數(shù)字電路實驗課程小班化虛擬仿真教學(xué)的探索

馬學(xué)條

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

數(shù)字電路實驗課程小班化虛擬仿真教學(xué)的探索

馬學(xué)條

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對數(shù)字電路實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合杭州電子科技大學(xué)數(shù)字電路實驗教學(xué)實際，對實驗課程教學(xué)改革進(jìn)行探索分析。數(shù)字電路實驗課程改革的核心內(nèi)容涵蓋三個方面：小班化教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、學(xué)科競賽。實踐表明，該教學(xué)改革在培養(yǎng)學(xué)生分析解決實際問題的創(chuàng)新實踐能力等方面取得良好的教學(xué)效果，為同類課程改革的推廣提供了可借鑒的經(jīng)驗。

虛擬仿真；小班化教學(xué)；數(shù)字電路；實驗教學(xué)

數(shù)字電路實驗在數(shù)字電路教學(xué)中占有非常重要的地位，可以加強學(xué)生對理論知識的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計和實際動手能力。過去幾十年中，數(shù)字電子技術(shù)日新月異，不斷進(jìn)步發(fā)展；但難以樂觀的是多數(shù)高校數(shù)字電路實驗課程所對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和實驗?zāi)Ｊ酵磺啊ａ槍鹘y(tǒng)數(shù)字電路實驗教學(xué)存在的局限性，國內(nèi)外各大高校都進(jìn)行相應(yīng)的實驗教學(xué)改革。東南大學(xué)在數(shù)字電路實驗中引入虛擬仿真教學(xué)，電子科技大學(xué)采用小班研討的模式進(jìn)行實驗教學(xué)，北京郵電大學(xué)采用自主開發(fā)的教學(xué)平臺對數(shù)字電路實驗進(jìn)行仿真教學(xué)，美國斯坦福大學(xué)本科一年級學(xué)生就能完成基于數(shù)十萬邏輯門規(guī)模的數(shù)字邏輯自主設(shè)計項目[1]。

作為浙江省最早開設(shè)數(shù)字電路課程的學(xué)校之一，杭州電子科技大學(xué)高度重視并積極推進(jìn)該課程的教學(xué)研究工作。數(shù)字電路實驗室通過自主編寫實驗講義、自主研發(fā)硬件工作平臺、以及借助我校國家級電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗中心的在線教學(xué)及虛擬仿真支持平臺，在數(shù)字電路實驗教學(xué)中試點開展小班化虛擬仿真教學(xué)研究工作。在實驗項目設(shè)計上密切結(jié)合學(xué)科競賽內(nèi)容，著重基礎(chǔ)、注重前沿，在培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊溝通、思維創(chuàng)新、工程設(shè)計能力方面均取得良好的教學(xué)效果[2]。

一、“3+4+1”模式實驗安排

目前，傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗室仍采用數(shù)字電路邏輯實驗箱開展實驗教學(xué)工作，圍繞74系列芯片進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計；實驗項目固定，缺乏靈活性，不能發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和獨創(chuàng)性。經(jīng)過不斷的改革和完善，我校數(shù)字電路實驗內(nèi)容安排為“3+4+1”模式[3]?！?”指學(xué)生在數(shù)字電路邏輯實驗箱上完成3次實驗設(shè)計，從基礎(chǔ)驗證性實驗逐步過渡到設(shè)計性實驗，內(nèi)容包括TTL集成門電路測試、數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用、觸發(fā)器及計數(shù)器的應(yīng)用，旨在加強學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)?！?”指針對數(shù)字邏輯實驗箱上難以開展的設(shè)計性實驗，學(xué)生完成4次虛擬仿真實驗設(shè)計，逐步提升實驗設(shè)計的廣度和深度。“1”指以數(shù)字系統(tǒng)自動化綜合設(shè)計的形式完成1次研究探索性實驗，提高學(xué)生對實際問題的研究探索能力。具體安排體如下[4]。

1.TTL集成門電路測試與三態(tài)門(實驗箱實驗) 3學(xué)時

2.譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用(實驗箱實驗) 3學(xué)時

3.觸發(fā)器與計數(shù)器的應(yīng)用(實驗箱實驗) 3學(xué)時

4.組合電路的自動化設(shè)計一(虛擬仿真設(shè)計實驗) 3學(xué)時

5.組合電路的自動化設(shè)計二(虛擬仿真設(shè)計實驗) 3學(xué)時

6.時序電路的自動化設(shè)計一(虛擬仿真設(shè)計實驗) 3學(xué)時

7.時序電路的自動化設(shè)計二(虛擬仿真設(shè)計實驗) 3學(xué)時

8.數(shù)字系統(tǒng)自動化綜合設(shè)計(研究探索性實驗) 9學(xué)時

在數(shù)字電路實驗課程小班化虛擬仿真教學(xué)中，所選實驗項目可以是依據(jù)相關(guān)理論知識點設(shè)立的“虛擬”實驗內(nèi)容，也可以源于學(xué)科競賽內(nèi)容。同“虛擬”實驗內(nèi)容相比，學(xué)科競賽內(nèi)容更具前沿性、系統(tǒng)性和創(chuàng)新性[5]。以學(xué)科競賽內(nèi)容驅(qū)動的數(shù)字電路實驗課程教學(xué)，極大程度提升了實驗教學(xué)的趣味性、研究性及可研討性，為實驗課程小班化虛擬仿真教學(xué)的順利實施起到了關(guān)鍵作用。多數(shù)學(xué)科競賽內(nèi)容設(shè)立的目的并非為了實驗教學(xué)，對學(xué)科競賽內(nèi)容要從數(shù)字電路實驗教學(xué)角度進(jìn)行衡量和梳理，從中尋找合適的切入點和結(jié)合點；將學(xué)科競賽內(nèi)容引入到實驗教學(xué)中，還需對內(nèi)容的難易程度進(jìn)行把握，滿足數(shù)字電路實驗課程教學(xué)的需求。

二、探索小班化實驗教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量

(一)實現(xiàn)“兩個轉(zhuǎn)變”

小班化實驗教學(xué)是以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目的的一種教學(xué)方式。小班化實驗教學(xué)不同于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，教師要注意弱化自己的身份，在教學(xué)過程中實現(xiàn)“兩個轉(zhuǎn)變”，由以教師為主體的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的課堂教學(xué)，由學(xué)生聽課轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生問課。課堂上教師要改變將所有實驗步驟教給學(xué)生的觀念，盡可能的讓學(xué)生自己探索、自己思考。小班化實驗教學(xué)上教師起引導(dǎo)的作用，為學(xué)生指明前進(jìn)的方向，學(xué)生在教師所指方向上探索前行[6]。實驗過程中學(xué)生會遇到許多問題，傳統(tǒng)實驗教學(xué)中教師會找出問題并給出解決方案，而小班化實驗教學(xué)上教師采用討論式的方式解答問題。當(dāng)學(xué)生實驗過程中遇到問題時，教師召集學(xué)生展開討論，由學(xué)生提出看法、給出解決方案。當(dāng)參加討論的學(xué)生對提出的問題無法解答時，教師采用啟發(fā)的方式引導(dǎo)學(xué)生找到答案。

(二)小班化實驗教學(xué)實現(xiàn)方式

國家級電工電子實驗中心設(shè)有三個數(shù)字電路實驗室，學(xué)生實驗時，三個實驗室同時開放；為達(dá)到更好的實驗效果，對實驗人數(shù)進(jìn)行了一定的限制，每個實驗室最多允許20名學(xué)生同時進(jìn)行實驗操作。實驗主干內(nèi)容仍以傳統(tǒng)實驗授課的模式開展，研究探索性實驗則以小班研討模式進(jìn)行。小班化實驗教學(xué)主要圍繞“交流、研討、參與、動手”四方面展開，課堂上學(xué)生承擔(dān)“講解、補充、質(zhì)疑”任務(wù)，教師承擔(dān)“質(zhì)疑、引導(dǎo)、歸納”任務(wù)。研究探索性實驗共有9個學(xué)時，實驗前學(xué)生分組確定實驗設(shè)計方向。實驗課上由主講的學(xué)生在限定的時間內(nèi)講解設(shè)計內(nèi)容、實現(xiàn)步驟，由其它學(xué)生對其設(shè)計內(nèi)容提出質(zhì)疑，之后所有學(xué)生就設(shè)計要點、難點展開討論[7]。

(三)實驗教學(xué)評價方式

小班化實驗教學(xué)對學(xué)生的考核主要體現(xiàn)在“參與性、要點提煉、學(xué)識表現(xiàn)、文檔資料表述”等方面。實驗教學(xué)的具體考核評價內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，實驗教學(xué)考核注重實驗的過程性，避免以實驗考試定成績的方式[8]。在過程性考核方面，對驗證性、設(shè)計性實驗和研究探索性實驗分別進(jìn)行了量化考核，包括課堂實驗檢查、實驗報告、期末操作考核、項目階段性檢查、團(tuán)隊分工、項目驗收匯報等。學(xué)期末，由數(shù)字電路課題組老師對學(xué)生的綜合設(shè)計實驗進(jìn)行驗收和測評，課題組老師對該實驗教學(xué)法的教學(xué)效果給予肯定，認(rèn)為該教學(xué)法有利于學(xué)生協(xié)調(diào)溝通能力和工程設(shè)計能力的培養(yǎng)[9]。

表1 實驗教學(xué)考核評價內(nèi)容

三、借助虛擬仿真技術(shù)，提升實驗設(shè)計深度

(一)實驗箱功能擴(kuò)展，滿足虛擬仿真教學(xué)需求

數(shù)字電路實驗室的實驗箱主要支持74系列芯片的使用，能滿足傳統(tǒng)數(shù)字電路實驗課程的教學(xué)要求；由于不能軟硬件結(jié)合實現(xiàn)仿真等實驗?zāi)康?，已不能很好的適應(yīng)虛擬仿真教學(xué)的需求。采用數(shù)字電路邏輯實驗箱和EDA技術(shù)綜合實驗箱兩套實驗箱進(jìn)行實驗教學(xué)，能較好的滿足綜合設(shè)計性實驗教學(xué)的要求；但兩套實驗箱投入成本較高，同時也增加了實驗室管理的工作量。對原有的數(shù)字電路邏輯實驗箱進(jìn)行功能擴(kuò)展，增加CPLD模塊，不僅能將兩套實驗箱的功能進(jìn)行有效的結(jié)合，滿足數(shù)字電路實驗虛擬仿真教學(xué)的要求；還能為開放性實驗室提供使用，培養(yǎng)學(xué)生自主和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力[10-11]。

針對數(shù)字電路邏輯實驗箱不能軟硬件結(jié)合實現(xiàn)仿真的缺陷，對原有的90套實驗箱進(jìn)行功能擴(kuò)展，自主設(shè)計了CPLD模塊。CPLD模塊選用Altera公司的EPM570T144C5芯片作為核心器件，外圍電路配置了LED點陣、數(shù)碼管顯示模塊、LCD顯示模塊、直流電機(jī)模塊和按鍵模塊等。改進(jìn)后的實驗箱經(jīng)測試和使用，能滿足虛擬仿真教學(xué)的需求。

(二)在線教學(xué)及虛擬仿真支持平臺建設(shè)

多數(shù)虛擬仿真教學(xué)需在專用的機(jī)房開展教學(xué)工作，教學(xué)軟件只能安裝到本地計算機(jī)上獨立運行，沒有配套的教學(xué)管理資源。我校國家級虛擬仿真實驗中心與北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司合作開發(fā)了在線教學(xué)及虛擬仿真支持平臺。該平臺很大程度的改善了上述的不足，通過平臺的客戶端就能實現(xiàn)實驗課程的在線教學(xué)。該平臺主要包括教學(xué)計劃、開課管理、遠(yuǎn)程實驗操作和答疑室等模塊，可校內(nèi)外登錄虛擬仿真實驗中心，觀看實驗教學(xué)錄像、開展虛擬仿真實驗及實驗答疑等。

(三)虛擬仿真實驗項目設(shè)計

在數(shù)字電路實驗教學(xué)中引入虛擬仿真設(shè)計項目，突破了實驗箱上實驗項目單一、實驗創(chuàng)新程度不高的局限性，逐步提升實驗設(shè)計的廣度和深度。下面以“設(shè)計8位串行進(jìn)位加法器”為例，介紹采用虛擬仿真實驗項目進(jìn)行設(shè)計、仿真、下載的過程。

實驗任務(wù)：設(shè)計8位串行進(jìn)位加法器，給出時序仿真波形，進(jìn)行下載測試。

8位串行進(jìn)位加法器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

具體實現(xiàn)：(1)利用與門和異或門構(gòu)成1位半加器，并將其轉(zhuǎn)化為1位半加器電路元件模塊。(2)調(diào)用1位半加器電路元件模塊構(gòu)成1位全加器，并將其轉(zhuǎn)化為1位全加器電路元件模塊。(3)調(diào)用1位全加器電路元件模塊構(gòu)成8位串行進(jìn)位加法器，對其進(jìn)行全程編譯。(4)建立波形仿真文件，設(shè)置仿真器參數(shù)，輸出時序仿真波形。(5)對輸入、輸出引腳進(jìn)行鎖定，配置文件下載，對硬件電路進(jìn)行測試。

仿真：設(shè)置仿真時間區(qū)域為100us，對輸入引腳A[7]～A[0]、B[7]～B[0]、CI設(shè)置輸入信號，得到仿真時序波形。

下載測試：進(jìn)行引腳鎖定，輸入引腳A[7]～A[0]、B[7]～B[0]、CI分別鎖定于實驗箱的邏輯開關(guān)，輸出引腳S[7]～S[0]、CO分別鎖定于實驗箱的發(fā)光二極管。完成引腳鎖定操作后，打開編輯窗口，進(jìn)行編程器選擇操作，完成對目標(biāo)器件CPLD的配置下載操作。撥動邏輯開關(guān)，觀察發(fā)光二極管的亮滅情況，判斷8位串行進(jìn)位加法器的邏輯功能和工作情況。

四、教學(xué)改革的效果

小班化虛擬仿真教學(xué)在注重基礎(chǔ)知識的情況下，更加注重學(xué)生綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)。表2是傳統(tǒng)實驗教學(xué)和小班化虛擬仿真教學(xué)的學(xué)生在典型電路設(shè)計和綜合性實驗設(shè)計方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表2 傳統(tǒng)實驗教學(xué)和小班化虛擬仿真教學(xué)數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出，小班化虛擬仿真教學(xué)的學(xué)生在設(shè)計12分頻電路時設(shè)計方法更具多樣性，在綜合實驗設(shè)計時選題難度較傳統(tǒng)實驗教學(xué)的學(xué)生有極大程度的提升。表2的數(shù)據(jù)只能反應(yīng)教學(xué)改革的部分效果，在小班化虛擬仿真教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生表現(xiàn)出較高的積極性，都能順利的完成各類實驗項目的設(shè)計[12]。通過小班化虛擬仿真教學(xué)，絕大部分學(xué)生分析解決實際問題的能力得到了極大的提高，為他們學(xué)好其他數(shù)字類課程以及參加大學(xué)生學(xué)科競賽奠定了良好的基礎(chǔ)；經(jīng)數(shù)字電路實驗室培養(yǎng)的學(xué)生，在2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中獲得國家一等獎一組和國家二等獎二組。

五、結(jié)語

隨著數(shù)字電路實驗課程教學(xué)改革的逐步推進(jìn)，以小班化虛擬仿真教學(xué)為主的實驗教學(xué)模式將逐步取代基于74系列芯片的驗證性實驗教學(xué)。改進(jìn)后的實驗課程模式，克服了教學(xué)場地和實驗設(shè)備對實驗項目的限制，提高了實驗教學(xué)效果，同時降低了實驗成本。數(shù)字電路實驗室在自制教學(xué)儀器設(shè)備、實驗內(nèi)容改革、培養(yǎng)學(xué)生參加電子競賽等方面取得了一定的成績，但仍需不斷推進(jìn)實驗課程的改革，為學(xué)生提供更加良好的實驗氛圍。

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A Probe into Digital Circuit Experiment of Virtual Simulation Teaching in Small-sized Class

MA Xue-tiao

(SchoolofElectronics&Information,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The problems in the current teaching of the course of digital circuit experiment are analyzed.Based on the actual specific experimental situation in Hangzhou Dianzi University, the paper illustrates the teaching methods of the experiment related with the educational reform of digital circuit experiment, which includes the following three aspects, the small-sized class teaching，the virtual simulation teaching and the discipline competition. The result shows that the reform has achieved a good teaching efficiency in cultivating students ‘a(chǎn)nalyzing and solving practical problems and their innovative capabilities, which can be taken as a reference in the teaching similar courses.

virtual simulation；small-sized class teaching；digital circuit；experiment teaching

10.13954/j.cnki.hduss.2016.06.013

2015-10-23

杭州電子科技大學(xué)高教研究課題(YB201524)；浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項目(kg2013125)；浙江省高等教育教學(xué)改革項目(jg2015060)

馬學(xué)條(1984-)，男，浙江溫州人，助理實驗師，電路與系統(tǒng).

G642

B

1001-9146(2016)06-0064-04