基于虛實優勢互補數字的邏輯實驗教學改革探索

冼進，冼允廷

(華南理工大學,計算機科學與工程學院,廣東，廣州 510006)

0 引言

數字邏輯實驗是為數字邏輯以及數字電路設計而單獨設置的一門實踐課程，采用實驗教學的方式就是強調動手設計以及基礎設計電路能力，基本出發點是理論與實踐相結合，基本理論與新的設計方法相結合。實驗教學環節直接關系到學生對其理論課知識的掌握，關聯到后續重要專業課程計算機組成原理、微計算機系統、嵌入式系統等課程的學習，因此數字邏輯實驗課的重要性不容置疑[1-2]。

1 數字邏輯實驗教學現狀分析

通過詳細了解傳統教學數字電路實驗箱能夠發現，其主要是將眾多的芯片插置到電路板上，所有插座的管腳均同插孔相對應并且完成連接，同時所有的插座均為單獨存在的，這些獨立的插座并不會在電路板上同另外插座存在有關的連接關系。在開展實驗的過程中，選擇合適的插座并且在其中放置上相關的芯片，同時在與之對應的插孔內部借助將外接導線插入的方式使其關聯在一起，從而組合成一個完整的實際電路。以上所描述的就是基于傳統數字邏輯電路為基礎的實驗教學實驗箱[3]。

1.1 傳統實驗箱實驗教學優點

(1) 學會仔細觀測實驗現象，冷靜思考問題，查找實驗故障。在傳統實驗箱上做數字邏輯電路實驗，這種情況下產生問題是無法規避的，在這里需要注意的是其最為核心的部分應該放到分析問題上，從而獲取到問題出現的根本原因。并且將其解決[4]。通常情況下來講，產生問題的因素來自4個層面：接線錯誤；器件故障；設計錯誤；測試方法不準確。

(2) 實踐性強，培養實際動手能力。學生可通過連接電路，搭建電路，設計邏輯電路等多種方式，獲得更多的動手機會。將學生的實驗研究能力、動手能力以及創新能力全面培養起來，并對理論教學的知識通過實驗獲取感性認識從而掌握該知識。針對實驗過程里面產生的一般故障，可以借助有效的方式來處理和解決。除此之外能夠獨立分析以及評價實驗結果[5]。

1.2 傳統實驗箱實驗教學存在的問題和不足

傳統的數字邏輯電路實驗箱，存在著如下的缺點或不足：①實驗前的準備工作繁雜；②實驗耗材損耗大，維護管理困難；③實驗內容古板，不利于主觀創造性；④綜合開放性實驗設計難實現；⑤與社會應用設計開發有較大差距。

1.3 基于軟件虛擬仿真數字邏輯實驗教學優點

與傳統的硬件實驗相比，基于軟件(立創EDA、Multisim等)虛擬仿真實驗靈活多變，能提供豐富的實驗內容，彌補用硬件實驗箱在實驗中無法進行多器件選擇、綜合設計性實驗不足，借助軟件虛擬仿真實驗可以使得學生自身的分析以及設計能力得到有效的提升，最終幫助學生全面增強創新能力。采用虛擬仿真實驗能夠將問題從根本上解決，并且實驗項目可以基于教學目的來進行適當的調整，從而讓實踐以及理論有效的結合在一起[6-7]。

虛擬仿真數字邏輯實驗教學主要優點：①打破實驗場地和時間限制；②實驗結果展示直觀性及多樣化；③有利于發揮學生主觀創造、創新實踐活動，鍛煉學生綜合編程虛擬仿真能力，把邏輯實驗做到極致。

1.4 數字邏輯電路實驗教學改革思想和目標

實驗教學改革以培養創新應用型邏輯電路設計、分析能力及集成電路應用專業人才為目標。目前不論是微電子技術，還是計算機技術，所取得的進展都是巨大的，就會對應要求數字邏輯電路在實驗手段及方法上，持續調整以及拓展。所以使用的實驗方法就是將軟件和硬件進行結合的綜合性的方式，進而對于實驗方法基于傳統純硬件邏輯的來進行了替代，因而其直接成為以后數字邏輯電路實驗教學未來發展以及改革的方向[9-12]。

2 實驗教學方法改進及實施

2.1 數字邏輯實驗教學方法整體設計

實驗教學首先對基礎驗證性邏輯電路實驗在傳統實驗箱進行，如邏輯功能測試、基本觸發器等實驗，學生認知簡單IC集成電路和線路連接。在此基礎上，再使用仿真軟件對原有數字邏輯基礎實驗進行仿真設計，最后增加綜合性實驗仿真設計，如數字鐘、搶答器、交通燈控制和數字頻率計等。課后建設部分項目式課程設計，讓部分能力強的學生更加深入理論聯系實際，大膽發明創造設計理念。

2.2 數字邏輯基礎經典實驗實施

圖1所示，最左邊一列是基礎邏輯門電路：“與門”“或門”和“非門”；圖中所有其他的邏輯門都可以用這3種邏輯門組合形成，例如第二列的與非門和第三列的或非門，較為復雜的是最右邊一列的異或門的等效邏輯電路。在實驗箱上用6片IC進行實物連接線并功能測試，結果見表1。

圖1 邏輯門電路

表1 不同邏輯門電路功能測試

2.3 數字邏輯經典綜合設計性實驗模擬仿真教學

以一個“交通燈”系統經典綜合設計性實驗為例，展示如何運用“狀態機”原理來設計時序系統并進行仿真實現[13]。“交通燈”的狀態圖如圖2所示，其狀態機的狀態一共有3個，分別是T1和T2還有T3，對于每個狀態來說，其亮燈的時間以及模式都是不一樣的。對于這個狀態機來說是沒有輸入的，那么其目前的狀態對于狀態的轉移方面就起到了決定性的作用。經由時鐘φ的驅動下，那么狀態機就會依據下面的順序來進行循環的轉移：T1→T2→T3→T1→…，圖3呈現的就是狀態轉移時序圖。

圖2 “交通燈”系統在脈沖驅動下的狀態圖

圖3 狀態轉移的時序圖

圖4 “交通燈”系統仿真電路圖

3 實驗教學方法改進的實施效果

3.1 虛實融合創新實驗教學方法效果

虛擬仿真實驗教學其主要就是互補于傳統硬件實驗教學，將上述的2種教學方式進行了融合創新，改進實驗教學方法之后，實現傳統與創新優勢互補作用，基礎數字邏輯芯片驗證設計，由原實驗箱進行實驗，也可在仿真實驗平臺進行仿真，兩者相輔相成，互相促進，如圖5所示，使用2種實驗方法進行半加器實驗，結果與實際設計電路是一致。

3.2 經典實驗教學案例實施取得新成績

經過近幾年的實驗教學改革與實踐，結合“數字邏輯”課程中經典實驗教學案例，如“交通燈”系統、“汽車尾燈”控制系統、“循環彩燈”控制系統、“多人表決”控制系統等，對這些“項目式”綜合性實驗進行仿真與實操，有部分有能力、有硬件開發技術的學生，通過開發前面提出項目式實例方面的創新點，大部分同學都拿到學校創新訓練項目或大學生國家創新項目(國創)，大學生在課程或實踐設計環節中，也可以這些經典項目為基礎，結合現有實驗條件和嵌入式技術，進行綜合開發和深入研究，就能開發出更加完美、功能強大實際應用案例[14]。通過多屆學生的實踐開發證明，選擇經典“項目式”實驗項目訓練、實踐的畢業生，應用技術、知識面更廣，理論基礎更加扎實，有豐富的硬件項目開發和動手實踐經驗，解決實際問題能力更強，就業面更寬，在當今就業難度極大的環境下走出困境，脫穎而出。

圖5 半加器基礎邏輯實驗虛擬仿真設計與仿真效果展示

3.3 學生參加創新項目和學科競賽取得的成績

硬件設計是信息技術產業的核心，在信息化發展關鍵領域中起著關鍵作用。在實驗教學中加強學生動手能力的培養和工程實踐的訓練，學生掌握和積累了比較好硬件設計知識，通過積極參與物聯網大賽、嵌入式系統設計大賽、電子電路設計大賽、人工智能創新大賽、大學生集成電路創新創業大賽和機器人競賽，課外的科技活動吸引好學生參與，這樣就為優秀的學生脫穎出來，創造了不錯的條件，同時也能激發大部分學生來學習硬件設計興趣，對于學生的創新意識也得到了培養，將學生的動手能力進一步的鍛煉，教學質量也得到了提升，在參賽中也多次獲得全國性獎多項榮譽[15]。

4 總結

實踐證明，在“數字邏輯”實驗教學改革和探索過程中，合理按排傳統實驗箱基礎實驗和在軟件上進行綜合仿真實驗比例，提高硬件實驗教學的整體質量水平，增加學生自主綜合選題的設計性實驗，將兩種類型的實驗方法優勢互補、融合創新實驗教學，不但可以讓學生將數學邏輯的原理還有基本的知識都可以進行掌握，而且對于他們的動手實踐能力也還可以提升，基于此學生不但可以在軟件方面訓練得不錯，而且在硬件方面也得到很大的提升。培養學生綜合運用理論知識解決實際問題的能力，力求實現理論結合實際，學以致用的原則，初步掌握工程設計方法和組織實踐的基本技能，學會靈活運用已經學過的知識，并能不斷接受新知識，大膽發明創造設計理念。