蔡春晓　周巍　孟德明　李燕龙

【摘 要】针对开展工程教育专业认证背景下，分析了目前数字逻辑实验存在的问题；通过分析开展工程教育专业认证的标准，提出适应专业认证的数字逻辑电路实验的改革方案，包括优化实验内容，加强实验预习环节管理，加大EDA实验技术内容，优化网络资源，改革考核方式等。实践结果表明，改革方案是可行的。

【关键词】数字电路；专业认证；教学内容；EDA技术

中图分类号： TN791-4 文献标识码： A 文章编号： 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

隨着高等工程教育改革不断推进，工程教育专业认证已成为一种趋势。工程教育专业认证标准重视考察学生综合运用所学科学理论和技术手段，分析并解决工程问题的基本能力；除了要求学生掌握必要的工程基础知识，接受本专业的实验技能工程实践、计算机应用、科学研究与工程设计方法的基本训练外，还应该具有创新意识，对新产品、新工艺、新技术和新设备进行研究、开发和设计的初步能力。实践教学不仅对学生理论联系实际、加深对理论的感性认识有着非常重要的作用，同时也是实现应用型人才培养目标的主要途径，对学生整体工程素养、工程知识、工程能力的提高起着重要作用。在工程教育专业认证通用标准中列出了实验环节的评估指标，从更加贴近工程实践、贴近企业界人才需求的角度对教学内容、教学方法、考核等方面进行了详细规定。因此，依托工程教育专业认证标准，对电子信息类实验课程进行改革，加强实验环节对产业发展的适应性，使学生更贴近企业和社会的需求，是保证工程应用型人才培养质量的必然趋势。本文介绍适应专业认证的数字逻辑电路实验改革与实践经验。

1 目前存在的问题

实验室于2005年配置了ALTERA公司的ED2开发板，并于同年投入本科生和研究生教学活动中，在这些年本科生的教学活动中数字逻辑电路实验主要存在如下几方面的矛盾与不足：

（1）虽然DE2开发板上集成了丰富的外设，但是要使用这些外设要求学生具备相当的专业知识，某些专业即使具备相应的知识，但是由于学时数限制在2个学时甚至是4个学时的时间段内绝大部分同学不可能完成一个比较完整的小系统级电路的设计与调试；

（2）虽然数字逻辑电路实验加强了实验的预习情况的检查，但是在实际过程中还是发现相当一部分同学的实验预习流于表面不够深入；

（3）虽然已经加大了实验开放的力度，也存在相当一部分学有余力的学生“吃不饱”，这主要表现在需要更多的开放时间和更加有“挑战性”的实验项目。

2 改革思路

通过解读专业认证的标准以及目标，发现目前数字逻辑电路实验的内容和结构不太适应专业认证的要求。主要表现为：现有的数字逻辑电路实验的开设方式以74系列数字芯片为主要目标器件的硬件实验和以DE2开发板为主要平台的EDA实验两个部分相结合，但硬件实验为主、EDA实验为辅的方式；受教学时数的限制，EDA实验的目的主要是让学生了解业界新技术新方法，所以这部分实验开设得较浅显不够深入；74系列数字芯片在业界的使用日趋减少，而EDA技术的使用范围和深度都在扩大，从实验内容看学生所学知识、技能和业界主流技术之间的差距在不断加大。因此为使得数字逻辑电路实验更加适应于专业认证的要求，拟通过增加EDA实验在整个实验课程中的比重为主来进行相应的教学改革。

针对卓越班的学生进一步增设基于EDA的实验项目，使得课程能够与当前业界新技术接轨，加大系统级电路实验的数量，同时在项目中注重引导学生对功耗、性能、可靠性的等系统性能方面的关注，使学生在实验中能获得系统级设计的初步感性认识，使得专业基础类实验教学更加贴近工程性。endprint

3 实践方案

3.1 对实验内容的整合与拓展

数字逻辑电路是电子信息类专业一门重要的专业技术基础课程。该课程中基本门电路的实现原理以模拟电子技术为基础；555时基电路及其应用以模拟电子技术和电路分析为其基础；组合逻辑电路中的编码器、译码器、数据选择器、全加器半加器等是学习微机原理、接口技术等课程的重要基础；集成触发器组成的锁存器，移位寄存器等和时序电路的计数器等也是学习后续计算机类课程的基础；数字逻辑电路中还包括了计算机通信等领域广泛应用的A/D和D/A转换的硬件实现原理和过程。因此，数字逻辑电路是一门承前启后的技术基础课。近年来，随着新技术发展，数字逻辑电路理论教学相应增加了可编程器件的内容。

结合理论课程的特点，我们对实验的内容进行了整合与拓展。具体如下：

第一、保留了TTL和CMOS集成逻辑门的逻辑功能于参数测试，时基电路555的功能及应用。该两个实验内容涉及到电路分析和模拟电子线路的知识比较多，又具有数字逻辑电路自身的特点。同时理论课讲述原理性的较多，涉及到逻辑器件电物理特性参数的内容少，该实验有助于学生了解工程应用中逻辑器件的使用范围和条件。这是俩个传统的实验内容，我们保留并作了适当的强化，例如要求学生对比CMOS和TTL门电路的特性；要求学生对由555构成的单稳态触发器和多谐振荡器作理论的分析和实验结果的对比，并找出实验结果和理论分析存在差异的原因，目的是为了更好的和理论联系，激发学生的学习热情和兴趣。

第二、新增了A/D，D/A实验，保留并修改了集成触发器的应用内容及计数器的应用内容。这是后续课程如计算机组成原理，接口技术等计算机类课程的电路基礎，对这些内容安排实验，加深其体会，有利于学生后续课程的学习与理解。A/D，D/A属于新设实验，集成触发器的应用和计数器的应用属于原有实验项目。考虑到学生学习后续课程的需要，加深加宽了实验内容。

第三、增加了组合逻辑中的竞争冒险观察实验和基本逻辑门的延时测量实验。很多理论教材对竞争冒险讲得很少或者忽略没讲；数字逻辑门电路的延时在理论教学和实验教学中都是容易忽略的问题，为让实验更加接近工程实践，培养学生的工程意识，我们新设了该实验。

第四、增设了EDA实验内容。我校现代数字逻辑电路的理论教学已包括可编程逻辑器件的内容。开设EDA的硬件条件是Altera公司DE2开发学习板。DE2板主要是面向NiosⅡ/SOPC的设计与实验板，但其上也包含了16个LED指示灯，18路拨动开关，8个数码管，4个按键开关，适合于数字电路的初学者完成一些简单的数字逻辑电路的设计。根据其结构，我们设计了8路抢答器、数字钟、流水灯等实验内容供学生任选其一完成设计。同时，在该设计性实验内容前安排了一次QuartusⅡ软件使用及DE2实验板使用实验，为学生使用该开发板提供基础。

3.2 加强预习环节管理，革新传统预习报告和实验报告书写模式

传统的预习报告和实验报告内容空洞，不外乎包括实验目的、实验仪器、实验原理、实验过程等几部分，这种格式的报告既不考虑实验类型的差别，也不考虑实验内容的不同。由于针对性、引导性不强，绝大多数学生不知道预习报告和实验报告写什么，多数学生只是把实验名称、实验目的和简单的实验原理等书上的内容抄一遍，对于实验所涉及的基本操作及其原理和各种关键性问题反而没有预习，对一些必要的设计环节应付了事。针对以上问题，根据每个实验项目的具体内容设计一体化的实验预习和实验报告格式，类型主要分验证性实验和设计性实验，引导学生根据具体实验内容有针对性的主动进行课外预习，高质量的完成预习报告，把有限的实验课有效的延伸到课外，改变学生对实验讲解的过多依赖，以便在有限的实验时间内更好的操作、观察、思考和总结实验，提高学生的实验能力和思考能力，使学生书写预习报告和实验报告不停留于形式和应付的思想，提高学生的积极性和自觉性。

3.3 加大EDA实验技术内容

措施一：研发了一款低成本的CPLD实验小开发板发放给学生，学生可以利用课余时间在寝室就以达到来实验室做实验或做预习，解决学生“吃不饱”的问题，同时要求学生的所有实验预习（包括基于74系列数字芯片的实验）首先在该CPLD上完成。CPLD最小板采用Altera公司的可编程 PLD 器件Max7000S系列的EPM7064SLC44-10为核心器件，该CPLD器件为PLCC-44封装，方便学生焊接。 CPLD器件I/O接口与输入输出器件（开关、按键、发光二极管、数码管、555多谢震荡信号源等）全部采用固定连接，使用时向学生提供 PLD 与外围器件管脚对照表。学生先将给定的CPLD最小电路板装配完成，并调试，使电路板能够正常下载程序，然后自主选题，完成一个特定项目的实验。学生可根据自己的实验需要在Quartus开发软件中画符合软件要求的电路图或编程，然后进行相关配置（即管脚设定）及调试下载验证。实验方法从传统的硬件搭试方式转到了软件设计、仿真调试电路系统的实验方式，使传统硬件设计方式用EDA技术来实验。通过该环节，学生掌握了硬件装配知识，焊接调试能力，程序设计分析能力，激发了学生学习的自觉性和主动性。

措施二：研发了一款同时兼容DE2和上述的CPLD实验开发板的外设小模块，来开设一些适合刚学习数字逻辑电路课程的学生完成的规模较小系统级的实验项目，解决上述的矛盾，即DE2开发板丰富外设同要求学生具有相应专业知识和对学时数的要求之间的矛盾。A/D转换器和D/A转换器是连接数字世界和模拟世界的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用，因此学习AD、DA转换原理。而DE2本身不具备AD/DA转换模块，需要利用DE2预留的扩展接口设计AD/DA转换模块。A/D转换器采用ADC0809芯片，D/A转换器DAC0832芯片。利用AD转换模块，可实现较为复杂的数字系统设计，如电压表的实现，学习用状态机对A/D转换器ADC0809的采样控制电路及较为复杂系统的VHDL编程方法。利用DA转换模块，可实现较为复杂的数字系统设计，如正弦波信号发生器的设计，学习较为复杂系统的VHDL编程方法。endprint

3.4 利用网络手段，发挥现代教育技术优势

网络的普及和应用，深刻地改变了教育观念和教学方法。利用网络实施教学已经成为“数字电路实验”教学改革的内在需求。在“数字电路实验”的教改过程中，我们通过建设课程资源库网站，较好地发挥了现代教育技术的优势。通过网站，我们为学生提供了全部课题（包括必做课题和选做课题）的相关资料、参考文献、网络实验等内容，为学生的课前预习、课堂实验、课后总结以及实验报告撰写创造了条件。学生还可在网上进行实验（虚拟实验），将课堂进行了有效的延伸。此外，网站为教学交流提供了优良的环境，教师可及时发布教学信息，包括资料、教学安排以及教学内容的更新等；学生可即时反馈意见，拓宽了师生交流的平台。在原有的基础上，进一步优化课程资源库网站，针对课程的实验重点、难点和实验过程中易出现问题的地方，如“如何利用数据选择器实现逻辑函数”、“如何用反馈置数法设计减计数器”等，开发和拍摄实验视频，补充课堂的不足，方便学生课外学习。

3.5 改革考核方式，激发学生学习兴趣

课程考试是教学工作的重要环节之一，考试形式对教学具有重要影响。传统考核方式多以平时成绩和期末考试（考核）作为评定学生成绩的依据。这样的考核方式存在平时成绩的不公平和不公正性，以及期末考试的“突击性”等缺点。在这样的考核方式中，作为教学活动主体的学生始终处于被动状态，不利于发挥学生的能动性，不能解决他们需要解决的问题和困惑，往往是不会做的依然不会，不懂的依然不懂，没有针对性，不能查漏补缺。学生往往平时学习松懈，考前突击准备，只注意自己的成绩分数，不注重实验过程和能力的提高。为了能够使考核不仅体现评定成绩的客观性，更能作为促进教学过程的重要环节。评定成绩由平时成绩和期末成绩组成，平时成绩占40%、期末考试成绩占60%。平时成绩分为实验预习、实验操作和实验报告三部分。其中，实验预习占30%（随堂评定）：包括实验原理（5%）、实验电路图（10%）、实验步骤拟订（10%、数据记录表格设计及其他（5%）；实验操作占40% （随堂评定）：包括仪器设备操作方法（10%）、实验结果的正确性（15%）、排除故障的能力及创新能力等（15%）；实验报告占30%：包括实验原理与电路图（5%）、实验内容和过程的陈述（10%）、实验数据记录和处理（5%）、实验结果（结论）等（10%）。考核成绩占60%：实际操作占40%；测试结果占30%；卷面成绩占30%。总成绩按100分计算（不按A、B、C或优、良、中划分等级），其导向是让学生把主要精力放在平时的实验课题上，放在能力培养上，而不是在最后的考试中“押宝”，这样有利于培养良好的学风。通过这样的改革，学生的学习积极性得到了极大的提高，投入实验的时间增多了，动手能力增强了，实验操作以及实验报告的质量有了明显的提高。

4 结束语

实践表明，通过对数字逻辑电路实验课程的一系列改革，极大地提高了该课程的教学质量和教学效果，增强了学生对该课程的学习兴趣，调动了学生的学习积极性，初步培养学生工程实践能力，熟悉目前业界使用的新技术、新方法和新手段，培养系统级数字电路设计的能力，加深学生对数字电路功耗、稳定性、工作频率等电路性能的理解，为进一步的专业学习打下坚实的基础。“学无止境，教无定式”，我们会在实践中不断完善改革，使改革能够与时俱进，适应高等工程教育专业认证标准，为培养更多高素质的应用型人才而努力奋斗。

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