基于工程實踐能力培養的數字電路實驗教學改革

黃沛昱+應俊+羅一靜

摘要：為培養具備工程實踐能力的創新型人才，改革數字電路實驗課程，我們構建了3個層次的教學體系，改革傳統經典實驗項目，引入EDA技術，同時實現跨課程知識的融合。自制簡易數字電路實驗板、芯片測試儀和FPGA硬件開發平臺，便捷高效、易于擴展，較好地支撐了實踐教學。

關鍵詞：數字電路；實驗教學層次；工程教育；硬件環境

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）31-0250-03

全球科技的高速發展，對工程師提出了更新、更高的要求，工程教育改革已成為不可回避的重要課題。高等學校要培養創新人才，其重點在于加強工程實踐能力的培養，能夠切實提升學生解決實際問題的能力，進而關注創新能力、團隊協作能力等其他能力，為學生的進一步學習或就業打下堅實的基礎。

數字電路課程是高等教育工科的一門重要的必修專業基礎課，具有很強的實踐性[1]。本文以數字電路實驗改革為例，探討了基于工程實踐能力培養的改革，構建了數字系統實驗教學平臺，精心設計教學內容。經驗證，改革在培養學生的專業技能、工程系統能力、創新能力、團隊協作能力等方面取得了良好的教學效果。

一、存在的問題

重慶郵電大學是一所以工科為主的高等院校，通信和電子是學校的特色和長處。目前，幾乎全校大多數專業都開設有數字電路實驗課程。該實驗課程單獨設課，獨立學分，所處地位十分重要。改革前主要存在以下幾個問題：

1.電工電子類相關課程各自形成比較完整但相對封閉的知識體系，課程之間的銜接和聯系并不十分緊密，采用的理論體系和分析設計方法也各不相同。相比于國外高校，以美國著名麻省理工學院所開設的電路課程《電路與電子學》為例，該課程不僅包含電路課程的主要內容，還包含我國課程體系中的“模擬電路”和“數字電路”的內容，強調課程知識體系的完整性和系統性，教學內容涵蓋面廣；強調電路理論—電子學—數字系統的有機聯系，提供一個寬口徑的電路與電子學的公共基礎課程，且非常強調電路在相關領域的實際應用和發展。

2.教學內容仍以驗證性傳統實驗為主，如：各芯片功能驗證實驗、脈沖電路的產生實驗等，只需要按照經典電路圖搭建即可，設計內容較少。即使有部分設計性實驗內容，如：任意模值計數器的設計、移位寄存器的設計等，也只是停留在利用芯片基本功能進行簡單設計，對理論內容加以驗證的基礎上。

教學內容中，很少涉及到模擬電路、傳感器、可編程邏輯器件、單片機等方面內容的綜合性設計實驗。實驗課程大多是2-3學時的相互孤立的項目，任務要求統一有余，對知識的深度和廣度層次少有梯度，因材施教不足，實驗沒有深入與升華的時空條件[2]。

3.實驗形式仍采用傳統的74系列芯片，在面包板上搭建電路，利用數字電路實驗箱提供的邏輯高低電平和發光二級管、數碼管等分別作為輸入信號以及輸出顯示來完成實驗內容。采用分立器件、面包板加實驗箱的傳統實驗形式，一方面由于實驗箱的硬件資源的限制使得實驗內容受到了限制，不能完成某些綜合性設計實驗；另一方面則完全沒有體現現代電子設計技術。

4.由于數字電路實驗課程面向全校開設，每學期選課人數均在千人以上。人數過多，導致實驗箱、芯片常常會因為同學們的使用不當，損耗嚴重。特別由于芯片種類多、數量大（10多類芯片，每類幾百、上千片），對芯片采用功能測試的方法進行好壞驗證費時費力、不切實際。

二、數字系統實驗教學平臺的構建

數字電路實驗課程的應用性、工程性強，技術更新、發展快，容易形成教學滯后于技術進步的局面，因此我們提出了如下數字電路實驗教學改革的思路：塑造合理的數字電路實驗教學層次，改變現有傳統實驗教學模式，在教學內容、教學方法和實踐手段中融入現代電子設計的新技術和新知識，以應用型、綜合性實驗項目為主，形成以工程實踐能力培養為目的的教學形式。打破封閉的知識體系，加強課程間的銜接與融合，構建數字系統開放實驗教學平臺。

雖然傳統采用74系列芯片完成電路設計的方法比較落后，但對于剛從理論課堂轉入實踐的學生來說，傳統性的基礎實驗在實踐教學中的作用是不可忽視的，它能夠加深和鞏固理論知識，幫助學生掌握實驗儀器儀表的使用，幫助學生了解器件的基本功能和參數指標。因此，我們認為以工程實踐能力培養為目標的數字電路實驗教學改革，也不能完全否定傳統的基礎性實驗，實驗教學應是有層次的推進，以數字系統的設計為最終目標。因此我們將實驗教學分3個層次，如圖1所示。

基礎型實驗層次仍以傳統實驗為主，采用74系列芯片，在面包板上搭建電路進行硬件測試與驗證。該層次是培養學生基本動手能力，要求學生熟練掌握函數信號發生器、示波器、萬用表、電流表等儀器儀表的使用；要求學生能夠對芯片參數指標進行測試，以及利用芯片完成簡單基礎的設計實驗項目。該層次面向全校所有專業開放。

設計應用型實驗層次分兩個部分：①引入現代電子設計技術，利用EDA工具（Multisim、QuartusII等軟件）進行電路的設計和仿真驗證，利用可編程邏輯器件進行硬件驗證。該部分面向全校所有專業開放。②提高型設計，該部分以數字電路為主，輔以一定量的模擬電路和傳感器方面的應用知識，以增強學生對實驗課題系統性的認識。本部分面向電類專業學生開放。

數字系統設計層次需要靈活應用多門課程知識，如：使用單片機作為控制器件。該層次針對部分有興趣、優秀的學生開放，也可作為課程設計、畢業設計課題層次。

三、教學內容的設計

（一）改進和精簡傳統基礎實驗項目，引入EDA技術

我們保留部分經典的傳統實驗項目，如：門電路的外部特性測試、四人表決器電路設計、任意模值計數器的設計等。但需要對傳統實驗加以改進，要求學生進一步深入，生成構建新的知識。如：與非門電路外部特性測試要求完成以下幾點：①對輸入電平、電流、負載和空載情況下的電平、電流進行測試。②給出電壓傳輸特性曲線的定義，要求學生測試出該與非門電路電壓傳輸特性曲線。③要求學生從電壓傳輸特性曲線解讀出門電路的幾個參數。允許學生查閱資料，描述出參數的物理意義，舉例指出此參數在實際使用的場合和注意事項。此舉能夠很好的幫助學生理解當與非門輸入端懸空時的意義，如何判定是否為高電平1，以及實際操作與理論的區別。讓學生意識到實踐環節的重要性，打破過于強調基本原理、基本公式、基本設計的推導過程。

另一方面，可編程邏輯器件作為當前數字設計的主流器件，已經被大量應用于數字電路和數字系統中，代表了電子設計技術和應用技術的最新技術方向和潮流[3-5]。引入了FPGA技術，既能夠讓學生了解現代電子技術發展的趨勢，又能夠掌握一種現代主流設計方法，體會其優越性。我們將數字電子鐘的設計按模塊劃分為分頻器、計數器、動態顯示、譯碼幾個模塊，每一次課程完成一個模塊的設計，最后完成系統設計，并要求學生自主學習后完成諸如整點報時、校時、鬧鐘、秒表等拓展功能。該項改革實現了由單元到系統，由已知知識到拓展知識的完整流程，學生反饋效果較好。

（二）增加各層次的綜合性設計實驗項目，加強與其他課程的融合

為鍛煉學生運用知識的能力，拓寬學生的視野，激發學生的學習興趣，我們在選取項目時緊密結合數字邏輯電路的重要概念、原理、技巧，注重項目的“新穎性”、“應用性”以及“綜合性”。如：利用555定時器產生鋸齒波階梯波的波形發生器電路的設計。該實驗項目包含的電路模塊有：①振蕩器，②加法器，③數模轉換器，④運算放大電路等；既涵蓋了數電的重要知識，也包含了模電中運算放大器的靈活應用，實現了跨課程知識融合。如：利用示波器顯示人像照片，除需要數模轉化的知識外，還需要單片機和示波器原理方面的知識（該實驗項目是由學生自行設計，并已完成的項目）。

（三）自制實驗設備

在改革課程教學內容的同時，我們積極改善硬件教學條件。自制了簡易數字電路實驗板（如圖2所示）、芯片測試儀（如圖3所示）、FPGA硬件開發平臺（如圖4所示）。

簡易數字電路實驗板提供基本的輸入、輸出邏輯，由學生自行焊接完成，每人一塊、自行保管。該實驗板簡易方便、體積小，被學生們親切地稱為“口袋實驗室”。當然，設計性項目的擴展電路也可通過多孔板由學生自行焊接連接。該舉措完善了數字電路實踐的教學范圍：從基本焊接、實驗平臺的原理到各類實驗項目；進一步提升了學生的實踐能力。

芯片測試儀可進行常用數字器件功能的測試，快捷判斷器件的好壞，能夠提高器件的利用率、減少浪費。

FPGA硬件開發平臺采用母板加核心板的設計，核心板采用Altera公司FPGA器件CycloneIII系列EP3C16Q240C8，該款器件屬于Altera公司的低功耗、低成本FPGA系列，其資源已大大滿足本科或研究生教學使用。可根據需要靈活、便捷地更換不同的核心板。母板硬件資源包括8個按鍵、8個撥碼開關、8個數碼管、8個發光二極管、溫濕度傳感器、音頻接口、紅外接收頭、蜂鳴器、液晶顯示屏、SD卡接口、PS2接口、AD/DA轉化、有源及無源晶振等，硬件資源豐富，能夠完成各類相關設計型、綜合性實驗項目。

四、結束語

課程組分析了本校數字電路實驗課程存在的問題，從課程結構、教學內容、硬件資源出發進行了改革。實踐結果表明，以應用型、綜合性項目為主的教學內容較好地培養了學生的實踐動手能力、創新能力以及團隊協作能力。自制實驗設備能夠有效的支撐實踐教學。

參考文獻：

[1]潘曉蘋，但果，陳昕，汪天富.基于CDIO理念的數字電路實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2013，32（8）：401-403.

[2]胡仁杰，王成華，等.自主研學的電工電子課程建設[J].中國大學教學，2014，（6）：60-63.

[3]薛延俠.“數字電路“實驗教學的創新與研究[]].實驗室研究與探索，2007，26（2）：84-86.

[4]唐智強.計算機專業數字邏輯實驗的改革與創新[J].實驗室研究與探索，2013，32（10）：182-184.

[5]王振宇.“數字邏輯電路”課程教學改革體會[]].電氣電子教學學報，2002，24（2）：18-20.