蔡春曉　周巍　孟德明　李燕龍

【摘 要】針對開展工程教育專業(yè)認證背景下，分析了目前數(shù)字邏輯實驗存在的問題；通過分析開展工程教育專業(yè)認證的標準，提出適應專業(yè)認證的數(shù)字邏輯電路實驗的改革方案，包括優(yōu)化實驗內容，加強實驗預習環(huán)節(jié)管理，加大EDA實驗技術內容，優(yōu)化網絡資源，改革考核方式等。實踐結果表明，改革方案是可行的。

【關鍵詞】數(shù)字電路；專業(yè)認證；教學內容；EDA技術

中圖分類號： TN791-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）26-0082-003

The Experimental Reform and Practice of Digital Logic Circuit Adapted to Professional Certification

CAI Chun-Xiao ZHOU Wei MENG De-Ming LI Yan-Long

（National Demonstration Center for Experimental electronic circuit Education （Guilin University of Electronic Technology），Guangxi Guilin，541004，China）

【Abstract】In view of the development of engineering education background of professional certification， analyzes on the problems existing in the digital logic experiment； through the analysis of the development of engineering education accreditation standard proposed to adapt to the reform scheme of the professional certification of digital logic circuit experiment， including the optimization of the experimental content， to strengthen the management of experiment preview link， increase the content of EDA technology， optimize the network resources， reform the examination mode. The practical results show that the reform scheme is feasible.

【Key words】Digital circuits； Professional certification；Teaching content；EDA

隨著高等工程教育改革不斷推進，工程教育專業(yè)認證已成為一種趨勢。工程教育專業(yè)認證標準重視考察學生綜合運用所學科學理論和技術手段，分析并解決工程問題的基本能力；除了要求學生掌握必要的工程基礎知識，接受本專業(yè)的實驗技能工程實踐、計算機應用、科學研究與工程設計方法的基本訓練外，還應該具有創(chuàng)新意識，對新產品、新工藝、新技術和新設備進行研究、開發(fā)和設計的初步能力。實踐教學不僅對學生理論聯(lián)系實際、加深對理論的感性認識有著非常重要的作用，同時也是實現(xiàn)應用型人才培養(yǎng)目標的主要途徑，對學生整體工程素養(yǎng)、工程知識、工程能力的提高起著重要作用。在工程教育專業(yè)認證通用標準中列出了實驗環(huán)節(jié)的評估指標，從更加貼近工程實踐、貼近企業(yè)界人才需求的角度對教學內容、教學方法、考核等方面進行了詳細規(guī)定。因此，依托工程教育專業(yè)認證標準，對電子信息類實驗課程進行改革，加強實驗環(huán)節(jié)對產業(yè)發(fā)展的適應性，使學生更貼近企業(yè)和社會的需求，是保證工程應用型人才培養(yǎng)質量的必然趨勢。本文介紹適應專業(yè)認證的數(shù)字邏輯電路實驗改革與實踐經驗。

1 目前存在的問題

實驗室于2005年配置了ALTERA公司的ED2開發(fā)板，并于同年投入本科生和研究生教學活動中，在這些年本科生的教學活動中數(shù)字邏輯電路實驗主要存在如下幾方面的矛盾與不足：

（1）雖然DE2開發(fā)板上集成了豐富的外設，但是要使用這些外設要求學生具備相當?shù)膶I(yè)知識，某些專業(yè)即使具備相應的知識，但是由于學時數(shù)限制在2個學時甚至是4個學時的時間段內絕大部分同學不可能完成一個比較完整的小系統(tǒng)級電路的設計與調試；

（2）雖然數(shù)字邏輯電路實驗加強了實驗的預習情況的檢查，但是在實際過程中還是發(fā)現(xiàn)相當一部分同學的實驗預習流于表面不夠深入；

（3）雖然已經加大了實驗開放的力度，也存在相當一部分學有余力的學生“吃不飽”，這主要表現(xiàn)在需要更多的開放時間和更加有“挑戰(zhàn)性”的實驗項目。

2 改革思路

通過解讀專業(yè)認證的標準以及目標，發(fā)現(xiàn)目前數(shù)字邏輯電路實驗的內容和結構不太適應專業(yè)認證的要求。主要表現(xiàn)為：現(xiàn)有的數(shù)字邏輯電路實驗的開設方式以74系列數(shù)字芯片為主要目標器件的硬件實驗和以DE2開發(fā)板為主要平臺的EDA實驗兩個部分相結合，但硬件實驗為主、EDA實驗為輔的方式；受教學時數(shù)的限制，EDA實驗的目的主要是讓學生了解業(yè)界新技術新方法，所以這部分實驗開設得較淺顯不夠深入；74系列數(shù)字芯片在業(yè)界的使用日趨減少，而EDA技術的使用范圍和深度都在擴大，從實驗內容看學生所學知識、技能和業(yè)界主流技術之間的差距在不斷加大。因此為使得數(shù)字邏輯電路實驗更加適應于專業(yè)認證的要求，擬通過增加EDA實驗在整個實驗課程中的比重為主來進行相應的教學改革。

針對卓越班的學生進一步增設基于EDA的實驗項目，使得課程能夠與當前業(yè)界新技術接軌，加大系統(tǒng)級電路實驗的數(shù)量，同時在項目中注重引導學生對功耗、性能、可靠性的等系統(tǒng)性能方面的關注，使學生在實驗中能獲得系統(tǒng)級設計的初步感性認識，使得專業(yè)基礎類實驗教學更加貼近工程性。endprint

3 實踐方案

3.1 對實驗內容的整合與拓展

數(shù)字邏輯電路是電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)技術基礎課程。該課程中基本門電路的實現(xiàn)原理以模擬電子技術為基礎；555時基電路及其應用以模擬電子技術和電路分析為其基礎；組合邏輯電路中的編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、全加器半加器等是學習微機原理、接口技術等課程的重要基礎；集成觸發(fā)器組成的鎖存器，移位寄存器等和時序電路的計數(shù)器等也是學習后續(xù)計算機類課程的基礎；數(shù)字邏輯電路中還包括了計算機通信等領域廣泛應用的A/D和D/A轉換的硬件實現(xiàn)原理和過程。因此，數(shù)字邏輯電路是一門承前啟后的技術基礎課。近年來，隨著新技術發(fā)展，數(shù)字邏輯電路理論教學相應增加了可編程器件的內容。

結合理論課程的特點，我們對實驗的內容進行了整合與拓展。具體如下：

第一、保留了TTL和CMOS集成邏輯門的邏輯功能于參數(shù)測試，時基電路555的功能及應用。該兩個實驗內容涉及到電路分析和模擬電子線路的知識比較多，又具有數(shù)字邏輯電路自身的特點。同時理論課講述原理性的較多，涉及到邏輯器件電物理特性參數(shù)的內容少，該實驗有助于學生了解工程應用中邏輯器件的使用范圍和條件。這是倆個傳統(tǒng)的實驗內容，我們保留并作了適當?shù)膹娀?，例如要求學生對比CMOS和TTL門電路的特性；要求學生對由555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器作理論的分析和實驗結果的對比，并找出實驗結果和理論分析存在差異的原因，目的是為了更好的和理論聯(lián)系，激發(fā)學生的學習熱情和興趣。

第二、新增了A/D，D/A實驗，保留并修改了集成觸發(fā)器的應用內容及計數(shù)器的應用內容。這是后續(xù)課程如計算機組成原理，接口技術等計算機類課程的電路基礎，對這些內容安排實驗，加深其體會，有利于學生后續(xù)課程的學習與理解。A/D，D/A屬于新設實驗，集成觸發(fā)器的應用和計數(shù)器的應用屬于原有實驗項目?？紤]到學生學習后續(xù)課程的需要，加深加寬了實驗內容。

第三、增加了組合邏輯中的競爭冒險觀察實驗和基本邏輯門的延時測量實驗。很多理論教材對競爭冒險講得很少或者忽略沒講；數(shù)字邏輯門電路的延時在理論教學和實驗教學中都是容易忽略的問題，為讓實驗更加接近工程實踐，培養(yǎng)學生的工程意識，我們新設了該實驗。

第四、增設了EDA實驗內容。我?，F(xiàn)代數(shù)字邏輯電路的理論教學已包括可編程邏輯器件的內容。開設EDA的硬件條件是Altera公司DE2開發(fā)學習板。DE2板主要是面向NiosⅡ/SOPC的設計與實驗板，但其上也包含了16個LED指示燈，18路撥動開關，8個數(shù)碼管，4個按鍵開關，適合于數(shù)字電路的初學者完成一些簡單的數(shù)字邏輯電路的設計。根據(jù)其結構，我們設計了8路搶答器、數(shù)字鐘、流水燈等實驗內容供學生任選其一完成設計。同時，在該設計性實驗內容前安排了一次QuartusⅡ軟件使用及DE2實驗板使用實驗，為學生使用該開發(fā)板提供基礎。

3.2 加強預習環(huán)節(jié)管理，革新傳統(tǒng)預習報告和實驗報告書寫模式

傳統(tǒng)的預習報告和實驗報告內容空洞，不外乎包括實驗目的、實驗儀器、實驗原理、實驗過程等幾部分，這種格式的報告既不考慮實驗類型的差別，也不考慮實驗內容的不同。由于針對性、引導性不強，絕大多數(shù)學生不知道預習報告和實驗報告寫什么，多數(shù)學生只是把實驗名稱、實驗目的和簡單的實驗原理等書上的內容抄一遍，對于實驗所涉及的基本操作及其原理和各種關鍵性問題反而沒有預習，對一些必要的設計環(huán)節(jié)應付了事。針對以上問題，根據(jù)每個實驗項目的具體內容設計一體化的實驗預習和實驗報告格式，類型主要分驗證性實驗和設計性實驗，引導學生根據(jù)具體實驗內容有針對性的主動進行課外預習，高質量的完成預習報告，把有限的實驗課有效的延伸到課外，改變學生對實驗講解的過多依賴，以便在有限的實驗時間內更好的操作、觀察、思考和總結實驗，提高學生的實驗能力和思考能力，使學生書寫預習報告和實驗報告不停留于形式和應付的思想，提高學生的積極性和自覺性。

3.3 加大EDA實驗技術內容

措施一：研發(fā)了一款低成本的CPLD實驗小開發(fā)板發(fā)放給學生，學生可以利用課余時間在寢室就以達到來實驗室做實驗或做預習，解決學生“吃不飽”的問題，同時要求學生的所有實驗預習（包括基于74系列數(shù)字芯片的實驗）首先在該CPLD上完成。CPLD最小板采用Altera公司的可編程 PLD 器件Max7000S系列的EPM7064SLC44-10為核心器件，該CPLD器件為PLCC-44封裝，方便學生焊接。 CPLD器件I/O接口與輸入輸出器件（開關、按鍵、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、555多謝震蕩信號源等）全部采用固定連接，使用時向學生提供 PLD 與外圍器件管腳對照表。學生先將給定的CPLD最小電路板裝配完成，并調試，使電路板能夠正常下載程序，然后自主選題，完成一個特定項目的實驗。學生可根據(jù)自己的實驗需要在Quartus開發(fā)軟件中畫符合軟件要求的電路圖或編程，然后進行相關配置（即管腳設定）及調試下載驗證。實驗方法從傳統(tǒng)的硬件搭試方式轉到了軟件設計、仿真調試電路系統(tǒng)的實驗方式，使傳統(tǒng)硬件設計方式用EDA技術來實驗。通過該環(huán)節(jié)，學生掌握了硬件裝配知識，焊接調試能力，程序設計分析能力，激發(fā)了學生學習的自覺性和主動性。

措施二：研發(fā)了一款同時兼容DE2和上述的CPLD實驗開發(fā)板的外設小模塊，來開設一些適合剛學習數(shù)字邏輯電路課程的學生完成的規(guī)模較小系統(tǒng)級的實驗項目，解決上述的矛盾，即DE2開發(fā)板豐富外設同要求學生具有相應專業(yè)知識和對學時數(shù)的要求之間的矛盾。A/D轉換器和D/A轉換器是連接數(shù)字世界和模擬世界的橋梁，在現(xiàn)代信息技術中具有舉足輕重的作用，因此學習AD、DA轉換原理。而DE2本身不具備AD/DA轉換模塊，需要利用DE2預留的擴展接口設計AD/DA轉換模塊。A/D轉換器采用ADC0809芯片，D/A轉換器DAC0832芯片。利用AD轉換模塊，可實現(xiàn)較為復雜的數(shù)字系統(tǒng)設計，如電壓表的實現(xiàn)，學習用狀態(tài)機對A/D轉換器ADC0809的采樣控制電路及較為復雜系統(tǒng)的VHDL編程方法。利用DA轉換模塊，可實現(xiàn)較為復雜的數(shù)字系統(tǒng)設計，如正弦波信號發(fā)生器的設計，學習較為復雜系統(tǒng)的VHDL編程方法。endprint

3.4 利用網絡手段，發(fā)揮現(xiàn)代教育技術優(yōu)勢

網絡的普及和應用，深刻地改變了教育觀念和教學方法。利用網絡實施教學已經成為“數(shù)字電路實驗”教學改革的內在需求。在“數(shù)字電路實驗”的教改過程中，我們通過建設課程資源庫網站，較好地發(fā)揮了現(xiàn)代教育技術的優(yōu)勢。通過網站，我們?yōu)閷W生提供了全部課題（包括必做課題和選做課題）的相關資料、參考文獻、網絡實驗等內容，為學生的課前預習、課堂實驗、課后總結以及實驗報告撰寫創(chuàng)造了條件。學生還可在網上進行實驗（虛擬實驗），將課堂進行了有效的延伸。此外，網站為教學交流提供了優(yōu)良的環(huán)境，教師可及時發(fā)布教學信息，包括資料、教學安排以及教學內容的更新等；學生可即時反饋意見，拓寬了師生交流的平臺。在原有的基礎上，進一步優(yōu)化課程資源庫網站，針對課程的實驗重點、難點和實驗過程中易出現(xiàn)問題的地方，如“如何利用數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)”、“如何用反饋置數(shù)法設計減計數(shù)器”等，開發(fā)和拍攝實驗視頻，補充課堂的不足，方便學生課外學習。

3.5 改革考核方式，激發(fā)學生學習興趣

課程考試是教學工作的重要環(huán)節(jié)之一，考試形式對教學具有重要影響。傳統(tǒng)考核方式多以平時成績和期末考試（考核）作為評定學生成績的依據(jù)。這樣的考核方式存在平時成績的不公平和不公正性，以及期末考試的“突擊性”等缺點。在這樣的考核方式中，作為教學活動主體的學生始終處于被動狀態(tài)，不利于發(fā)揮學生的能動性，不能解決他們需要解決的問題和困惑，往往是不會做的依然不會，不懂的依然不懂，沒有針對性，不能查漏補缺。學生往往平時學習松懈，考前突擊準備，只注意自己的成績分數(shù)，不注重實驗過程和能力的提高。為了能夠使考核不僅體現(xiàn)評定成績的客觀性，更能作為促進教學過程的重要環(huán)節(jié)。評定成績由平時成績和期末成績組成，平時成績占40%、期末考試成績占60%。平時成績分為實驗預習、實驗操作和實驗報告三部分。其中，實驗預習占30%（隨堂評定）：包括實驗原理（5%）、實驗電路圖（10%）、實驗步驟擬訂（10%、數(shù)據(jù)記錄表格設計及其他（5%）；實驗操作占40% （隨堂評定）：包括儀器設備操作方法（10%）、實驗結果的正確性（15%）、排除故障的能力及創(chuàng)新能力等（15%）；實驗報告占30%：包括實驗原理與電路圖（5%）、實驗內容和過程的陳述（10%）、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理（5%）、實驗結果（結論）等（10%）?？己顺煽冋?0%：實際操作占40%；測試結果占30%；卷面成績占30%?？偝煽儼?00分計算（不按A、B、C或優(yōu)、良、中劃分等級），其導向是讓學生把主要精力放在平時的實驗課題上，放在能力培養(yǎng)上，而不是在最后的考試中“押寶”，這樣有利于培養(yǎng)良好的學風。通過這樣的改革，學生的學習積極性得到了極大的提高，投入實驗的時間增多了，動手能力增強了，實驗操作以及實驗報告的質量有了明顯的提高。

4 結束語

實踐表明，通過對數(shù)字邏輯電路實驗課程的一系列改革，極大地提高了該課程的教學質量和教學效果，增強了學生對該課程的學習興趣，調動了學生的學習積極性，初步培養(yǎng)學生工程實踐能力，熟悉目前業(yè)界使用的新技術、新方法和新手段，培養(yǎng)系統(tǒng)級數(shù)字電路設計的能力，加深學生對數(shù)字電路功耗、穩(wěn)定性、工作頻率等電路性能的理解，為進一步的專業(yè)學習打下堅實的基礎。“學無止境，教無定式”，我們會在實踐中不斷完善改革，使改革能夠與時俱進，適應高等工程教育專業(yè)認證標準，為培養(yǎng)更多高素質的應用型人才而努力奮斗。

【參考文獻】

[1]胡順仁，趙紅.電子信息工程專業(yè)的工程教育專業(yè)認證實踐探索[J].武漢大學學報（理學版），2012（10），58（S2）：130-132.

[2]祝秋香，肖衛(wèi)初，等.地方本科院校電子信息類專業(yè)認證的研究與實踐[J].中國電力教育，2014（8）：58-59，61.

[3]杜世民，楊相生，楊潤萍，等.基于EDA技術的數(shù)字電路綜合實驗研究[J].實驗技術與管理，2012，29（10）：93-96.

[4]劉曦，皇曉輝.EDA中的數(shù)字系統(tǒng)實驗[J].實驗技術與管理2004，21（5）：89-92.

[5]黃慧春，胡仁杰.“數(shù)字系統(tǒng)課程設計”精品課程建設[J]. 實驗室研究與探索.2011（12）：143-145.

[6]梁洪衛(wèi)，高丙坤.“EDA技術與應用”實驗與實踐教學改革[J].實驗技術與管理，2011（1）：147-149.

[7]李祖明，胡仁杰.綜合設計類課程建設的思考與實踐[J].實驗室研究與探索，2008（12）：109-111.endprint