experiment； through the analysis of the development of engineering education accreditation standard proposed to adapt to the reform scheme of the professional certification of digital logic circuit experiment， including the optimization of the experimental content， to strengthen the management of experiment preview link， increase the content of EDA technology， optimize the network resources， reform the examination mode. The practical results show that the reform scheme is feasible.

【Key words】Digital circuits； Professional certification；Teaching content；EDA

隨著高等工程教育改革不斷推進，工程教育專業(yè)認證已成為一種趨勢。工程教育專業(yè)認證標準重視考察學生綜合運用所學科學理論和技術(shù)手段，分析并解決工程問題的基本能力；除了要求學生掌握必要的工程基礎(chǔ)知識，接受本專業(yè)的實驗技能工程實踐、計算機應(yīng)用、科學研究與工程設(shè)計方法的基本訓練外，還應(yīng)該具有創(chuàng)新意識，對新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備進行研究、開發(fā)和設(shè)計的初步能力。實踐教學不僅對學生理論聯(lián)系實際、加深對理論的感性認識有著非常重要的作用，同時也是實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的主要途徑，對學生整體工程素養(yǎng)、工程知識、工程能力的提高起著重要作用。在工程教育專業(yè)認證通用標準中列出了實驗環(huán)節(jié)的評估指標，從更加貼近工程實踐、貼近企業(yè)界人才需求的角度對教學內(nèi)容、教學方法、考核等方面進行了詳細規(guī)定。因此，依托工程教育專業(yè)認證標準，對電子信息類實驗課程進行改革，加強實驗環(huán)節(jié)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，使學生更貼近企業(yè)和社會的需求，是保證工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的必然趨勢。本文介紹適應(yīng)專業(yè)認證的數(shù)字邏輯電路實驗改革與實踐經(jīng)驗。

1 目前存在的問題

實驗室于2005年配置了ALTERA公司的ED2開發(fā)板，并于同年投入本科生和研究生教學活動中，在這些年本科生的教學活動中數(shù)字邏輯電路實驗主要存在如下幾方面的矛盾與不足：

（1）雖然DE2開發(fā)板上集成了豐富的外設(shè)，但是要使用這些外設(shè)要求學生具備相當?shù)膶I(yè)知識，某些專業(yè)即使具備相應(yīng)的知識，但是由于學時數(shù)限制在2個學時甚至是4個學時的時間段內(nèi)絕大部分同學不可能完成一個比較完整的小系統(tǒng)級電路的設(shè)計與調(diào)試；

（2）雖然數(shù)字邏輯電路實驗加強了實驗的預習情況的檢查，但是在實際過程中還是發(fā)現(xiàn)相當一部分同學的實驗預習流于表面不夠深入；

（3）雖然已經(jīng)加大了實驗開放的力度，也存在相當一部分學有余力的學生“吃不飽”，這主要表現(xiàn)在需要更多的開放時間和更加有“挑戰(zhàn)性”的實驗項目。

2 改革思路

通過解讀專業(yè)認證的標準以及目標，發(fā)現(xiàn)目前數(shù)字邏輯電路實驗的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)不太適應(yīng)專業(yè)認證的要求。主要表現(xiàn)為：現(xiàn)有的數(shù)字邏輯電路實驗的開設(shè)方式以74系列數(shù)字芯片為主要目標器件的硬件實驗和以DE2開發(fā)板為主要平臺的EDA實驗兩個部分相結(jié)合，但硬件實驗為主、EDA實驗為輔的方式；受教學時數(shù)的限制，EDA實驗的目的主要是讓學生了解業(yè)界新技術(shù)新方法，所以這部分實驗開設(shè)得較淺顯不夠深入；74系列數(shù)字芯片在業(yè)界的使用日趨減少，而EDA技術(shù)的使用范圍和深度都在擴大，從實驗內(nèi)容看學生所學知識、技能和業(yè)界主流技術(shù)之間的差距在不斷加大。因此為使得數(shù)字邏輯電路實驗更加適應(yīng)于專業(yè)認證的要求，擬通過增加EDA實驗在整個實驗課程中的比重為主來進行相應(yīng)的教學改革。

針對卓越班的學生進一步增設(shè)基于EDA的實驗項目，使得課程能夠與當前業(yè)界新技術(shù)接軌，加大系統(tǒng)級電路實驗的數(shù)量，同時在項目中注重引導學生對功耗、性能、可靠性的等系統(tǒng)性能方面的關(guān)注，使學生在實驗中能獲得系統(tǒng)級設(shè)計的初步感性認識，使得專業(yè)基礎(chǔ)類實驗教學更加貼近工程性。endprint

3 實踐方案

3.1 對實驗內(nèi)容的整合與拓展

數(shù)字邏輯電路是電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。該課程中基本門電路的實現(xiàn)原理以模擬電子技術(shù)為基礎(chǔ)；555時基電路及其應(yīng)用以模擬電子技術(shù)和電路分析為其基礎(chǔ)；組合邏輯電路中的編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、全加器半加器等是學習微機原理、接口技術(shù)等課程的重要基礎(chǔ)；集成觸發(fā)器組成的鎖存器，移位寄存器等和時序電路的計數(shù)器等也是學習后續(xù)計算機類課程的基礎(chǔ)；數(shù)字邏輯電路中還包括了計算機通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的A/D和D/A轉(zhuǎn)換的硬件實現(xiàn)原理和過程。因此，數(shù)字邏輯電路是一門承前啟后的技術(shù)基礎(chǔ)課。近年來，隨著新技術(shù)發(fā)展，數(shù)字邏輯電路理論教學相應(yīng)增加了可編程器件的內(nèi)容。

結(jié)合理論課程的特點，我們對實驗的內(nèi)容進行了整合與拓展。具體如下：

第一、保留了TTL和CMOS集成邏輯門的邏輯功能于參數(shù)測試，時基電路555的功能及應(yīng)用。該兩個實驗內(nèi)容涉及到電路分析和模擬電子線路的知識比較多，又具有數(shù)字邏輯電路自身的特點。同時理論課講述原理性的較多，涉及到邏輯器件電物理特性參數(shù)的內(nèi)容少，該實驗有助于學生了解工程應(yīng)用中邏輯器件的使用范圍和條件。這是倆個傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容，我們保留并作了適當?shù)膹娀?，例如要求學生對比CMOS和TTL門電路的特性；要求學生對由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器作理論的分析和實驗結(jié)果的對比，并找出實驗結(jié)果和理論分析存在差異的原因，目的是為了更好的和理論聯(lián)系，激發(fā)學生的學習熱情和興趣。

第二、新增了A/D，D/A實驗，保留并修改了集成觸發(fā)器的應(yīng)用內(nèi)容及計數(shù)器的應(yīng)用內(nèi)容。這是后續(xù)課程如計算機組成原理，接口技術(shù)等計算機類課程的電路基礎(chǔ)，對這些內(nèi)容安排實驗，加深其體會，有利于學生后續(xù)課程的學習與理解。A/D，D/A屬于新設(shè)實驗，集成觸發(fā)器的應(yīng)用和計數(shù)器的應(yīng)用屬于原有實驗項目。考慮到學生學習后續(xù)課程的需要，加深加寬了實驗內(nèi)容。

第三、增加了組合邏輯中的競爭冒險觀察實驗和基本邏輯門的延時測量實驗。很多理論教材對競爭冒險講得很少或者忽略沒講；數(shù)字邏輯門電路的延時在理論教學和實驗教學中都是容易忽略的問題，為讓實驗更加接近工程實踐，培養(yǎng)學生的工程意識，我們新設(shè)了該實驗。

第四、增設(shè)了EDA實驗內(nèi)容。我?，F(xiàn)代數(shù)字邏輯電路的理論教學已包括可編程邏輯器件的內(nèi)容。開設(shè)EDA的硬件條件是Altera公司DE2開發(fā)學習板。DE2板主要是面向NiosⅡ/SOPC的設(shè)計與實驗板，但其上也包含了16個LED指示燈，18路撥動開關(guān)，8個數(shù)碼管，4個按鍵開關(guān)，適合于數(shù)字電路的初學者完成一些簡單的數(shù)字邏輯電路的設(shè)計。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計了8路搶答器、數(shù)字鐘、流水燈等實驗內(nèi)容供學生任選其一完成設(shè)計。同時，在該設(shè)計性實驗內(nèi)容前安排了一次QuartusⅡ軟件使用及DE2實驗板使用實驗，為學生使用該開發(fā)板提供基礎(chǔ)。

3.2 加強預習環(huán)節(jié)管理，革新傳統(tǒng)預習報告和實驗報告書寫模式

傳統(tǒng)的預習報告和實驗報告內(nèi)容空洞，不外乎包括實驗目的、實驗儀器、實驗原理、實驗過程等幾部分，這種格式的報告既不考慮實驗類型的差別，也不考慮實驗內(nèi)容的不同。由于針對性、引導性不強，絕大多數(shù)學生不知道預習報告和實驗報告寫什么，多數(shù)學生只是把實驗名稱、實驗目的和簡單的實驗原理等書上的內(nèi)容抄一遍，對于實驗所涉及的基本操作及其原理和各種關(guān)鍵性問題反而沒有預習，對一些必要的設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)付了事。針對以上問題，根據(jù)每個實驗項目的具體內(nèi)容設(shè)計一體化的實驗預習和實驗報告格式，類型主要分驗證性實驗和設(shè)計性實驗，引導學生根據(jù)具體實驗內(nèi)容有針對性的主動進行課外預習，高質(zhì)量的完成預習報告，把有限的實驗課有效的延伸到課外，改變學生對實驗講解的過多依賴，以便在有限的實驗時間內(nèi)更好的操作、觀察、思考和總結(jié)實驗，提高學生的實驗能力和思考能力，使學生書寫預習報告和實驗報告不停留于形式和應(yīng)付的思想，提高學生的積極性和自覺性。

3.3 加大EDA實驗技術(shù)內(nèi)容

措施一：研發(fā)了一款低成本的CPLD實驗小開發(fā)板發(fā)放給學生，學生可以利用課余時間在寢室就以達到來實驗室做實驗或做預習，解決學生“吃不飽”的問題，同時要求學生的所有實驗預習（包括基于74系列數(shù)字芯片的實驗）首先在該CPLD上完成。CPLD最小板采用Altera公司的可編程 PLD 器件Max7000S系列的EPM7064SLC44-10為核心器件，該CPLD器件為PLCC-44封裝，方便學生焊接。 CPLD器件I/O接口與輸入輸出器件（開關(guān)、按鍵、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、555多謝震蕩信號源等）全部采用固定連接，使用時向?qū)W生提供 PLD 與外圍器件管腳對照表。學生先將給定的CPLD最小電路板裝配完成，并調(diào)試，使電路板能夠正常下載程序，然后自主選題，完成一個特定項目的實驗。學生可根據(jù)自己的實驗需要在Quartus開發(fā)軟件中畫符合軟件要求的電路圖或編程，然后進行相關(guān)配置（即管腳設(shè)定）及調(diào)試下載驗證。實驗方法從傳統(tǒng)的硬件搭試方式轉(zhuǎn)到了軟件設(shè)計、仿真調(diào)試電路系統(tǒng)的實驗方式，使傳統(tǒng)硬件設(shè)計方式用EDA技術(shù)來實驗。通過該環(huán)節(jié)，學生掌握了硬件裝配知識，焊接調(diào)試能力，程序設(shè)計分析能力，激發(fā)了學生學習的自覺性和主動性。

措施二：研發(fā)了一款同時兼容DE2和上述的CPLD實驗開發(fā)板的外設(shè)小模塊，來開設(shè)一些適合剛學習數(shù)字邏輯電路課程的學生完成的規(guī)模較小系統(tǒng)級的實驗項目，解決上述的矛盾，即DE2開發(fā)板豐富外設(shè)同要求學生具有相應(yīng)專業(yè)知識和對學時數(shù)的要求之間的矛盾。A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器是連接數(shù)字世界和模擬世界的橋梁，在現(xiàn)代信息技術(shù)中具有舉足輕重的作用，因此學習AD、DA轉(zhuǎn)換原理。而DE2本身不具備AD/DA轉(zhuǎn)換模塊，需要利用DE2預留的擴展接口設(shè)計AD/DA轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809芯片，D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832芯片。利用AD轉(zhuǎn)換模塊，可實現(xiàn)較為復雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，如電壓表的實現(xiàn)，學習用狀態(tài)機對A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的采樣控制電路及較為復雜系統(tǒng)的VHDL編程方法。利用DA轉(zhuǎn)換模塊，可實現(xiàn)較為復雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，如正弦波信號發(fā)生器的設(shè)計，學習較為復雜系統(tǒng)的VHDL編程方法。endprint

3.4 利用網(wǎng)絡(luò)手段，發(fā)揮現(xiàn)代教育技術(shù)優(yōu)勢

網(wǎng)絡(luò)的普及和應(yīng)用，深刻地改變了教育觀念和教學方法。利用網(wǎng)絡(luò)實施教學已經(jīng)成為“數(shù)字電路實驗”教學改革的內(nèi)在需求。在“數(shù)字電路實驗”的教改過程中，我們通過建設(shè)課程資源庫網(wǎng)站，較好地發(fā)揮了現(xiàn)代教育技術(shù)的優(yōu)勢。通過網(wǎng)站，我們?yōu)閷W生提供了全部課題（包括必做課題和選做課題）的相關(guān)資料、參考文獻、網(wǎng)絡(luò)實驗等內(nèi)容，為學生的課前預習、課堂實驗、課后總結(jié)以及實驗報告撰寫創(chuàng)造了條件。學生還可在網(wǎng)上進行實驗（虛擬實驗），將課堂進行了有效的延伸。此外，網(wǎng)站為教學交流提供了優(yōu)良的環(huán)境，教師可及時發(fā)布教學信息，包括資料、教學安排以及教學內(nèi)容的更新等；學生可即時反饋意見，拓寬了師生交流的平臺。在原有的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化課程資源庫網(wǎng)站，針對課程的實驗重點、難點和實驗過程中易出現(xiàn)問題的地方，如“如何利用數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)”、“如何用反饋置數(shù)法設(shè)計減計數(shù)器”等，開發(fā)和拍攝實驗視頻，補充課堂的不足，方便學生課外學習。

3.5 改革考核方式，激發(fā)學生學習興趣

課程考試是教學工作的重要環(huán)節(jié)之一，考試形式對教學具有重要影響。傳統(tǒng)考核方式多以平時成績和期末考試（考核）作為評定學生成績的依據(jù)。這樣的考核方式存在平時成績的不公平和不公正性，以及期末考試的“突擊性”等缺點。在這樣的考核方式中，作為教學活動主體的學生始終處于被動狀態(tài)，不利于發(fā)揮學生的能動性，不能解決他們需要解決的問題和困惑，往往是不會做的依然不會，不懂的依然不懂，沒有針對性，不能查漏補缺。學生往往平時學習松懈，考前突擊準備，只注意自己的成績分數(shù)，不注重實驗過程和能力的提高。為了能夠使考核不僅體現(xiàn)評定成績的客觀性，更能作為促進教學過程的重要環(huán)節(jié)。評定成績由平時成績和期末成績組成，平時成績占40%、期末考試成績占60%。平時成績分為實驗預習、實驗操作和實驗報告三部分。其中，實驗預習占30%（隨堂評定）：包括實驗原理（5%）、實驗電路圖（10%）、實驗步驟擬訂（10%、數(shù)據(jù)記錄表格設(shè)計及其他（5%）；實驗操作占40% （隨堂評定）：包括儀器設(shè)備操作方法（10%）、實驗結(jié)果的正確性（15%）、排除故障的能力及創(chuàng)新能力等（15%）；實驗報告占30%：包括實驗原理與電路圖（5%）、實驗內(nèi)容和過程的陳述（10%）、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理（5%）、實驗結(jié)果（結(jié)論）等（10%）?？己顺煽冋?0%：實際操作占40%；測試結(jié)果占30%；卷面成績占30%?？偝煽儼?00分計算（不按A、B、C或優(yōu)、良、中劃分等級），其導向是讓學生把主要精力放在平時的實驗課題上，放在能力培養(yǎng)上，而不是在最后的考試中“押寶”，這樣有利于培養(yǎng)良好的學風。通過這樣的改革，學生的學習積極性得到了極大的提高，投入實驗的時間增多了，動手能力增強了，實驗操作以及實驗報告的質(zhì)量有了明顯的提高。

4 結(jié)束語

實踐表明，通過對數(shù)字邏輯電路實驗課程的一系列改革，極大地提高了該課程的教學質(zhì)量和教學效果，增強了學生對該課程的學習興趣，調(diào)動了學生的學習積極性，初步培養(yǎng)學生工程實踐能力，熟悉目前業(yè)界使用的新技術(shù)、新方法和新手段，培養(yǎng)系統(tǒng)級數(shù)字電路設(shè)計的能力，加深學生對數(shù)字電路功耗、穩(wěn)定性、工作頻率等電路性能的理解，為進一步的專業(yè)學習打下堅實的基礎(chǔ)?！皩W無止境，教無定式”，我們會在實踐中不斷完善改革，使改革能夠與時俱進，適應(yīng)高等工程教育專業(yè)認證標準，為培養(yǎng)更多高素質(zhì)的應(yīng)用型人才而努力奮斗。

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