基于Quartus II 的數字邏輯實驗課程線上教學實踐

惠國騰，劉曉東

（中國民用航空飛行學院計算機學院，廣漢 618300）

0 引言

數字邏輯實驗是計算機科學與技術專業一門重要的專業基礎實驗課程。作為與數字邏輯課程配套的、計算機硬件實驗系列課程的第一門課程，其主要目的是培養學生對數字邏輯器件的基本認知及其實驗能力，通過具體實驗觀察分析邏輯部件運行的基本規律，加深對基本邏輯部件工作原理和實際工作狀態的理解，掌握常用電子儀器的使用方法和常用的邏輯電路的設計、連接和測試方法，激發學生對數字邏輯電路的興趣，建立設計電路的基本思想。

通常情況下，數字邏輯實驗課程的教學包括課前準備、課堂講解、課堂實驗、實驗數據分析和講評反饋等環節，一般使用數字邏輯試驗箱進行課堂實驗。然而，由于受COVID-19 新冠疫情的影響，學生不能及時返校，傳統的線下實驗教學無法正常開展。為響應教育部提出"“停課不停學”的號召，探索開展實驗課程的線上教學勢在必行，同時也為創新實驗教學手段提供了契機。本文就利用Quartus II 仿真平臺開展數字邏輯實驗課程的線上教學實踐進行探討。

1 線上實驗教學設計

基于“傳遞-接受式”和“自學-輔導式”兩種經典的教學模式，考慮到線上教學資源豐富、開放靈活等優勢和師生互動不足、學生學習難以把握等不足，結合數字邏輯實驗的教學目標和特點進行教學設計。

（1）修訂課程教學目標。鑒于線上教學過程中學生無法實際接觸、使用具體的實驗設備、測量儀器，將原課程目標中“掌握常用電子儀器的使用方法和常用的邏輯電路的設計、連接和測試方法”修改為“初步掌握可編程邏輯軟件的使用方法，并能夠利用該軟件進行常用的邏輯電路的設計和仿真測試和數據分析”。

（2）對于實驗原理等理論基礎采用“自學-輔導”模式，提供豐富的視頻、資料，以學生自學為主，教師直播講授為輔。同時，通過課前學習時間統計、課前測試等了解學生的課前預習準備情況。

（3）實驗教學過程“傳遞-接受”模式，教師首先通過直播方式講解演示基本實驗，然后學生跟隨教師同步完成該實驗，接著學生獨立完成類似實驗，最后學生獨立完成進階實驗。

（4）教學過程中充分利用直播課堂的截屏、語音、文字等手段查看學生的實驗情況，及時與學生交流。

（5）加大實驗報告的批改力度，及時把握學生的學習情況。

2 線上實驗教學資源

2.1 線上實驗仿真平臺

本文采用Quartus II 作為仿真平臺主要是因為其具備以下特點：①Quartus II 是Altera 公司推出的可編程邏輯元器件的集成開發軟件，具有綜合優化設計、驗證、仿真等全過程覆蓋的優勢[1]；②數字邏輯實驗課程線下實驗室中的電子器件采用的是Cyclone II 系列芯片，Quartus II 支持此系列芯片，提高學生在線下進行實驗時的接受程度；③Quartus II 支持多時鐘定時分析、基于塊的設計、可編程片上系統等工具[1]，有利于對仿真結果的分析；④具有強大的HDL 綜合能力，并支持眾多元器件的仿真；⑤支持Windows、Linux 等操作系統使用，本文采用32 位Windows 操作系統進行仿真教學；⑥可擴展性較好，在原生庫中沒有相應仿真模塊時，可以通過引入第三方工具進行仿真設計[1-5]；⑦采用該平臺進行邏輯實驗仿真還具有簡單便捷的優勢[1-5]，其基本仿真流程如圖1 所示。

圖1 Quartus II基本仿真流程圖

2.2 線上教學素材

在過教學程中所需要的教學資源包括Quartus II仿真平臺、網絡直播平臺、線上輔助教學工具（電子教鞭、畫圖工具、錄屏軟件）、適用于線上教學的素材包（課件、教學案例、教學視頻、練習題目等）、其他線上教學資源；為了防止突發性斷網斷電，對教學過程的影響，直播教師還應準備雙網路雙電源以互為備用應急。

2.3 線上直播平臺與線上實驗報告提交、批改

目前，針對線上教學平臺有很多種類可以選擇，如愛課堂、愛課程、釘釘、騰訊課堂、騰訊會議、QQ 群直播等等，各個教學平臺的特色與使用方法也不盡相同，任課教師可以根據自的需求進行對比選擇。

本文采用釘釘教學平臺進行直播教學，其具備線上限時點名、線上收繳批改作業、直播后生成直播報告以及教學回放等特色功能，釘釘教學平臺還具備其他諸多功能這里不再一一介紹；這些特色功能可以很好地幫助任課老師完成線上出勤、作業收繳以及批改等工作；利用線上作業的功能教師可以很輕松的完成實驗報告的批改工作，甚至可以評出優秀作業分享給其他同學。但是該平臺也存在諸如無法在線播放教學視頻，以及延遲時間較長的缺點。

3 教學案例

（1）《數字邏輯實驗》課程的基本教學過程包括：課程內容綜述、實驗教學目的、實驗所用平臺及設備、基本實驗原理、實驗內容、實驗數據記錄、實驗數據的分析及總結等七個教學環節，其中基本實驗原理、實驗內容、實驗數據記錄、實驗數據的分析及總結為教學主要內容，通常涵蓋了該次試驗的教學重點以及教學難點。數字羅輯實驗基本教學流程圖如圖2 所示。

圖2 數字羅輯實驗基本教學流程圖

（2）為了更好的展示教學過程，本文以74153 雙四選一數據選擇器芯片教學實驗為例進行教學演示，主要包括一下七個步驟：

①對課程內容進行綜述

②實驗教學目的：掌握Quartus II 仿真平臺的基本使用方法；熟悉74153 雙四選一數據選擇器芯片的基本功能及工作原理。Quartus II 仿真平臺中的74153Multiplexer 芯片如圖3 74153Multiplexer 所示。

圖3 74153Multiplexer芯片仿真接線圖

③實驗所用平臺、設備：接入Internet 的PC、Quar?tus II 仿真平臺。

④基本實驗原理：數據選擇器又稱為輸入多路選擇器、多路開關。它的功能是在選擇信號控制下，從若干個輸入數據中選擇某一個輸入數據作為輸出。并對圖3 中74153 Multiplexer 芯片各個引腳功能進行講述：首先該芯片共有14 個有效引腳，其中輸入引腳12 個，位于芯片的左側；輸出引腳2 個，位于芯片的右側；觀察14 個芯片引腳不難發現該芯片可將輸入輸出分為1、2 兩組。然后，在 12 個輸入引腳中，A、B 兩個引腳為數據選擇引腳為兩組共用；1、2 兩組每組有6 個引腳，其中5 個輸入引腳，1 個輸出引腳；以1 組為例，1GN為一組的使能引腳，1C0～1C3 為信號輸入引腳，1Y 為輸出引腳；2 組引腳功能與1 組一致。最后，我們還能看出兩組的使能端（1GN、2GN）信號皆為低位有效。

⑤實驗內容：講解實驗過程中的元器件查找方式、各元器件之間的接線、引腳命名、設置各個輸入引腳脈沖信號、設置仿真模式、編譯方法以及其他線上實驗注意事項；為方便對比觀察我們將第2 組四選一數據選擇器設置為對照組。

⑥實驗數據記錄：通過上一步驟的設置，對仿真文件進行編譯并對其進行仿真可得到圖4 仿真結果，此處要求學生記錄仿真接線圖以及仿真結果圖。

圖4 74153Multiplexer芯片仿真結果圖

表1 74153 雙四選一數據選擇器實驗數據表

⑦實驗數據的分析以及總結：通過對圖4 所得波形的分析可得到表1 74153 雙四選一數據選擇器實驗數據記錄表，并對表1 進行分析可得出以下結論：A、B引腳為74153 雙四選一數據選擇器共用的數據選擇引腳，其狀態可以決定芯片輸出引腳Y 選擇不同通道數據進行輸出；1GN、2GN 分別為1 組和2 組的使能引腳，統稱為GN，低位使能，高位不使能，對應組的輸出時鐘為低；C0～C3 為數據輸入引腳；Y 為輸出引腳，其輸出狀態由 A、B、GN、C0～C3 共同決定。通過此次試驗可以得出74153 芯片為的功能為從四個輸入通道的信號中選擇一個進行輸出，由于一片74153 芯片具有兩組具有數據選擇功能的引腳，其芯片功能可以總結為雙四選一數據選擇器。

4 教學效果及分析

由于Quartus II 仿真元器件庫芯片種類豐富，使用方便，所以采用Quartus II 仿真平臺進行線上實驗教學具有操作簡單、靈活性理論性更強、教學案例更豐富，學生對實驗理解更直觀，可以反復觀看教學視頻的優點。但也存在著動手實踐性、課堂互動性、可操作性弱；受網絡情況影響嚴重；由于學生電腦設備不統一，使用的操作系統也不盡相同，所以仿真平臺的兼容性問題會為仿真結果帶來不同程度的影響。

通過對線上教學的學生作業、課堂互動表現、提問問題質量等方面與以往線下教學進行對比，可以明顯感受到學生學習效果存在兩極分化嚴重，課堂互動性弱的缺點；通過對隨堂問題的回答頻率來看，約有82%的學生從不主動回答問題，被點到回答問題的學生中又有約67%的學生不會回答或者不在線，始終與老師保持交流互動的學生占比只有8%左右；可以看出在課堂互動、提問問題等方面總是集中在少數學生范圍內。線上作業提交及時性方面也存在這種現象，只有約18%的學生在課后能夠及時完成實驗報告并上交報告，約40%的學生會逾期1-2 天上交，約35%的學生會逾期3-4 天上交，還有7%的學生逾期更久或者根本不交。以上數據較以往線下實驗教學都是偏高的，可以看出實際上線下教學更利于授課教授對對課堂狀態的把控，更利于提高課堂互動性。

采用Quartus II 仿真平臺進行線上實驗教學對教師線上教學資源的整合、網絡應急、各種教學方法（敘述、描繪、解釋、推論）的綜合應用能力有著較高的考驗；線上教學通常使用屏幕分享的方式進行并會形成回放，學生很容易截屏、錄屏獲取信息，所以教學過程中教學風險更高，教師應該多注意自身社交軟件的使用，以保證教師自身的隱私；任課教師應準備多條網路、電路以提高線上教學應急能力。

在實際教學過程中線上教學優勢突出，但線下實驗室內的教學使學生具有較多的動手實踐機會，其操作性更強，課堂互動效果更佳，教學受外界干擾能力更強，在實驗室內還具有平臺統一的優勢，可以很好地避免或者解決線上教學遇到的各種問題。所以本文建議數字邏輯實驗課程需采取線上理論仿真教學與線下實踐教學按照一定的課時分配比例執行教學，會將線上線下各自的教學優勢互補，以獲得更高的教學質量。