周 蕓，張濟(jì)淵

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是高校的重要基礎(chǔ)課程之一，該課程體現(xiàn)了課程體系中兼具基礎(chǔ)理論性與科學(xué)實(shí)踐應(yīng)用性的綜合特點(diǎn)，因此，如何將理論知識(shí)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合，在鞏固理論的同時(shí)，給學(xué)生提供獨(dú)立的設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)以致用，提高獨(dú)立思考、自主設(shè)計(jì)和獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的綜合學(xué)習(xí)能力是我們一直追尋探索的。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，借助于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或EDA(Electronics Design Automation)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的多模式全方位的線上線下教學(xué)模式，增強(qiáng)了構(gòu)建電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)創(chuàng)新性和實(shí)踐性，使學(xué)生在正確地、完善地、多角度地教學(xué)指導(dǎo)下，提升自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力。

伴隨著電子技術(shù)理論課程教學(xué)的開(kāi)展，與其密切關(guān)聯(lián)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程則更加注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和工程素質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)是目前主流的實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展方式，這種模式的建設(shè)也是各高校資金和人力投入較大的學(xué)科建設(shè)領(lǐng)域。但實(shí)際情況是，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)會(huì)受到空間、時(shí)間和器件材料等問(wèn)題限制[1]，尤其就疫情期間課程開(kāi)展的情況來(lái)看，當(dāng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法正常開(kāi)展時(shí)，學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)興趣減弱，而且理論與實(shí)踐不能有機(jī)結(jié)合，學(xué)習(xí)效果也會(huì)打折扣。目前對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方面的改革主要有以下幾種方式：改革教學(xué)方法，如課堂教學(xué)中強(qiáng)化師生互動(dòng)、翻轉(zhuǎn)課堂及改進(jìn)課件版面設(shè)計(jì)及動(dòng)畫的運(yùn)用[2]；通過(guò)創(chuàng)新考核評(píng)價(jià)方式、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)提升課堂教學(xué)的整體效果[3，4]；結(jié)合電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)理論課程的深入探究[5]；引入電子電路仿真軟件，將電子技術(shù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)移植到PC機(jī)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)[6-8]等。

作為一門可以從基礎(chǔ)出發(fā)，并結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)開(kāi)展深入探索的課程，提升電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果，主要從以下兩個(gè)角度出發(fā)：一是如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；二是結(jié)合目前可行的實(shí)際情況，創(chuàng)造多角度多渠道的模式，將理論和實(shí)踐結(jié)合更加緊密。因此，如何有效地開(kāi)展線上線下實(shí)驗(yàn)結(jié)合教學(xué)新模式，綜合運(yùn)用各種信息化手段開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，借用各種平臺(tái)，讓學(xué)生在盡可能掌握現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，又能將基礎(chǔ)知識(shí)掌握，最重要的是解決線下實(shí)驗(yàn)課程對(duì)時(shí)間、場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)條件依賴的問(wèn)題，是需要教學(xué)改革探索的重要環(huán)節(jié)。另一方面，雖然現(xiàn)代數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，很少直接應(yīng)用中小規(guī)模門電路，但是，盡管如何復(fù)雜精密的電路其底層還是邏輯門電路，單純依靠仿真軟件越過(guò)基礎(chǔ)門電路的搭建實(shí)驗(yàn)，顯然不利于電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的夯實(shí)。EDA作為現(xiàn)階段主流數(shù)字邏輯電路的仿真平臺(tái)，也需要加入電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中。在保留基礎(chǔ)門電路實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，將EDA引入電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以改變以往僵硬的理論教學(xué)加實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的教學(xué)模式，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生采取項(xiàng)目管理模式，將理論內(nèi)容承載在單一項(xiàng)目中，可以在線上進(jìn)行初步探索性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，線下進(jìn)行實(shí)際門電路的搭建，同時(shí)將軟件編程仿真貫穿其中，既針對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有層次遞進(jìn)的認(rèn)知過(guò)程，又能實(shí)現(xiàn)線上線下靈活開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)編程仿真綜合實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)融入其中。尤其針對(duì)復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)，可以通過(guò)多種手段、多種途徑理解并實(shí)踐，從而可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和興趣。因此，在針對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐在線可操作性多次研討的基礎(chǔ)上，以本次教學(xué)實(shí)踐的一個(gè)案例為例，來(lái)說(shuō)明如何針對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行線上線下教學(xué)多元化課程建設(shè)的研究探索。

1 實(shí)驗(yàn)案例

本次案例的內(nèi)容是應(yīng)用JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)五進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器是一種廣泛應(yīng)用的電路，在數(shù)字系統(tǒng)的控制、運(yùn)算以及分頻等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。計(jì)數(shù)器實(shí)際上是對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每到來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖觸發(fā)沿，計(jì)數(shù)器改變一次狀態(tài)。在每個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)輸出編碼值加1，每經(jīng)過(guò)五個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)器完成一個(gè)計(jì)數(shù)周期，共有五個(gè)狀態(tài)。以下是根據(jù)理論學(xué)習(xí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的完整過(guò)程。

首先建立原始狀態(tài)圖：

根據(jù)要求，首先建立原始狀態(tài)圖，如圖1所示。

圖1 原始狀態(tài)圖

狀態(tài)化簡(jiǎn)：目前已經(jīng)最簡(jiǎn)，已經(jīng)是二進(jìn)制狀態(tài)，因需用三位二進(jìn)制代碼，選用三個(gè)CP下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器，分別用FF0、FF1、FF2表示。由于要求采用同步方案，故時(shí)鐘方程如式1-1所示。

CP0=CP1=CP2=CP

(1-1)

確定激勵(lì)方程組和輸出方程組：

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表及激勵(lì)信號(hào)

畫卡諾圖，如圖2所示。

圖2 卡諾圖

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方程組，完成邏輯電路圖設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 邏輯圖

2 四種教學(xué)模式

由上述理論過(guò)程可知，根據(jù)設(shè)計(jì)步驟，可以得到所需要的邏輯電路圖。在理論課基礎(chǔ)上，希望通過(guò)多種方式給學(xué)生提供理解并實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的實(shí)踐方案，在五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)的理論知識(shí)更進(jìn)一步的了解和體驗(yàn)。我們采用了以下幾種模式進(jìn)行實(shí)踐探索，分別是基于東南在線平臺(tái)的線上平臺(tái)仿真、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱、基于VHDL語(yǔ)言的線上仿真和基于EDA實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的線下實(shí)驗(yàn)。

(1)線上仿真

2020年春季學(xué)期，由于疫情影響，電子技術(shù)課程轉(zhuǎn)為線上課程，同時(shí)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程也轉(zhuǎn)為線上課程，為了保障學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，減少疫情對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，東南大學(xué)開(kāi)通了“東南在線實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)，為全國(guó)高校免費(fèi)提供電工電子基礎(chǔ)課程在線實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在家庭、圖書(shū)館等任何地點(diǎn)調(diào)用在線資源，應(yīng)用這種前所未有的學(xué)習(xí)模式開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)課，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性，同時(shí)將理論與實(shí)踐統(tǒng)一結(jié)合，擴(kuò)展了學(xué)生自主探索與研究的新途徑。根據(jù)五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的題目要求，理論分析設(shè)計(jì)出如圖3所示的邏輯圖之后，需在在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源庫(kù)挑選合適的集成芯片，按照設(shè)計(jì)的邏輯圖完成連線，并完成數(shù)據(jù)的測(cè)試，東南在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器如圖4所示。

圖4 東南在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器

在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)相似，但更直觀清晰，還有計(jì)時(shí)設(shè)備，操作方便。從我們春季學(xué)期的實(shí)踐效果來(lái)看，學(xué)生整體運(yùn)用情況良好，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)箱配備有計(jì)時(shí)功能，通過(guò)學(xué)生上交的報(bào)告可以看到大家整體完成時(shí)間相似，同學(xué)反饋體驗(yàn)感較好。

(2)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱測(cè)試

線下的實(shí)驗(yàn)多采用數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱完成，如圖5所示。本次實(shí)驗(yàn)采用的是清華大學(xué)科教儀器廠的TPE-D3A數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱。按照理論設(shè)計(jì)的邏輯圖，連接電路，分別用三個(gè)發(fā)光二極管表示三位輸出，另外一個(gè)二極管表示進(jìn)位位。仔細(xì)連接好電路，尤其注意在應(yīng)用74LS112芯片用于計(jì)數(shù)器時(shí)，為了保證計(jì)數(shù)器的正常運(yùn)行，芯片的CLR(置零端)和PRE(置一端)要連接到高電平。通過(guò)調(diào)整JK輸入端的輸入邏輯，讀出相應(yīng)的四位輸出，得到的真值表同表1。

圖5 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器

(3)軟件編程

隨著電子信息和通信領(lǐng)域科技的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)即EDA已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，而實(shí)際工作中，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越依賴EDA工具的支持，因此，把EDA技術(shù)引入到電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中，一方面擴(kuò)展了學(xué)生的視野和知識(shí)面，另一方面適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)生以后就業(yè)工作打好基礎(chǔ)。

這部分的學(xué)習(xí)可分為兩個(gè)模式，線上軟件編程仿真實(shí)驗(yàn)和基于EDA實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的線下實(shí)驗(yàn)。

QuartusⅡ是Altera公司推出的新一代開(kāi)發(fā)軟件，適合于大規(guī)模邏輯電路設(shè)計(jì)。QuartusⅡ支持多種編輯輸入法，包括圖形編輯輸入法，VHDL、VerilogHDL和AHDL的文本編輯輸入法，符號(hào)編輯輸入法，以及內(nèi)存編輯輸入法。本次案例采用的是VHDL語(yǔ)言編寫程序，并應(yīng)用平臺(tái)的在線仿真功能對(duì)五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯進(jìn)行編程仿真。從圖6可以觀察到，隨著脈沖的輸入，完成了輸出從“000”狀態(tài)到“100”狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)位輸出，再重新循環(huán)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

(4)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)測(cè)試

在線仿真后，將程序下載到EDA實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，進(jìn)行連線演示及數(shù)據(jù)驗(yàn)證。圖7為EDA實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。程序下載到CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)芯片中，其型號(hào)為EP1K30TC144-3。通過(guò)程序引腳鎖定，從圖7中可以看到：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只需要連接輸入脈沖、三個(gè)輸出和一個(gè)進(jìn)位位三根導(dǎo)線即可，連線明顯少于前兩種模式，并可動(dòng)態(tài)展現(xiàn)五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的五個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)。

圖6 線上仿真實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器

圖7 EDA實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)啟發(fā)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，以上四種模式都可得到五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，理論都可以得到驗(yàn)證，但是這四種方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：第一種模式不受場(chǎng)地、時(shí)間限制，特別適合作為疫情期間上課的模式，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)后自行鞏固學(xué)習(xí)效果或進(jìn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)之前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備使用；第二種是學(xué)校目前應(yīng)用最普及的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式，學(xué)生一方面鍛煉了動(dòng)手能力，另一方面由于面對(duì)實(shí)際門電路的搭建，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)知和理解會(huì)非常直接，同時(shí)非常清晰的觀察設(shè)計(jì)結(jié)果；第三種和第四種使用計(jì)算機(jī)編程分別以在線仿真和EDA實(shí)訓(xùn)平臺(tái)兩種方式展現(xiàn)，前提都是學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言。第三種可以線上仿真，得到輸出波形圖，便于學(xué)生觀察整體輸出狀態(tài)，簡(jiǎn)潔明了。第四種需要線下EDA實(shí)訓(xùn)平臺(tái)連線，類似于第二種與第三種的結(jié)合，通過(guò)將軟件編程運(yùn)用到中規(guī)模計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中來(lái)，鞏固之前所學(xué)相關(guān)理論知識(shí)。以上四種模式，分別屬于線上線下實(shí)驗(yàn)、門電路搭建和編程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，全面完整地再現(xiàn)了理論設(shè)計(jì)的過(guò)程和結(jié)論，且直觀地反映出設(shè)計(jì)的對(duì)錯(cuò)。因此，如果在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，配合多種實(shí)驗(yàn)實(shí)踐模式，多手段多途徑進(jìn)行實(shí)踐、驗(yàn)證，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)效果及擴(kuò)展知識(shí)體系大有裨益。在實(shí)際課程開(kāi)展過(guò)程中，可將第一種模式作為實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)課之前完成。第二種模式作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。第三種模式作為編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)和實(shí)踐過(guò)程，可在實(shí)驗(yàn)課程之外的時(shí)間完成。第四種模式可作為學(xué)有余力的同學(xué)對(duì)電子技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)有深層次的探索需求，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)學(xué)習(xí)的選擇。最后為了鞏固實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)成果，可要求學(xué)生撰寫基于三種或四種模式的綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過(guò)報(bào)告的撰寫過(guò)程，回顧整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的參與感，感受模式一底層搭建與模式三、模式四頂層設(shè)計(jì)的區(qū)別。四種模式交融結(jié)合，可全面地考查學(xué)生對(duì)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐過(guò)程的掌握程度，同時(shí)提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考

通過(guò)以上的教學(xué)實(shí)踐的案例，有以下教學(xué)思考：

(1)理論知識(shí)體系的重要性。在理論學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生只有對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的過(guò)程重視，并沒(méi)有注重處理實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到理論指導(dǎo)實(shí)踐這句話的真諦。通過(guò)線上線下實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生才能夠直觀感受到實(shí)踐中理論知識(shí)的指導(dǎo)作用，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和仿真現(xiàn)象反饋回到理論學(xué)習(xí)中，形成良好的閉環(huán)，互相促進(jìn)，互相驗(yàn)證。

(2)軟件編程的引入是大勢(shì)所趨，將EDA引入電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程具有實(shí)際意義，使得抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容直觀化，教學(xué)概念的表達(dá)清晰化。采取多模式教學(xué)，可使得學(xué)生體驗(yàn)底層搭建和頂層設(shè)計(jì)的應(yīng)用區(qū)別，并著重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)：既要重視基礎(chǔ)，又要學(xué)會(huì)頂層設(shè)計(jì)思路，把握電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

(3)傳統(tǒng)的理論與實(shí)踐結(jié)合屬于一刀切模式，所有學(xué)生要遵循統(tǒng)一的學(xué)習(xí)要求和課程進(jìn)度，教師不能兼顧到每一個(gè)學(xué)生，也無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的差異化，更無(wú)法兼顧學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行縱向延伸式地學(xué)習(xí)。而所有以上的問(wèn)題，是需要我們采取更多的方式去修正和解決，促使我們要考慮多模式的探索。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從教學(xué)角度以電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中的計(jì)數(shù)器為例，分析了五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的理論設(shè)計(jì)過(guò)程，討論了四種模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法和過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，研究了四種模式的取舍和應(yīng)用環(huán)境，并提出了基于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思考。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課后延伸學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中引入編程實(shí)踐，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)電子技術(shù)理論知識(shí)的理解，也鍛煉了學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代編程軟件的實(shí)踐能力，同時(shí)兼顧各種層次的學(xué)生，對(duì)自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力提升起到積極有效的促進(jìn)作用，也為電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)這門課程線上線下多元化的教學(xué)模式做出了有益的探索。