數字邏輯與系統設計類自主實驗教學模式研究

張洪杰 方愷晴 徐 成

摘 要：介紹自主實驗教學模式的特點和低成本便攜式實驗設備，說明“模塊化、預期學習成果”為導向的課程設置和3類典型實驗案例，分享考評體系建設經驗。指出自主實驗教學模式可以利用有限資金和設備深化實驗教學改革，具有推廣價值。

關鍵詞：自主實驗教學；數字邏輯與系統設計；便攜式實驗設備

0 引言

目前，為了適應計算機與電子信息技術“厚基礎、強能力和高素質”復合型人才培養目標要求，國內各高校的教學改革高度重視開放式實驗教學”。但是，實驗改革必然性與持續性投資不足的矛盾給國內高校帶來一些新問題，如教學內容不系統，教學模式缺少改革，教學資源欠充實等，學科教學計劃設置不合理，導致出現實踐課程超前于理論課的現象；另外還缺乏對自制實驗設備的改革與教學模式及評價體系的創新。

1 自主實驗教學模式

自主實驗教學模式是以案例開發為驅動，以便攜式實驗設備為載體，以學生為主體，鼓勵學生在實驗內容上進行自主創新，綜合教師引導、集中答疑，從知識、能力和素質3個方面進行全面考核評價。

1.1 優勢

開設自主實驗有利于培養學生創新思維和動手實驗能力，更能培養學生面對復雜實際問題的主動探索精神，因而得到學生由衷的接納與歡迎。

傳統計算機實驗室存在使用權限、電腦數量和操作系統限制的弊端。自主實驗教學模式符合計算機與電子信息類實驗室零臺式電腦建設要求，學生利用自備手提電腦和便攜式實驗設備完成實驗，減少了電腦設備更新單項資金的投入，彌補了實驗室空間和設備開放方面的短缺。

知識、能力和素質3個方面綜合考評體系，避免了傳統實驗以實驗報告和出勤為主的單一考核方式。

1.2 便攜式實驗設備構成

公司實驗設備往往針對研發人員設計，功能和操作較復雜，再加上技術相對落后、附加配件繁多、大包裝等盈利性因素，限制了學生實驗自制實驗設備是本科教學工作優秀學校評價的重要組成部分。為了促進實驗教學改革，實驗室應因地制宜地自制實驗設備。

在數字邏輯與系統設計類自主實驗教學中，指導學生課上課下相結合，積極開展自主實驗，主要采用3種便攜式設計驗證設備：①免費Quartus集成的波形編輯與仿真器；②自主設計的開源8位CPU模擬器；③自主知識產權的便捷式EDA系列實驗板。

2 教學辦法

2.1 課程設置

老師是主導，學生是主體。課堂上面對面答疑，老師引導學生完成實驗、驗收、測試3部分內容。課下，學生自主實驗教學項目或依興趣自行設計實驗方案解答問題。從學生認知過程和教師實驗教學開展兩方面人手，設置了數字邏輯與系統設計類實驗相關內容、課時、便攜設備、預期學習成果，如表1所示。設備序號分別對應1.2節中3種便攜式實驗設備。O代表各門課程適用模塊。√為各模塊訓練的預期學習效果。

老師開發自主實驗教學案例，精編涵蓋認知型、設計型和綜合型實驗的指導教材和完善的網絡課程資源。

明確專業學習目標，依據各項預期學習成果指導數字邏輯與系統設計類專業實驗課程、課程實驗、實習和創新訓練。

全程采用便攜式實驗設備以及可自由搭配的模塊化教學內容，完全滿足不同專業學生多層次自主學習要求，充分激發學生潛能，培養學生創新和實踐能力，提高學生綜合素質。

2.2 仿真驗證實驗

仿真驗證實驗專項訓練旨在培養學生分析和解釋數據的能力，識別、制定和解決工程問題的能力，進一步提高應用本專業數學、科學和工程知識的應用能力，應用本專業的技術、技能、現代工程所需工具的能力。實驗要求如下。

（l）理解仿真波形圖“完整、簡明”的基本原則和仿真常規步驟。

（2）掌握新建波形文件后的波形圖時間開銷基礎參數設置，理解Grid size與時鐘周期關系，End time與時間軸長度關系。

（3）熟悉信號節點添加后的位置調配。重新凋配信號位置應注意：激勵輸入與輸出信號上下放置；輸入信號可按“時鐘信號→異步控制→同步控制→數據輸入”順序向下放置；同一元器件或同一功能的控制信號就近放置。

（4）熟悉信號整合為總線Group形式。原本符合Group、同一器件和同一屬性的控制信號優先整合；脈沖信號不整合；整合前信號應按“高位_低位”順序向下放置；整合后信號名要能直觀反映該信號功能。

（5）理解并熟悉電路初始狀態激勵輸入和分段仿真方法。分段仿真方法是先完成初始電路，再將時間軸看成連續的時間段，一個時間段完成一步實驗內容。

2.3 CPU模擬器實驗

CPU模擬器實驗主要訓練學生系統開發的能力，即在現實約束下設計一個系統、組件或流程滿足期望的需求。

實驗依據微程序流程圖及CPU模擬器，編寫用戶調試程序進行功能驗證，必要時重寫CPU模擬器開源代碼以實現拓展指令。

（1）學習指令、微指令和微程序知識。

（2）理解微程序運行時微地址轉移邏輯涉及的異步清零、RAM寫、RAM讀、順序執行和判別測試字段P重新映射，設計微程序流程圖。

（3）分析用戶測試程序實例，認識指令碼和數據字節、復合運算編程方法、RAM程序存儲方式。

（4）掌握用戶測試程序時應用Hex文本編輯器編寫匯編代碼方法。

（5）掌握計數器PC、地址寄存器AR、存儲器MEM、指令碼OP、微地址M_ADDR與MNXT_ ADDR、寄存器R5、累加器DRI與DR2、單步執行模擬器使用方法，觀察地址及數據流進行微指令調試完成功能驗證。

2.4 綜合實驗

綜合實驗是培養學生綜合運用某一課程或多門課程的知識，對實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性、開發性實驗。綜合實驗培養學生專業能力、道德責任能力、創新能力、團隊合作能力以及溝通能力。

（l）綜合實驗l為圖文解說數碼管顯示電路實驗過程，了解FPGA工作原理與特性；熟悉并掌握軟硬件平臺的安裝及使用；掌握數字系統設計流程及圖形法、硬件語言描述法、層次設計法等設計方法；掌握圖形法的注意事項與畫圖技巧。

（2）綜合實驗2為各小組自主選題，掌握綜合運用前面所學狀態機、移位寄存器、計數器、按鍵消抖電路和數碼管顯示電路等模塊功能，要求學生分工協作，搜集資料確定選題，分析可行性形成開題報告，有效溝通進行分模塊設計與調試，最后完成答辯互評。

（3）綜合實驗3為通過圖形法或VHDL設計完成時序發生模塊、微程序控制器和顯示予模塊的集成與頂層例化模型機調試，從而形成芯片到系統的整體概念和軟硬聯合處理問題思維方式，實現初步的系統設計、工程實踐能力、創新過程思維和自我學習能力。

3 考評體系

傳統實驗考核主要指標有實驗預習、實驗紀律和實驗態度、實驗過程、實驗結果、實驗報告、期末考試成績等，即以平時成績為主的實踐性考核。

（l）實驗日志體現學生實際實驗情況，是學生獨立實驗的一項重要證明。實驗報告分項計分要求：實驗原理說明10分；波形圖參數設置合理10分；波形圖信號設置合理10分；波形圖中操作標注說明10分；仿真驗證結論10分；操作步驟數據記錄完整10分；管腳分配及硬件驗證結論10分；實驗日志30分。實驗日志由淺人深逐條記錄實驗過程中的問題及解決方法、習題解答、難點引申與信息檢索、經驗總結。

（2）綜合實驗小組投票互評。老師組織各項目小組參加成果展示，學生自行按流程主持、唱票和計票。小組每位成員均需匯報個人工作和項目可借鑒意見。每組不記名投票、不重復投票，最后以票數及意見評等級。

（3）數字系統設計基本技能測試細分為多次，要求人人過關。該測試對實驗過程需截圖并說明，考查范圍為：原理部分20分，如Symbolfile端口功能描述、RTL viewer子模塊功能描述和Hierarchy分層說明；輸入部分20分，含工程創建（工程名、路徑名和目標器件）、新建文件類型（BDF、VHD及VWF）、MIF文件（字、數制和內容）和State Machine File（reset控制信號與Action輸出）；編譯部分10分，為正確結果報告或錯誤警告說明；仿真部分50分，包括功能仿真網表、Simulator設置波形文件、初始化波形文件（參數、信號與時鐘）、仿真結果分析與結論。

4 結語

長期以來，我校教研室通過開展低成本便捷式實驗設備為主的自主實驗教學模式，為數字邏輯與系統設計類課程教學奠定了堅定實驗基礎。便攜式EDA系列實驗板在全學院得到廣泛應用，成為學院課程教學實踐、大學生創新訓練和畢業設計環節中基本使用設備。這種自主實驗教學模式可進一步推廣至單片機類、嵌入式系統類、物聯網類、智能控制類方向。