【摘 要】本文論述高校數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和實踐能力為目標(biāo)，提出在數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)過程中采用以項目為導(dǎo)向的實驗教學(xué)模式，并將Quartus II軟件和Verilog 硬件描述語言等相關(guān)知識融入數(shù)字邏輯電路實驗教學(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)有機結(jié)合，探索有助于培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字邏輯電路實驗? 實驗教學(xué)? Verilog 硬件描述語言? 項目導(dǎo)向

【中圖分類號】G? 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）12C-0157-02

數(shù)字邏輯電路實驗是電子信息類專業(yè)的必修實驗課。學(xué)生通過學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路的相關(guān)知識，然后進行數(shù)字電路設(shè)計與實驗操作，在理論和實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上掌握數(shù)字電路的設(shè)計、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)字邏輯電路實驗教學(xué)通常是學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的要求，“依葫蘆畫瓢”在實驗箱上完成以理論教學(xué)驗證為主、簡單設(shè)計為輔的相互獨立的實驗。該實驗教學(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。二是由于各個實驗項目之間缺乏連貫性，學(xué)生在實驗的過程中只掌握了單個或零散的知識點，沒有建立起數(shù)字系統(tǒng)的概念。三是實驗內(nèi)容缺乏工程和應(yīng)用實踐，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的要求知道“怎樣完成實驗”，但不知道“完成這個實驗有什么用”，所掌握的實驗知識點“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)實驗教學(xué)模式存在的問題，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和實踐能力為目標(biāo)，本文提出在數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)過程中采用以項目為導(dǎo)向的實驗教學(xué)模式，適當(dāng)?shù)貙uartus II軟件和Verilog硬件描述語言等相關(guān)知識融入數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)中，從而達到在傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)中引入現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)知識的目的，以方便培養(yǎng)學(xué)生進行較復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的能力。

數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)模式實現(xiàn)的方法為：實驗教師根據(jù)教學(xué)大綱的要求選取適當(dāng)?shù)捻椖?，然后將項目按教學(xué)內(nèi)容的知識點和實踐技能分解為8個實驗，學(xué)生完成8個實驗后進行級聯(lián)調(diào)試，進而完成整個數(shù)字系統(tǒng)項目。這樣既讓學(xué)生掌握單個實驗的知識點和實驗技能，又能體驗到每個實驗在整個項目中的作用，進而形成數(shù)字系統(tǒng)電路的概念，達到“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)計能力和工程實踐能力。

一、項目的選擇

實驗課程組教師以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和應(yīng)用能力為出發(fā)點，從數(shù)字邏輯電路實驗教學(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)用背景的項目作為實驗項目。實驗項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)的知識點，以滿足數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)大綱和教學(xué)計劃的要求。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驗項目，如“信號發(fā)生器的設(shè)計”“多功能數(shù)字鐘的設(shè)計”“交通燈電路的設(shè)計”和“秒表電路的設(shè)計”等。

二、項目的任務(wù)要求和分解

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

（一）實驗項目任務(wù)。設(shè)計并制作一個多功能數(shù)字鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)年、月、日、時、分和秒的顯示。

（二）實驗項目要求。（1）具有計時功能，用8只數(shù)碼管分屏顯示年、月、日和星期、時、分、秒，分屏顯示可以自動切換，也可以手動切換;（2）具有校時功能，能通過按鍵對年、月、日、星期、時、分進行設(shè)置，當(dāng)選中設(shè)置對象后，對應(yīng)的數(shù)碼管閃爍點亮，表示要對其進行設(shè)置;（3）具有整點報時功能;（4）具有定時鬧鐘功能，可以設(shè)置鬧鐘的時和分，可以手動關(guān)閉鬧鈴;（5）具有清零功能，能用按鍵將時間和鬧鐘定時清零。

（三）實驗項目分解。多功能數(shù)字鐘由計數(shù)器、譯碼顯示電路、校時電路、分頻器、定時鬧鐘電路、數(shù)據(jù)選擇器、整點報時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，經(jīng)分頻器進行分頻得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)計時脈沖。秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿60后向時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器計滿24后向日計數(shù)器和星期計數(shù)器進位，以此類推。計數(shù)器的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器送給譯碼顯示電路進行顯示。當(dāng)需要設(shè)置時間、星期和日期時，可以通過校時電路進行設(shè)置。根據(jù)多功能數(shù)字鐘的工作原理，結(jié)合數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)大綱和教學(xué)計劃的要求，將多功能數(shù)字鐘分解為8個實驗，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)字電路實驗平臺的使用方法 （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)字電路實驗平臺的使用方法 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)字電路實驗平臺的使用方法 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)字電路實驗平臺的使用方法 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 計數(shù)器的設(shè)計及應(yīng)用 （1）掌握計數(shù)器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設(shè)計計數(shù)器的方法 用Verilog HDL分別設(shè)計7進制、10進制、24進制、60進制計數(shù)器

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

7 數(shù)據(jù)比較器的設(shè)計 （1）掌握數(shù)據(jù)比較器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設(shè)計數(shù)據(jù)比較器的方法 用Verilog HDL分別設(shè)計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)計方法 將實驗按照圖1系統(tǒng)組成框圖級聯(lián)起來，并進行調(diào)試，完成多功能數(shù)字鐘的設(shè)計

三、實驗項目教學(xué)實施

（一）實驗動員。在開始進行實驗的前1周，由實驗授課教師召集學(xué)生進行實驗動員，介紹實驗要求、實驗流程和實驗的考核要求等。接著給學(xué)生展示已制作完成的實驗項目作品，有助于學(xué)生增加感性認(rèn)識，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索的欲望，然后要求學(xué)生查閱文獻資料，獲取實驗項目的相關(guān)信息，設(shè)計實驗項目的方案和步驟等。

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

（三）實驗成績的評定。實驗成績的評定=平時成績*50%+期末考核成績*50%。平時成績考核標(biāo)準(zhǔn)為：實驗考勤占平時成績的10%，實驗預(yù)習(xí)占平時成績的30%，實驗操作占平時成績的40%，實驗報告占平時成績的20%。實驗期末考核由實驗教師命題10套試題，學(xué)生采取抽簽選題的方式確定考題，實驗試題包含卷面考核和實驗操作考核兩部分，實驗操作考核部分由實驗監(jiān)考教師現(xiàn)場驗收打分，給定成績。

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

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