綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

李建霞

摘要順應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教學(xué)模式的改革，針對(duì)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)－硬件實(shí)驗(yàn)兩步教學(xué)模式，優(yōu)化為設(shè)計(jì)－軟件仿真－硬件實(shí)驗(yàn)三步教學(xué)模式，這種教學(xué)方法可以改善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的很多不足，使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)直觀、透徹的掌握所學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過(guò)三年的教學(xué)實(shí)踐，收到了很好的效果。

關(guān)鍵詞數(shù)字實(shí)驗(yàn)，EDA，綜合設(shè)計(jì)型，實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

中圖分類(lèi)號(hào)X52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1005-4634(2009)03-0062-03

0引言

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)拓了許多新的領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)的普及以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步更新，極大發(fā)展了現(xiàn)代教育技術(shù)。目前，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的EDA技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)教育教學(xué)改革的一個(gè)重要的突破口，在改變教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法方面克服了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的許多缺陷和不足，憑著自身的優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，突顯出的教學(xué)作用也越來(lái)越大。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心是高等院校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、獨(dú)立工作能力和工程實(shí)踐能力的重要基地。而學(xué)生能力的形成是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，是通過(guò)有意識(shí)、有計(jì)劃的培養(yǎng)過(guò)程中逐步形成的。筆者在不斷的摸索和實(shí)踐中，逐步形成了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)、研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，而后兩個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)又以設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn)為主，如何引導(dǎo)學(xué)生在綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，并從中提升自己綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ惋@得尤為重要。

《數(shù)字電路》課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。同時(shí)又是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。課堂教學(xué)的內(nèi)容需要學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，在動(dòng)手的過(guò)程中對(duì)所學(xué)知識(shí)加深理解，提高對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力。這就決定了數(shù)字電路教學(xué)必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再是課堂教學(xué)的補(bǔ)充，而是真正提高教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生素質(zhì)的至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。針對(duì)數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，將EDA技術(shù)引入到數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)一硬件實(shí)驗(yàn)”兩步實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式優(yōu)化為“設(shè)計(jì)一軟件仿真一硬件實(shí)驗(yàn)”三步實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生能夠在使用EDA軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確后，再采用分立的集成芯片搭建硬件電路。這種將EDA技術(shù)中的軟件仿真功能引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)，采用“軟硬兼施”的方法，全面升級(jí)了數(shù)字電路課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

1數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1EDA技術(shù)的發(fā)展

EDA(Electronic Design Automation)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，誕生于20世紀(jì)六、七十年代，是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_(kāi)發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具的一門(mén)新技術(shù)。它通過(guò)有關(guān)的開(kāi)發(fā)軟件，自動(dòng)完成由軟件方式設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真等功能。直至完成對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒ｋS著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膯?wèn)世，世界上一些大型EDA軟件公司已開(kāi)發(fā)了一些著名的軟件，如AutoCAD、Cadence、PSPICE等。每種軟件都有其優(yōu)點(diǎn)和適用的場(chǎng)合，其中，Maxplus2是Altera公司推出的第三代PLD開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，被公認(rèn)為是最易使用、人機(jī)界面最友善的PLD開(kāi)發(fā)軟件，特別適合初學(xué)者使用。Maxplus2設(shè)計(jì)輸入有多種方式，目前比較常用的為原理圖輸入和文本輸入方式。在學(xué)生接觸數(shù)字電路初期，建議采用原理圖輸入方式。原理圖輸入方式直觀簡(jiǎn)單便于理解，可以使學(xué)生很容易的和集成芯片硬件電路聯(lián)系起來(lái)。文本輸入方式就是采用硬件描述語(yǔ)言對(duì)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)或者行為描述，常見(jiàn)的硬件描述語(yǔ)言有VHDL語(yǔ)言和Verilog等。采用VerilogHDL進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與工藝性無(wú)關(guān)，這使得設(shè)計(jì)者在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)可以不必過(guò)多考慮工藝實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)者只需要利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，在EDA工具的支持下，通過(guò)VerilogHDL的描述，完成數(shù)字電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)即可，從而提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，是未來(lái)發(fā)展的必然。

在數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以運(yùn)用EDA設(shè)計(jì)中的功能仿真環(huán)節(jié)，采用原理圖輸入的方式，使學(xué)生在直觀、易懂的基礎(chǔ)上，對(duì)自行設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行軟件仿真，一步步地完善自己的設(shè)計(jì)電路，直至設(shè)計(jì)完全正確。確保設(shè)計(jì)無(wú)誤后，再進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生更深入的理解和掌握。學(xué)生在完成設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，還可以很方便地進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，盡自己最大的努力將自己的構(gòu)思付諸設(shè)計(jì)中，使得自己的設(shè)計(jì)新穎、完善且多樣化，從而發(fā)揮了學(xué)生的智慧，提高了學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)的能力。

1.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)由傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)發(fā)展為設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)。這樣既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，又可以提高他們的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

在理論學(xué)習(xí)的過(guò)程中，由于學(xué)習(xí)時(shí)間不夠充分等多方面的原因，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握往往不夠精確，一知半解。這樣就造成了學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。鑒于這種情況，如果直接讓學(xué)生在硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的話，會(huì)造成很多麻煩。比如：燒毀芯片，燒毀設(shè)備等，而且對(duì)于一些相對(duì)比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，連線較多，若直接采用分立元件去搭建電路會(huì)出現(xiàn)很多諸如連線出錯(cuò)的問(wèn)題。而這些錯(cuò)誤從長(zhǎng)遠(yuǎn)看往往會(huì)大大的增加實(shí)驗(yàn)成本。在這種情況下，學(xué)生無(wú)從判斷是設(shè)計(jì)問(wèn)題，還是因疏忽大意造成接線錯(cuò)誤而出現(xiàn)的問(wèn)題。有一大半的時(shí)間花費(fèi)到了如何正確接線和排除故障的環(huán)節(jié)中，這樣的實(shí)驗(yàn)不但不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還會(huì)阻礙學(xué)生進(jìn)一步探索。如何在較短的時(shí)間里既完成教學(xué)任務(wù)又能更好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，是擺在面前的一道難題。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，筆者采用將設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式從“設(shè)計(jì)-硬件實(shí)驗(yàn)”優(yōu)化為“設(shè)計(jì)-軟件仿真-硬件實(shí)驗(yàn)”軟硬件結(jié)合的三步來(lái)實(shí)現(xiàn)。

利用EDA軟件將抽象的理論知識(shí)，用科學(xué)、直觀的方式展示出來(lái)，深入淺出的分析各種電路的特性，加深學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)拓思維，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)現(xiàn)了事半功倍的教學(xué)效果。

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，電子器件已經(jīng)發(fā)展到了大規(guī)模的可編程邏輯器件時(shí)代。但是這些可編程邏輯器件造價(jià)高、使得初學(xué)者不易理解。分立元件造價(jià)低、直觀易懂，容易和教科書(shū)上的內(nèi)容結(jié)合起來(lái)?？梢允钩鯇W(xué)學(xué)生深入地、基礎(chǔ)性的理解理論知識(shí)的內(nèi)涵。所以，在硬件實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，仍建議從傳統(tǒng)的以分立元件為主的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)抓起，打好基本功，使學(xué)生具備初步的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能，逐步過(guò)渡到以專(zhuān)用集成電路為主的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，熟悉

各種集成器件，學(xué)會(huì)用集成器件設(shè)計(jì)電路，最后達(dá)到以可編程技術(shù)為主的專(zhuān)業(yè)性實(shí)驗(yàn)。

1.3設(shè)計(jì)實(shí)例

本文結(jié)合一個(gè)數(shù)字實(shí)驗(yàn)中常用的教學(xué)實(shí)例，來(lái)介紹這種教學(xué)方法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用。要求設(shè)計(jì)一個(gè)滿足如下條件的三位數(shù)字顯示可控制計(jì)時(shí)器：①計(jì)時(shí)范圍為0～9分59秒，精確到秒；②能實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自動(dòng)清零和手動(dòng)清零；③用三位數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)時(shí)間：④可隨時(shí)啟動(dòng)和停止計(jì)時(shí)，顯示當(dāng)時(shí)的計(jì)時(shí)值。

1.3.1設(shè)計(jì)原理

1)采用三個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160，前兩個(gè)74160構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，做秒計(jì)數(shù)。然后運(yùn)用秒計(jì)數(shù)的進(jìn)位輸出送給最后一個(gè)74160作分鐘計(jì)數(shù)。

2)采用撥碼開(kāi)關(guān)SW2控制74160的置數(shù)端，計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)設(shè)計(jì)為零，在SW2輸入低電平的時(shí)候，輸出變零，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)清零功能。

3)采用撥碼開(kāi)關(guān)SW1控制秒計(jì)數(shù)器的使能端，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器暫停。

4)數(shù)碼管及BCD譯碼器實(shí)驗(yàn)箱上自帶，所以直接將輸出的三個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)接在實(shí)驗(yàn)箱的插孔上就可以了。

設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

1.3.2軟件模擬仿真

本實(shí)驗(yàn)中，有幾個(gè)學(xué)生容易出錯(cuò)的地方：①74160的特點(diǎn)是異步清零，同步置數(shù)。很多初學(xué)的學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)忽略這個(gè)問(wèn)題，造成秒計(jì)數(shù)和分鐘計(jì)數(shù)之間進(jìn)位的錯(cuò)誤。而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只看到輸出狀態(tài)很亂，找出問(wèn)題所在比較麻煩；②設(shè)計(jì)要求清零端設(shè)計(jì)和暫停功能的設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)比較復(fù)雜，學(xué)生難以保證設(shè)計(jì)的正確性。

所以，需要在maxplus2中，對(duì)所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行功能仿真，從仿真結(jié)果，可以很簡(jiǎn)單的看出，設(shè)計(jì)滿足需要。

仿真結(jié)果如圖2所示。(a)為清零控制功能仿真結(jié)果圖，從圖中可以看出，在清零開(kāi)關(guān)SW1變低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。(b)為暫?？刂乒δ芊抡娼Y(jié)果圖，暫停開(kāi)關(guān)SW2變低電平時(shí)，輸出不變。(c)中可以很明顯的看出六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器各個(gè)狀態(tài)的正確性。從(d)中可以看出由秒向分鐘進(jìn)位時(shí)，設(shè)計(jì)狀態(tài)的正確性。

1.3.3硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)軟件功能仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確后，將設(shè)計(jì)的電路圖在實(shí)驗(yàn)箱上用硬件連接起來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.4課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)

教學(xué)示范中心針對(duì)這種教學(xué)模式，提供兩個(gè)多媒體教室，60臺(tái)PC機(jī)，可以同時(shí)給兩個(gè)班級(jí)上課。在第一節(jié)實(shí)驗(yàn)課上，筆者給學(xué)生講述Maxplus2軟件的仿真功能的簡(jiǎn)單運(yùn)用，以及硬件實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的問(wèn)題。后面的實(shí)驗(yàn)中，采用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生可以隨時(shí)到多媒體教室進(jìn)行軟件仿真設(shè)計(jì)電路或到硬件實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在完成實(shí)驗(yàn)要求的項(xiàng)目后，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)感興趣的電路，不斷拓展思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

2結(jié)束語(yǔ)

筆者自2005年開(kāi)始，面向電類(lèi)學(xué)生的數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)課程實(shí)行“設(shè)計(jì)-軟件仿真-硬件實(shí)驗(yàn)”軟硬件結(jié)合的三步實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)踐證明：這種直觀、形象化的教學(xué)方法大大提高了教學(xué)質(zhì)量和效果，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，幫助學(xué)生快速深刻地理解和消化課堂上所學(xué)的理論知識(shí)。有利于創(chuàng)新型、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，提高了學(xué)生對(duì)電子線路的認(rèn)知能力和分析問(wèn)題的能力，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。對(duì)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、綜合分析能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力及綜合素質(zhì)等有重要意義。這種教學(xué)模式有望進(jìn)一步拓展到電類(lèi)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。