谈数字电子技术实验教学改革实践

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摘要:为适应新工科背景下对新型人才培养的要求，对数字电子技术课程进行了持续而深入的改革。首先，理论教学将传统逻辑门与现代FPGA技术相结合;其次，实验平台由多门相关课程整合并演进到具有高性能的FPGA多功能外设平台;再次，自编实验教材，注重数字逻辑设计的基本方法，实验内容循序渐进，由易到难，涵盖工业界广泛使用的FPGA常用技术;最后，结合自行开发的便携式FPGA小系统，在课程自由实践环节采取以项目为导向的教学方式，使不同基础的学生都得到足够的工程能力训练。实践结果表明，此次教学改革不仅加强了学生对基础知识的掌握，还有效提高了学生综合工程设计能力和创新能力。

关键词:新工科建设;数字电子技术;课程改革;FPGA技术

数字电子技术课程在新工科建设背景下必然是电子信息，通信工程和自动化等信息类工科专业建设的重要内容之一［1，2］。然而，由于存在工科基础弱和生源主要来自少数民族地区的客观情况，民族高校的数字电子技术课程改革难以直接照搬其它高校在理论课改革和实验课改革的成功经验［3］。对工科专业基础课程而言，仅掌握理论知识是远远不够，还必须重点训练将理论知识在实践中应用的能力，并在实际应用中再体会，消化，最终转化为分析和解决实际问题的能力［4，5］。若实验平台和实验内容不合适，则课程改革难以达到预期目的。因此，实验教学改革是数字电子技术课程改革的关键。基于此，本文主要对实验教学改革进行讨论，详细的实验课程改革如下:

1实验平台改革

实验改革主要包括实验平台的选择和实验内容的设计，以达到循序渐进地培养学生分析、解决和设计实际工程问题的能力。为配合课程改革，我们设计了基于FPGA的实验平台，同时该平台也能满足传统逻辑门实验。若进行FPGA实验，电路设计在电脑上用软件编程或原理图完成，下载验证时只需连接少量输入输出线即可。因成本低，操作方便，本实验箱在2015年首届湖北省高等学校自制实验教学仪器设备评选活动中获得优秀奖。从2013和2014级的实验教学情况来看，该实验箱完全能够满足新版教学计划对数字电子技术实验教学的要求。为提高实验室的利用率，2015年学校实验中心设计开发了一款基于DE1－SOC开发板为核心的数字系统综合实验平台。除DE1－SOC本身的资源外，底板还增加了大量资源，以方便少量传统数字电路实验教学。该实验平台高性能的FPGA和多功能外设，为数字电子技术实验提供了有力的支撑。

2基础实验内容设计

实验一共18个学时，6个实验，其中实验1、2采用传统门电路设计;实验3，4，5，6采用FPGA设计。虽然总学时不多，由于使用效率更高的FPGA平台，相比传统实验箱，新实验内容反而更加充实和实用。实验一是逻辑门电气特性测试与SSI设计，其中逻辑门测试完成对74LS逻辑门输入输出电平，电压传输特性测试以及用与非门实现其他逻辑门，最后采用74LS00和74LS10设计三人多数表决器。实验二为MSI设计，一共3个内容，分别为采用74LS38译码器设计具有报警功能的电子密码锁，采用74HC151数据选择器设计多路开关控制灯和采用加法器74LS283实现8421码与余3码的双向转换。实验三为Quartus软件的使用。其目的在于让学生掌握基于Quartus的数字逻辑电路设计的基本流程和关键步骤。本实验内容包括:1)基于原理图设计的三人多数表决器;实验给出详细步骤。2)基于VerilogHDL语言的产品等级检测电路;工程设置，编译和下载步骤与第1个内容完全一致，省掉这些重复内容，重点介绍基于新建文本源文件和基于文本的管脚指定方法。3)电子密码锁，重点给出功能仿真的详细步骤。实验四是基于FPGA的组合逻辑电路设计，其目的是掌握常用组合逻辑电路的行为描述。本实验的具体内容为:1)独立按键编码及显示电路。2)采用VerilogHDL语言设计显示译码器。本实验可以加强学生对7段显示译码器逻辑功能的理解，巩固对Verilog行为描述中case语句的掌握。3)采用混合设计方式设计两路4比特加法及结果显示电路。实验五为基于FPGA的时序逻辑电路设计。本实验包含的3个内容分别为:1)设计分频器，实现将50MHz的高频时钟分频到2Hz的低频时钟;训练学生掌握基于Verilog语言设计计数器或分频器的基本方法。2)利用内容1)设计的2Hz时钟作为工作时钟，设计一个5节拍的顺序脉冲发生器;并显示时钟节拍数。3)设计可变计数器，其目的是训练学生对计数器设计方法的掌握，计数器可采用原理图或硬件描述语言实现。实验六为555定时器应用与秒表。第1部分为传统的555定时器的基本应用，包括施密特触发器，单稳触发器和多谐振荡器。第2部分为基于FPGA的多功能秒表设计。具体要求为:能够最大计时到15分钟，具有暂停，复位，加计时和倒计时功能。学生需要提前设好秒表的代码，进实验室完成调试、修改和最终验证。上述实验兼顾传统与现代数字逻辑电路设计方法，实验内容由易到难，循序渐进，易于学生理解掌握，又能训练学生的工程综合能力。

3课程项目实践

课内基本实验主要训练逻辑电路的FPGA实现技术，其综合应用相对来说还是偏少。为适应新工科背景下的课程建设的要求，进一步提高学生的工程能力和创新水平，从2017年开始，我院的数字电子技术课程增加了综合实践项目。为方便综合实践项目的开展，我们还设计了一款便携式FPGA开发板。其核心为2012年校实验技改项目设计的4层FPGA核心板，底板上设计了一个4位一体的数码管，8个拨码开关，8个发光二极管，USB供电接口，8位ADC，8位DAC和温度传感器DS18B20等。学院一共做了120套便携式FPGA开发板，并配置了USB－Blaster下载器。在数字电子技术课内实验做完后，学生分批到学院登记借用，进行课程项目实践。实践项目有:数字电压表，低频数字频率计，数字温度计，DDS信号发生器，数字频率计，PWM信号发生器等。学生选题不局限于这些内容，也可自主选题。在整个设计和制作阶段，学生可咨询老师或高年级学长。考虑到不同学生的差异性，自由实践环节为1个月时间，基础较好的同学一般能够在2周内完成，基础差一些的同学也能在1个月内完成。由于具有很强的开放性，自由项目实践在学生自主学习能力、查阅文献的能力和综合工程设计能力的培养方面起到了重要作用。从近年来的结果看，这种项目实践对学生综合电子设计能力的提升起到了很好的作用。通过这些项目的锻炼，激发了学生对专业的兴趣，并通过后续持续的学习锻炼，我院学生在近5年全国电子设计大赛，智能车竞赛中获得国家级奖励20多项和省级奖励60多项，毕业生专业能力和综合素质也得到广大用人单位的肯定。

4结束语

本文探讨了在新工科背景下，数字电子技术课程改革实践，重点给出了实验平台改革，实验内容设计和课程项目实践。在整个课程改革中，一直坚持持续改进的理念，根据理论和实验教学反馈情况，每年对实验内容和实践项目进行修订，逐步完善。通过这些改革，极大地提升了学生对专业的学习兴趣和工程实践能力。这些经验对广大的普通高等学校的电子类课程改革具有一定的借鉴意义。

参考文献

［1］董玉冰，李明晶．新工科背景下混合式创新教学在数字电子课程中的应用探索［J］．长春大学学报(自然科学版)，2017，27(5):117－120．

［2］张秀再，裴晓芳，赵益波，等．新形势下“数字电路”课程教学改革探索［J］．电气电子教学学报，2018，40(6):43－46．

［3］陆冰，魏芸，闾燕，等．“数字电子技术”课程教学改革的实践［J］．电气电子教学学报，2013，35(4):46－47．

［4］吴淮，吉家成，米源．"以赛促学"的实验教学模式探索与设计［J］．实验科学与技术，2019，17(2):86－88．

［5］杨晶晶，慕晓刚，刘延飞．基于CKDI的“数字电子技术”课程实践教学改革［J］．电气电子教学学报，2018，40(6):148－150．

作者：饶文贵 王勤 朱正平 陈锟 单位：中南民族大学