吳蘇 馬知遠(yuǎn) 周達(dá)華

[摘 要]從數(shù)字電路課程存在的問題出發(fā)，基于新技術(shù)、新方法，提出一種基于口袋實(shí)驗(yàn)室的“即學(xué)即現(xiàn)”式課堂教學(xué)新模式。圍繞現(xiàn)代數(shù)字電路的設(shè)計(jì)思路，把 FPGA 引入隨課實(shí)驗(yàn)，在理論教學(xué)的同時(shí)即時(shí)展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示效果，學(xué)生課后也可以與理論學(xué)習(xí)同步動(dòng)手實(shí)踐，較好地解決了理論和現(xiàn)實(shí)脫節(jié)的矛盾。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)改革;數(shù)字電路;口袋實(shí)驗(yàn)室

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）09-0102-03

引言

電子技術(shù)系列課程作為電子工程學(xué)科基礎(chǔ)必修課，注重培養(yǎng)學(xué)員的電路分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力 ，是電子工程學(xué)院學(xué)員在大學(xué)實(shí)現(xiàn)從理論分析模式轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用模式轉(zhuǎn)變的重要課程。因此，該課程教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)在人才培養(yǎng)體系中發(fā)揮著極其重要的作用。當(dāng)今這個(gè)信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，對(duì)人才實(shí)踐創(chuàng)新能力的要求逐漸提高，如何優(yōu)化有利于學(xué)生創(chuàng)新能力提升的教學(xué)模式，一直是高等教育的重要課題。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字電路需要具有高速處理數(shù)據(jù)和高速計(jì)算的性能，而傳統(tǒng)數(shù)字電路教學(xué)仍然以講授中小規(guī)模電路為主，這就使得高校電子技術(shù)課程教學(xué)與實(shí)際工程應(yīng)用之間出現(xiàn)了“鴻溝”，難以滿足學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)乃至工作實(shí)踐的需求。以口袋實(shí)驗(yàn)室為手段，以實(shí)踐教學(xué)為主線，推動(dòng)課程教學(xué)模式的改革，構(gòu)建學(xué)員正式學(xué)習(xí)空間和非正式學(xué)習(xí)空間，完善和優(yōu)化課程創(chuàng)新實(shí)踐改革，形成總體效益 ，對(duì)人才培養(yǎng)有著重大的理論意義和實(shí)踐意義[1]。

國外很多著名高校不斷跟進(jìn)數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展?？诖虵PGA開發(fā)板具有方便攜帶、成本低等優(yōu)勢(shì)，因此開展以口袋實(shí)驗(yàn)室為數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程改革的主體思路， 對(duì)學(xué)員的工程實(shí)踐能力及信息化素質(zhì)提出了新的要求——具備運(yùn)用EDA技術(shù)分析、設(shè)計(jì)電路的能力，要在相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)方案中體現(xiàn)這種能力的培養(yǎng)要求。

一、主要問題

（一）理論知識(shí)經(jīng)典，但理論與實(shí)踐聯(lián)系不緊密

數(shù)字電路課程仍然以門電路和中小規(guī)模電路為主，主要還是源于這門課程的定位，畢竟再復(fù)雜的電路到了底層還是要用門電路來實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)掌握不扎實(shí)就難以設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的電路。如何讓學(xué)生在掌握數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)又清楚地掌握這些知識(shí)在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用是數(shù)字電路課程教學(xué)必須解決的問題。

（二）實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)有限，學(xué)員創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)

課程實(shí)驗(yàn)包含驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生上課通常按圖接線，然后測(cè)試，記錄。首先，大部分時(shí)間耗費(fèi)在煩瑣的連線上，學(xué)生獨(dú)立思考自主設(shè)計(jì)的時(shí)間不足，無法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。其次，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中一旦出現(xiàn)問題，不知如何查找產(chǎn)生問題的真正原因，只是將整個(gè)線路拆掉，重新按圖連線，更談不上創(chuàng)新意識(shí)和能力的培養(yǎng)。再次，實(shí)驗(yàn)班次規(guī)模較小，需要開課較多，實(shí)驗(yàn)室難以滿足需求。

（三）考核評(píng)價(jià)方式單一，教學(xué)效果不理想

傳統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)方式是以結(jié)果為導(dǎo)向：把教師掌握的現(xiàn)成知識(shí)、技能傳遞給學(xué)生，或者讓學(xué)生簡單地按照教師的安排和講授去得到一個(gè)結(jié)果。這就容易導(dǎo)致教學(xué)中出現(xiàn)兩大問題：一是學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性差，學(xué)習(xí)效率低下。二是學(xué)生能力得不到提高。教師將大部分工作完成后，學(xué)生依樣畫葫蘆，不能對(duì)知識(shí)進(jìn)行重新組合、融會(huì)貫通，無法將知識(shí)內(nèi)化成分析問題和解決問題的能力。

二、主要思路

我們針對(duì)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的問題，提出一種基于口袋實(shí)驗(yàn)室的“即學(xué)即現(xiàn)”式課堂教學(xué)新模式，即基于FPGA最小系統(tǒng)開發(fā)板和電腦，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)帶進(jìn)課堂，在理論教學(xué)中即時(shí)展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示效果，讓學(xué)生可以第一時(shí)間與理論學(xué)習(xí)同步自行動(dòng)手實(shí)踐，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

我們重新設(shè)計(jì)了數(shù)字電路課程的教學(xué)體系，增加了基于FPGA開發(fā)板的隨課實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)教學(xué)過程中，通過實(shí)驗(yàn)鞏固教學(xué)內(nèi)容，熟悉現(xiàn)代技術(shù)，構(gòu)建正式學(xué)習(xí)空間和非正式學(xué)習(xí)空間，突出理實(shí)一體的教學(xué)方法，重點(diǎn)激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的內(nèi)在興趣和動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)員主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣，采用課外學(xué)習(xí)、課堂研討、課堂翻轉(zhuǎn)、協(xié)作學(xué)習(xí)、案例引入等方式方法，加強(qiáng)師生、生生的深層次互動(dòng)，同時(shí)完善考核評(píng)價(jià)體系，采用全過程考核，促進(jìn)學(xué)員腳踏實(shí)地、求真務(wù)實(shí)地學(xué)習(xí)。

三、主要措施

（一）引入隨課實(shí)驗(yàn)，將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合[2]

數(shù)字電路作為數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)課，雖然在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)中可能看不到小規(guī)模門電路，但無論多么復(fù)雜的電路，歸根到底還是用邏輯門來實(shí)現(xiàn)，所以基礎(chǔ)知識(shí)還是要講， 但可以換一種思路、換一個(gè)方法去講。筆者基于一款口袋型FPGA開發(fā)板的隨課實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，將數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相融合，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

由于FPGA 開發(fā)板具有便攜性，學(xué)生不需要依賴于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，他們提前借用實(shí)驗(yàn)室最小系統(tǒng)開發(fā)板和相關(guān)傳感器控制器模塊，通過杜邦線連接，在宿舍、食堂、教室、操場，甚至任何一個(gè)可以工作和學(xué)習(xí)的地方，隨時(shí)隨地完成課內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，做創(chuàng)新項(xiàng)目開發(fā)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等?？诖鼘?shí)驗(yàn)的教學(xué)模式拓寬了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、空間概念，既滿足了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求又給他們自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間留有余地，較好地解決了由實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加而規(guī)定學(xué)時(shí)減少帶來的矛盾。利用好MOOC、微課等課程資源，有利于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，也有利于學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，是一個(gè)真正意義上的全開放的共享課[3]。

（二）重新規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，建立理論與實(shí)踐結(jié)合的數(shù)字電路教學(xué)體系

1.重構(gòu)理論教學(xué)內(nèi)容

目前各高校的數(shù)字電路課程大都開設(shè)在大二學(xué)年，教學(xué)內(nèi)容主要包括數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、脈沖單元電路、可編程邏輯器件。從知識(shí)體系上講，可編程邏輯器件和 Verilog 語言等內(nèi)容是放在課程后面的章節(jié)，排在時(shí)序邏輯電路之后。但在實(shí)際教學(xué)中，通過開展“項(xiàng)目導(dǎo)向式教學(xué)”，以各章的實(shí)例逐步將 Verilog 語法引入，初期學(xué)生并不需要知道 FPGA 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需理解它是一個(gè)載體即可，將主要學(xué)習(xí)精力放在用 FPGA 驗(yàn)證門電路的邏輯關(guān)系[4]。

2.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行教學(xué)模式改革的同時(shí)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)，以學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律為主線，合理安排分類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)置滿足不同能力要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)互為補(bǔ)充、能力逐步提升的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系 ，如圖2所示。其中入門實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)為數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求所有學(xué)習(xí)本門課程的學(xué)員完成;而創(chuàng)新實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)意為創(chuàng)新型、研究型實(shí)踐環(huán)節(jié)，則通過開展電子科技創(chuàng)新月和各類電子學(xué)科競賽等創(chuàng)新類實(shí)踐活動(dòng)為牽引，選拔學(xué)有余力的學(xué)生參加，進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

其中與理論課配套的隨課實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體實(shí)施如表1所示。通過入門實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力進(jìn)行逐級(jí)培養(yǎng)?；诳诖?FPGA 開發(fā)板，編程語言采用 Verilog，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并定期組織驗(yàn)收和討論。

第一階段：入門實(shí)驗(yàn)——初識(shí) FPGA。 通過發(fā)放 FPGA 開發(fā)板， 安裝 Quartus Prime 開發(fā)環(huán)境 ，創(chuàng)建第一個(gè)工程。工程項(xiàng)目逐步安排板載資源、 板載 LED 顯示、板載七段數(shù)碼管顯示、板載按鍵和撥碼開關(guān)的使用。其實(shí)，依靠 FPGA 強(qiáng)大的仿真工具，完全可以不需要這些按鍵和 LED，但對(duì)于初學(xué)者和數(shù)字電路教學(xué)而言，可以用這些板載資源將邏輯電路的結(jié)果以更直觀的形式呈現(xiàn)出來，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生開始自學(xué) Verilog 語言。

第二階段：基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 。從講授組合邏輯電路開始，在課堂中將一些典型電路引入 Verilog 描述，并通過實(shí)例講解 Verilog 語法。例如全加器會(huì)給出多種 Verilog 實(shí)現(xiàn)方式，并在實(shí)驗(yàn)中邀請(qǐng)學(xué)生查看在 FPGA 中綜合出來的電路形式，通過仿真檢查輸入和輸出的波形關(guān)系，最終用撥碼開關(guān)模擬兩個(gè)加數(shù)和低位來的進(jìn)位，用兩個(gè)LED 燈顯示相加的和以及往高位的進(jìn)位。

第三階段：綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。教師通過一個(gè)實(shí)際的項(xiàng)目牽引，學(xué)員采用分組合作的模式完成綜合實(shí)驗(yàn)。從資料查找、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、聯(lián)合調(diào)試、總結(jié)報(bào)告、作品展示和交流等過程引導(dǎo)學(xué)員，使他們具備復(fù)雜工程設(shè)計(jì)的能力[5]。

四、實(shí)行全過程考核，完善綜合考評(píng)機(jī)制

創(chuàng)新完善全程能力考核評(píng)價(jià)和個(gè)性化教學(xué)策略優(yōu)化的方式方法，實(shí)現(xiàn)由單一考知識(shí)向知識(shí)能力考查并重轉(zhuǎn)變，探索出能力考核、分類評(píng)價(jià)和個(gè)性化教學(xué)的新路子。采用理論知識(shí)按階段隨堂考，實(shí)踐能力貫穿全程跟蹤考，綜合素質(zhì)以綜合實(shí)踐項(xiàng)目全面考，上述三部分有機(jī)結(jié)合構(gòu)成學(xué)員總評(píng)成績。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)分析各環(huán)節(jié)結(jié)果建立“內(nèi)反饋”，不斷優(yōu)化教學(xué)策略和教學(xué)過程，實(shí)施個(gè)性化教學(xué)，跟蹤后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)情況，通過與教師同行溝通交流等渠道建立“外反饋”，持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)教學(xué)方案，形成基于課程體系的質(zhì)量持續(xù)提升機(jī)制。

五、結(jié)束語

教學(xué)過程以學(xué)生為主體，使學(xué)生從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，利用口袋實(shí)驗(yàn)室可隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，分層次分階段開展實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力和解決問題的能力，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)奠定基礎(chǔ)，逐步激發(fā)學(xué)生的探索心理與創(chuàng)新意識(shí)。課題組近三年指導(dǎo)的學(xué)生在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、中國研究生電子設(shè)計(jì)競賽、全國大學(xué)生智能互聯(lián)創(chuàng)新大賽、中國高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽中獲全國一等獎(jiǎng)12項(xiàng)、二等獎(jiǎng)20項(xiàng)，在中國大學(xué)生互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲湖北省金獎(jiǎng)1項(xiàng)、銀獎(jiǎng)2項(xiàng)，教學(xué)改革初見成效。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 漆強(qiáng)，劉爽.基于嵌入式系統(tǒng)的“口袋實(shí)驗(yàn)室”設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（12）：97-102.

[2] 孫文生.將理論與實(shí)踐相融合的“數(shù)字電路”課程改革探索：引入基于口袋型FPGA開發(fā)板的隨堂實(shí)驗(yàn)[J].工業(yè)和信息化教育，2018（6）：109-111.

[3] 董介春，于瑞濤，衛(wèi)成兵.口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017（3）：133-135+147.

[4] 榮海林，姚福安.基于MyDAQ的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”口袋實(shí)驗(yàn)室開發(fā)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017（6）：133-137.

[5] 劉艷，秦昌明.“口袋”實(shí)驗(yàn)室在物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（8）：212-225.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]