張克聲，饒文貴，程星晶

（1.貴州理工學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

新工科建設(shè)是一項(xiàng)涉及面廣、影響面寬、具有中國(guó)特色的復(fù)雜系統(tǒng)工程，其內(nèi)涵是以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，設(shè)置和建設(shè)服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求、面向未來(lái)發(fā)展的工程學(xué)科與專(zhuān)業(yè)，進(jìn)而培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的各類(lèi)交叉復(fù)合型卓越工程科技人才［1-3］.當(dāng)前工程教育從單純追求學(xué)術(shù)表現(xiàn)回歸到實(shí)踐的應(yīng)用，要從工程中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題，并能運(yùn)用科學(xué)原理解決工程難題，強(qiáng)化實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力［2］.新工科的“新”可以體現(xiàn)在人才培養(yǎng)全過(guò)程中的主要環(huán)節(jié)的改革、變化和發(fā)展，亦可體現(xiàn)在針對(duì)傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的工科專(zhuān)業(yè)通過(guò)信息化、智能化或其他學(xué)科的滲透而轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)“更新”而成［3］.對(duì)于地方普通高校而言，新工科實(shí)踐的重點(diǎn)應(yīng)該在應(yīng)用型工程技術(shù)人才培養(yǎng)上［1］.數(shù)字電子技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)電）課程是電氣專(zhuān)業(yè)與電子信息專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)必修課程以及部分非電類(lèi)專(zhuān)業(yè)在電子技術(shù)方面的入門(mén)基礎(chǔ)課程，對(duì)于培養(yǎng)能夠運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)概念、理論和分析、設(shè)計(jì)方法來(lái)解決較復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題的新型工程人才方面起著重要的作用［4］.數(shù)字電路的集成度每1-2年便翻一番，同時(shí)數(shù)字電子新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度日益加快，對(duì)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）提出了更高的要求.這使得此課程具有技術(shù)更新快、實(shí)踐性強(qiáng)和EDA軟件依賴(lài)性高的發(fā)展趨勢(shì)［5-6］.

地方普通高校受限于教師隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)室軟硬件和經(jīng)費(fèi)等條件，數(shù)電課程的理論教學(xué)、特別是實(shí)踐教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)改革普遍進(jìn)展緩慢，往往以手工數(shù)字電子設(shè)計(jì)技術(shù)作為核心，講授組合/時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)，并作為書(shū)面考核的主要內(nèi)容，不注重實(shí)際技術(shù)，偏重于原理驗(yàn)證.新工科建設(shè)需要將學(xué)科前沿知識(shí)和相關(guān)學(xué)科交叉知識(shí)、原理和方法融入到專(zhuān)業(yè)課程，以開(kāi)拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的未來(lái)能力，需要將源自真實(shí)工程世界的實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)成為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力、終身學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的平臺(tái)［2，7，8］.所以，數(shù)電課程如果僅保持傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，就會(huì)導(dǎo)致只強(qiáng)調(diào)“書(shū)面實(shí)踐”性，偏離真正的教學(xué)目標(biāo)和要求.再者，傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其設(shè)計(jì)理念已經(jīng)過(guò)時(shí)，難以滿足綜合和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的要求，已不能適應(yīng)新工科建設(shè)下對(duì)新型人才培養(yǎng)的需要.可見(jiàn)，對(duì)于數(shù)電這門(mén)實(shí)踐性要求高的課程教學(xué)改革必先行于實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的改革.

為促進(jìn)新工科建設(shè)在地方普通高校的落地，首先，基于FPGA（可編程的邏輯列陣）完成了數(shù)電課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的升級(jí)改造，以滿足新工科建設(shè)中對(duì)人才培養(yǎng)的靈活多樣的創(chuàng)新實(shí)踐需求.其次，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)和內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，引導(dǎo)學(xué)生完成更為貼近現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì).反饋和實(shí)踐結(jié)果表明：基于新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的項(xiàng)目化教學(xué)方式可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升其對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解程度和工程綜合應(yīng)用能力.

1 地方普通高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況

在部分地方普通高校，數(shù)電課程的基本教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綆缀跬Ａ粼?0年前，仍以那個(gè)年代的手工數(shù)字電子設(shè)計(jì)技術(shù)為核心作為教學(xué)與考核內(nèi)容.學(xué)生往往只是“學(xué)以致考”，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容脫離實(shí)際工程項(xiàng)目所需，通常只涉及以下幾部分內(nèi)容，即：中小規(guī)模TTL集成邏輯門(mén)的邏輯功能與參數(shù)測(cè)試，組合邏輯電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試，譯碼器、觸發(fā)器、時(shí)基電路以及計(jì)數(shù)器的功能測(cè)試和初級(jí)應(yīng)用.

然而，一方面，在過(guò)去的30 年中，隨著DSP（數(shù)字信號(hào)處理）技術(shù)、SOC（片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)、EDA技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、微電子技術(shù)和硬件描述語(yǔ)言等大量新技術(shù)的紛紛涌現(xiàn)，以及集成電路的速度和集成度的快速提高，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)歷了非常大的轉(zhuǎn)變，例如：當(dāng)今一塊芯片可以包含幾千萬(wàn)個(gè)晶體管且可利用硬件描述語(yǔ)言編程的方式構(gòu)建片上系統(tǒng)，然而過(guò)去要實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，需要用幾百個(gè)包含了上百萬(wàn)的單個(gè)門(mén)電路和觸發(fā)器的分立芯片來(lái)構(gòu)造；當(dāng)前成功的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)更多地受限于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正確、完整地定義產(chǎn)品詳細(xì)功能的能力，而不是受限于團(tuán)隊(duì)將需要的所有電路集成到一個(gè)電路板或芯片上的能力.另一方面，作為核心教學(xué)內(nèi)容與考核內(nèi)容的傳統(tǒng)數(shù)字電路手工設(shè)計(jì)的許多觀念、方法和思路，它們對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)而言，卻是不恰當(dāng)、低效，甚至是錯(cuò)誤的.這不僅浪費(fèi)了大量的教學(xué)資源，還會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)者花費(fèi)更多額外的時(shí)間去糾正這些失當(dāng)?shù)睦砟?，并以過(guò)低的起點(diǎn)去面對(duì)以此為基礎(chǔ)的許多后續(xù)課程和將來(lái)就業(yè)崗位的技術(shù)要求.例如［8］：傳統(tǒng)的邏輯電路分析技術(shù)往往只分析邏輯功能而不分析時(shí)序特性，這本質(zhì)上是一種低速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，而現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)是把設(shè)計(jì)對(duì)象看成是一個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析，特別注重時(shí)序特性；過(guò)于強(qiáng)調(diào)化簡(jiǎn)，事實(shí)上現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)中已無(wú)化簡(jiǎn)這個(gè)概念，而正確的概念是優(yōu)化；學(xué)生在傳統(tǒng)數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)完成的僅是一些數(shù)十個(gè)邏輯門(mén)規(guī)模的簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)，而許多國(guó)外大學(xué)本科一年級(jí)學(xué)生就能完成數(shù)十萬(wàn)門(mén)邏輯規(guī)模的自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目；對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，諸如：A/D（模-數(shù)）和D/A（數(shù)-模）的邏輯電路控制、存儲(chǔ)器和PLD（可編程邏輯器件），僅停留在結(jié)構(gòu)原理的介紹而非工程應(yīng)用，使得它們與主干內(nèi)容呈游離狀態(tài).

目前，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)和桂林電子科技大學(xué)等一些工科重點(diǎn)大學(xué)和其他一些在電子專(zhuān)業(yè)方面具有特色的高校中已進(jìn)行了數(shù)電課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的改革，并取得了很好的效果.但是，由于教師隊(duì)伍素質(zhì)和經(jīng)費(fèi)問(wèn)題等各種主客觀原因，在普通地方高校中數(shù)電課程教學(xué)，特別是實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革都進(jìn)展緩慢.如果數(shù)電課程的實(shí)踐教學(xué)設(shè)置不能與新經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下的“新工科”知識(shí)相融合、陳舊的內(nèi)容不能及時(shí)調(diào)整，便會(huì)造成所培養(yǎng)的學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)老化、適應(yīng)能力不強(qiáng)，將得不到市場(chǎng)的接受和認(rèn)可，更不能滿足具有新時(shí)代競(jìng)爭(zhēng)力的“新工科”人才的要求［9］.所以，在新工科建設(shè)大背景下，對(duì)于部分普通地方高校而言，數(shù)電課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革刻不容緩.

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的升級(jí)改造

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

傳統(tǒng)的數(shù)電課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖1 所示）基本上由DIP（雙列直插封裝）芯片插座和接線孔構(gòu)成，搭接電路復(fù)雜，不易排查故障.在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，容易造成學(xué)生專(zhuān)注于意義不大的繁瑣接線中，而非電路本身的原理和設(shè)計(jì).同時(shí)，這些中小規(guī)模的邏輯門(mén)芯片的數(shù)字電路設(shè)計(jì)目前已經(jīng)被淘汰，已在電子市場(chǎng)上很難買(mǎi)到.這種過(guò)時(shí)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅不能滿足現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的設(shè)計(jì)和發(fā)展需求，而且更難以達(dá)到當(dāng)前新工科建設(shè)背景下對(duì)數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新教學(xué)活動(dòng)的要求.

2.2 新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

目前市面上新的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅價(jià)格高，而且外設(shè)不多，功能不全，往往僅能夠滿足傳統(tǒng)數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，難以滿足綜合性、創(chuàng)新性項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求.因此，以現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)理念為指導(dǎo)，基于FPGA 對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了升級(jí)改造（設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示，實(shí)物照片如圖3所示）.新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在能夠進(jìn)行少量傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還能夠進(jìn)行綜合數(shù)字邏輯電路和片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并能通過(guò)擴(kuò)展豐富的外部接口完成高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)，從而滿足新型人才培養(yǎng)所需的靈活多樣的創(chuàng)新實(shí)踐需求.

由于傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法是現(xiàn)代數(shù)字電路的基礎(chǔ)，為使學(xué)生加深對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變的理解，同時(shí)也使該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)鹘y(tǒng)數(shù)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到一定的過(guò)渡和緩沖作用，所設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)保留了少量傳統(tǒng)的中小規(guī)模數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).新設(shè)計(jì)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備如下電路和模塊：

（1）傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K：a）7段數(shù)碼管3 個(gè)（其中2 個(gè)具有獨(dú)立的譯碼電路）；b）DIP芯片插座14、16腳各2個(gè)；c）提供1 Hz時(shí)鐘和單次手動(dòng)時(shí)鐘；d）12 路撥碼開(kāi)關(guān)輸入，并用發(fā)光二極管指示輸入高低電平；e）8路數(shù)據(jù)輸出并用接發(fā)光二極管指示輸出高低電平.

圖1 傳統(tǒng)數(shù)電課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 新型數(shù)電課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖

圖3 新型數(shù)電課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

（2）FPGA 的數(shù)字電路設(shè)計(jì)模塊：a）Altera Cyclone 系列FPGA 芯片EP1C6Q144T；b）FPGA 配置芯片、電源電路、24 MHz 時(shí)鐘；c）外部擴(kuò)展按鍵12個(gè)、7段數(shù)碼管3個(gè)；d）外部擴(kuò)展IO管腳16個(gè)，并有發(fā)光二極管指示；e）外部擴(kuò)展IO管腳80個(gè)，用排針引出（方便進(jìn)行創(chuàng)新活動(dòng)項(xiàng)目擴(kuò)展），方便為ADC、DAC等外圍電路提供接口.

在新平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，避免了從FPGA核心板直接引線作為輸入輸出，從而保證核心板能夠單獨(dú)使用，方便進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)；核心板與底板通過(guò)2 mm的排插相連，在底板上通過(guò)大的插孔與FPGA相連，方便學(xué)生接線；提供1 Hz時(shí)鐘和24 MHz的兩種單次時(shí)鐘，方便學(xué)生調(diào)試電路，觀察狀態(tài)，從而滿足不同需求；供電采用小功率5 V的便攜電源，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的所有電路都采用3.3 V供電，從而減小電路板的體積和質(zhì)量.相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）只需接少量用于輸入和輸出指示導(dǎo)線，數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)在核心板的FPGA中完成；2）能夠完成傳統(tǒng)74系列的數(shù)電實(shí)驗(yàn)，方便接插的接線孔，并用不同顏色區(qū)分插孔，方便學(xué)生接線，不易出錯(cuò)；3）FPGA的管腳通過(guò)底板引出，并在底板絲印層做了管腳標(biāo)記，方便管腳配置，而且接口采用標(biāo)準(zhǔn)的大號(hào)接線孔，既方便接線，又不會(huì)因?yàn)榉磸?fù)實(shí)驗(yàn)損壞FPGA核心板；4）提供豐富的時(shí)鐘，包括單次時(shí)鐘，1 Hz 時(shí)鐘，24 MHz 時(shí)鐘，方便時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)和測(cè)試；5）FPGA 核心板提供豐富的管腳，便于進(jìn)行開(kāi)放性擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，核心板也可單獨(dú)使用.6）采用本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和QuartusII軟件，學(xué)生可以高效地完成數(shù)字邏輯電路工程項(xiàng)目的軟硬件設(shè)計(jì).

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容調(diào)整和項(xiàng)目化教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

為了配合新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用，需要在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容以外，對(duì)學(xué)生進(jìn)行10學(xué)時(shí)的硬件描述語(yǔ)言和EDA軟件的理論教學(xué)：可編程邏輯器件的歷史、發(fā)展和基本知識(shí)為2學(xué)時(shí)，Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言語(yǔ)法為8學(xué)時(shí).Verilog HDL教學(xué)內(nèi)容包括：1）模塊，端口和基本描述方式，基本語(yǔ)法規(guī)則，算數(shù)和邏輯運(yùn)算符，運(yùn)算順序，關(guān)鍵字.2）用Verilog HDL描述組合邏輯電路：門(mén)級(jí)描述（簡(jiǎn)單）、信號(hào)流描述（簡(jiǎn)單）和行為描述（重點(diǎn)）；if，case語(yǔ)句的用法；編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器，現(xiàn)實(shí)譯碼器的行為描述.3）用Verilog HDL描述時(shí)序邏輯電路：賦值語(yǔ)句：阻塞和非阻塞賦值語(yǔ)句的應(yīng)用，狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì).另外需在新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成6個(gè)實(shí)驗(yàn)，共需18個(gè)學(xué)時(shí)，這6個(gè)實(shí)驗(yàn)分別是：1）邏輯門(mén)測(cè)試與SSI 設(shè)計(jì)（傳統(tǒng)74 系列）；2）中規(guī)模組合邏輯電路設(shè)計(jì)（傳統(tǒng)74 系列：數(shù)據(jù)選擇器和3-8 譯碼器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品等級(jí)指示電路、開(kāi)鎖報(bào)警電路）；3）Quartus Ⅱ軟件的使用：畫(huà)原理圖的方式（結(jié)合SSI 設(shè)計(jì)和3-8 譯碼器應(yīng)用設(shè)計(jì)）、硬件描述語(yǔ)言方式（結(jié)合SSI 設(shè)計(jì)和MSI 設(shè)計(jì)）、原理圖文件設(shè)計(jì)，編譯，管腳分配，下載；4）數(shù)據(jù)選擇器、顯示譯碼器的硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)（Verilog HDL）；5）移位寄存器和計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)（傳統(tǒng)74 系列+Verilog HDL）；6）555 定時(shí)器應(yīng)用（Verilog HDL）.圖4 和圖5分別是在新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)數(shù)器的硬件描述語(yǔ)言和Quartus Ⅱ軟件原理圖設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)例程.

圖4 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)

圖5 100進(jìn)制計(jì)數(shù)器混合設(shè)計(jì)原理圖

3.2 項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，將利用其逐漸開(kāi)展項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué).項(xiàng)目教學(xué)法是指將傳統(tǒng)的學(xué)科體系中的知識(shí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個(gè)貼近實(shí)際工程的教學(xué)項(xiàng)目，教學(xué)活動(dòng)圍繞項(xiàng)目組織和展開(kāi)的一種教學(xué)方法.具體而言，就是以完成項(xiàng)目的形式，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，由學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)的匯總、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目制作及最終評(píng)價(jià)［4，10］.

下面以一個(gè)成功開(kāi)展的搶答器項(xiàng)目為例，來(lái)說(shuō)明項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)施情況.表1是三人搶答器項(xiàng)目設(shè)計(jì)的示例說(shuō)明.搶答器在各類(lèi)競(jìng)賽性質(zhì)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，它消除了由于人眼的誤差而未能正確判斷最先搶答的人的情況.搶答器的原理如下：首先主持人設(shè)置一個(gè)搶答允許標(biāo)志位，目的就是為了允許或者禁止搶答者按按鈕；如果搶答允許位有效，那么第一個(gè)搶答者按下的按鈕就將其清除，同時(shí)記錄按鈕的序號(hào)，也就是對(duì)應(yīng)的按按鈕的人，這樣做的目的是為了禁止后面再有人按下按鈕的情況.搶答器的實(shí)現(xiàn)的核心就是在搶答允許位有效后，第一個(gè)按下按鈕的人將其清除以禁止再有按鈕按下，同時(shí)記錄清楚搶答允許位的按鈕的序號(hào)并顯示出來(lái).若采用傳統(tǒng)門(mén)電路方法，則需要較多的觸發(fā)器和繁瑣的電路連接.但是其邏輯十分清晰，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)特別容易理解，若采用FPGA 方式實(shí)現(xiàn)，則只需要理清楚搶答過(guò)程的邏輯關(guān)系即可方便采用case語(yǔ)句，if-else if語(yǔ)句，再加上適當(dāng)?shù)臉?biāo)記位即可完成具有實(shí)際應(yīng)用的搶答器產(chǎn)品.

表1 三人搶答器項(xiàng)目設(shè)計(jì)示例

教學(xué)目標(biāo)下達(dá)后，老師給學(xué)生講解搶答器的背景和設(shè)計(jì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，然后學(xué)生自行查找資料，給出設(shè)計(jì)方案和程序設(shè)計(jì).老師審核后，學(xué)生便可到實(shí)驗(yàn)室預(yù)約登記，最后到實(shí)驗(yàn)室完成仿真和下載驗(yàn)證.這種教學(xué)法可以提高學(xué)生對(duì)教學(xué)過(guò)程的參與度，讓學(xué)生有興趣去分析問(wèn)題，綜合和系統(tǒng)性地應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)去解決問(wèn)題，從而提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念［10，11］.特別是，項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中由于使用了EDA工具，學(xué)生可以直接看到項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)、連接和調(diào)試的過(guò)程與結(jié)果，不僅加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)的理解，還可以使其加深對(duì)現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的設(shè)計(jì)理念的理解.EDA工具還具有不受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備、經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地的限制的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生可利用其進(jìn)行自由探索學(xué)習(xí)，使得創(chuàng)造能力得到充分發(fā)展［11，12］.當(dāng)然，由于采用基于FPGA的新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，除了上述搶答器設(shè)計(jì)外，還可以根據(jù)學(xué)生掌握的實(shí)際情況進(jìn)行一些其它綜合性更強(qiáng)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，如：數(shù)字鐘，PWM波形發(fā)生器，脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)量等.

數(shù)字電路是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革是課程改革的重要部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力至關(guān)重要.項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，可應(yīng)用在數(shù)字電子技術(shù)課程的課帶實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及課外科技活動(dòng)的開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)之中.從授課后學(xué)生反饋的意見(jiàn)來(lái)看，大部分學(xué)生認(rèn)為項(xiàng)目教學(xué)可以提高他們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性、提升他們對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力，并且希望在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能加入更多的項(xiàng)目.近年來(lái)，中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院學(xué)生在全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽、智能車(chē)競(jìng)賽中，獲得了國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)20多項(xiàng)和省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)60多項(xiàng)，畢業(yè)生專(zhuān)業(yè)能力和綜合素質(zhì)也得到用人單位的肯定.這說(shuō)明基于新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的項(xiàng)目實(shí)踐對(duì)于提升學(xué)生綜合電子設(shè)計(jì)能力起到了很好的作用.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將DIP芯片插座和接線孔所構(gòu)成的傳統(tǒng)數(shù)電課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)升級(jí)改造為基于FPGA的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并調(diào)整相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)和內(nèi)容，逐漸將數(shù)電課程的教學(xué)方式從“學(xué)科導(dǎo)向”轉(zhuǎn)為“項(xiàng)目導(dǎo)向”，把學(xué)生的學(xué)習(xí)目的由“學(xué)以致考”變?yōu)椤皩W(xué)以致用”.學(xué)生可通過(guò)改造后的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成更為貼近現(xiàn)實(shí)工程世界的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，能夠?qū)W(xué)到的知識(shí)融會(huì)貫通，并提升自身專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工程技術(shù)的完備性和系統(tǒng)性，從而具備更好的適應(yīng)未來(lái)工作環(huán)境和技術(shù)發(fā)展變化的能力.相對(duì)傳統(tǒng)基于中小規(guī)模的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，基于新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生掌握了基于FPGA 的現(xiàn)代數(shù)字電子設(shè)計(jì)方法，并能夠進(jìn)行一些綜合性的設(shè)計(jì).但受學(xué)時(shí)的限制，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中的綜合設(shè)計(jì)還是偏少；且由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源有限，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要還是訓(xùn)練學(xué)生基本數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)能力及其FPGA實(shí)現(xiàn)，仍然難以開(kāi)展大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì).為加強(qiáng)學(xué)生的數(shù)字電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力，我們將持續(xù)進(jìn)行教學(xué)改革，爭(zhēng)取更多的教改項(xiàng)目支持，并進(jìn)一步加強(qiáng)課程項(xiàng)目實(shí)踐，設(shè)計(jì)包含AD/DA變換、多位數(shù)碼管、光電傳感器、溫度等傳感器等常用硬件資源的便攜式FPGA開(kāi)發(fā)板，并購(gòu)置下載調(diào)試器.課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可將便攜式開(kāi)發(fā)板直接提供給學(xué)有余力的同學(xué)，以便其開(kāi)展更完整和實(shí)用的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，比如：數(shù)字電壓表，數(shù)字頻率計(jì)，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)等.

基于新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的項(xiàng)目化教學(xué)方式與新工科建設(shè)的主要目標(biāo)，即培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的交叉復(fù)合型卓越工程科技人才相符合，從而可促進(jìn)新工科建設(shè)在普通高校數(shù)電課程的具體化落地.新工科的“新”可以是對(duì)傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的學(xué)科進(jìn)行轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)，包括對(duì)內(nèi)涵的拓展、培養(yǎng)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變或提高、培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新［1］.所以，此次數(shù)電課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索，對(duì)于地方普通高校如何在類(lèi)似課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推進(jìn)新工科建設(shè)的落地，具有一定的借鑒意義.