综合设计型实验教学方法探索

李建霞

摘要顺应实验教学示范中心教学模式的改革，针对综合设计型实验，将传统的设计－硬件实验两步教学模式，优化为设计－软件仿真－硬件实验三步教学模式，这种教学方法可以改善现有实验教学中的很多不足，使学生在较短时间内直观、透彻的掌握所学内容。经过三年的教学实践，收到了很好的效果。

关键词数字实验，EDA，综合设计型，实验教学示范中心。

中图分类号X52

文献标识码A

文章编号1005-4634(2009)03-0062-03

0引言

科学技术的快速发展，开拓了许多新的领域，计算机的普及以及计算机技术的不断进步更新，极大发展了现代教育技术。目前，借助于计算机技术的EDA技术已经成为21世纪教育教学改革的一个重要的突破口，在改变教学模式、教学内容、教学手段、教学方法方面克服了传统教学中存在的许多缺陷和不足，凭着自身的优点得到了越来越广泛的应用，突显出的教学作用也越来越大。

实验教学示范中心是高等院校培养学生创新能力、独立工作能力和工程实践能力的重要基地。而学生能力的形成是一个循序渐进的过程，是通过有意识、有计划的培养过程中逐步形成的。笔者在不断的摸索和实践中，逐步形成了基础实验、提高型实验、研究创新型实验等三个层次的实验教学体系，而后两个层次的实验教学又以设计综合型实验为主，如何引导学生在综合设计型实验中独立思考问题、解决问题，并从中提升自己综合实验能力，就显得尤为重要。

《数字电路》课程是电子信息类专业的一门重要的专业基础课。同时又是一门实践性很强的课程。课堂教学的内容需要学生亲自动手实验，在动手的过程中对所学知识加深理解，提高对知识的运用能力。这就决定了数字电路教学必须重视实验教学。实验教学不再是课堂教学的补充，而是真正提高教学质量、提高学生素质的至关重要的一个环节。针对数字实验教学的特点，将EDA技术引入到数字电路实验教学中，将传统的“设计一硬件实验”两步实验教学模式优化为“设计一软件仿真一硬件实验”三步实验教学模式，使学生能够在使用EDA软件进行实验电路仿真，验证设计正确后，再采用分立的集成芯片搭建硬件电路。这种将EDA技术中的软件仿真功能引入到实验教学中来，采用“软硬兼施”的方法，全面升级了数字电路课程的实验教学，培养了学生的学习兴趣，提高了学生的动手能力。

1数字实验教学的发展及现状

1.1EDA技术的发展

EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化技术，诞生于20世纪六、七十年代，是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具的一门新技术。它通过有关的开发软件，自动完成由软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真等功能。直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。随着大规模可编程逻辑器件的问世，世界上一些大型EDA软件公司已开发了一些著名的软件，如AutoCAD、Cadence、PSPICE等。每种软件都有其优点和适用的场合，其中，Maxplus2是Altera公司推出的第三代PLD开发系统，被公认为是最易使用、人机界面最友善的PLD开发软件，特别适合初学者使用。Maxplus2设计输入有多种方式，目前比较常用的为原理图输入和文本输入方式。在学生接触数字电路初期，建议采用原理图输入方式。原理图输入方式直观简单便于理解，可以使学生很容易的和集成芯片硬件电路联系起来。文本输入方式就是采用硬件描述语言对所要实现的功能进行结构或者行为描述，常见的硬件描述语言有VHDL语言和Verilog等。采用VerilogHDL进行电路设计与工艺性无关，这使得设计者在进行电路设计时可以不必过多考虑工艺实现的具体细节，设计者只需要利用计算机的强大功能，在EDA工具的支持下，通过VerilogHDL的描述，完成数字电路和系统的设计即可，从而提高了设计效率，降低了设计者的劳动强度。采用硬件描述语言进行设计，是未来发展的必然。

在数字实验教学中，可以运用EDA设计中的功能仿真环节，采用原理图输入的方式，使学生在直观、易懂的基础上，对自行设计的电路进行软件仿真，一步步地完善自己的设计电路，直至设计完全正确。确保设计无误后，再进行硬件实验，便于学生更深入的理解和掌握。学生在完成设计要求的基础上，还可以很方便地进行创新性实验，尽自己最大的努力将自己的构思付诸设计中，使得自己的设计新颖、完善且多样化，从而发挥了学生的智慧，提高了学生综合实验的能力。

1.2实验教学现状

现行的实验教学模式已经由传统的验证型实验发展为设计综合型实验主导。这样既可以激发学生的学习兴趣和主动性，又可以提高他们的创新意识，培养学生独立思考、综合分析问题和解决问题的能力。

在理论学习的过程中，由于学习时间不够充分等多方面的原因，学生对知识的掌握往往不够精确，一知半解。这样就造成了学生在设计实验电路的过程中，会出现很多问题。鉴于这种情况，如果直接让学生在硬件实验平台上进行实验的话，会造成很多麻烦。比如：烧毁芯片，烧毁设备等，而且对于一些相对比较复杂的实验，连线较多，若直接采用分立元件去搭建电路会出现很多诸如连线出错的问题。而这些错误从长远看往往会大大的增加实验成本。在这种情况下，学生无从判断是设计问题，还是因疏忽大意造成接线错误而出现的问题。有一大半的时间花费到了如何正确接线和排除故障的环节中，这样的实验不但不能激发学生的学习兴趣，还会阻碍学生进一步探索。如何在较短的时间里既完成教学任务又能更好地培养学生的动手能力和创新意识，是摆在面前的一道难题。针对此类问题，笔者采用将设计综合型实验的教学模式从“设计-硬件实验”优化为“设计-软件仿真-硬件实验”软硬件结合的三步来实现。

利用EDA软件将抽象的理论知识，用科学、直观的方式展示出来，深入浅出的分析各种电路的特性，加深学生对于理论知识的理解，激发学生的学习兴趣，开拓思维，培养学生的实践能力和创新意识，实现了事半功倍的教学效果。

随着EDA技术的发展，电子器件已经发展到了大规模的可编程逻辑器件时代。但是这些可编程逻辑器件造价高、使得初学者不易理解。分立元件造价低、直观易懂，容易和教科书上的内容结合起来。可以使初学学生深入地、基础性的理解理论知识的内涵。所以，在硬件实现的过程中，仍建议从传统的以分立元件为主的基础实验抓起，打好基本功，使学生具备初步的动手能力和实验技能，逐步过渡到以专用集成电路为主的专业基础实验，熟悉

各种集成器件，学会用集成器件设计电路，最后达到以可编程技术为主的专业性实验。

1.3设计实例

本文结合一个数字实验中常用的教学实例，来介绍这种教学方法在实验教学中的运用。要求设计一个满足如下条件的三位数字显示可控制计时器：①计时范围为0～9分59秒，精确到秒；②能实现开机自动清零和手动清零；③用三位数码管显示计时时间：④可随时启动和停止计时，显示当时的计时值。

1.3.1设计原理

1)采用三个十进制计数器74160，前两个74160构成60进制计数器，做秒计数。然后运用秒计数的进位输出送给最后一个74160作分钟计数。

2)采用拨码开关SW2控制74160的置数端，计数器的预置数设计为零，在SW2输入低电平的时候，输出变零，实现手动清零功能。

3)采用拨码开关SW1控制秒计数器的使能端，可以实现计时器暂停。

4)数码管及BCD译码器实验箱上自带，所以直接将输出的三个四位二进制数接在实验箱的插孔上就可以了。

设计原理图如图1所示。

1.3.2软件模拟仿真

本实验中，有几个学生容易出错的地方：①74160的特点是异步清零，同步置数。很多初学的学生在设计时会忽略这个问题，造成秒计数和分钟计数之间进位的错误。而且在实验过程中只看到输出状态很乱，找出问题所在比较麻烦；②设计要求清零端设计和暂停功能的设计，使得设计起来相对比较复杂，学生难以保证设计的正确性。

所以，需要在maxplus2中，对所设计的原理图进行功能仿真，从仿真结果，可以很简单的看出，设计满足需要。

仿真结果如图2所示。(a)为清零控制功能仿真结果图，从图中可以看出，在清零开关SW1变低电平时，计数器清零。(b)为暂停控制功能仿真结果图，暂停开关SW2变低电平时，输出不变。(c)中可以很明显的看出六十进制计数器各个状态的正确性。从(d)中可以看出由秒向分钟进位时，设计状态的正确性。

1.3.3硬件实验验证

经过软件功能仿真验证设计正确后，将设计的电路图在实验箱上用硬件连接起来观察实验现象。

1.4课堂教学实现

教学示范中心针对这种教学模式，提供两个多媒体教室，60台PC机，可以同时给两个班级上课。在第一节实验课上，笔者给学生讲述Maxplus2软件的仿真功能的简单运用，以及硬件实验应注意的问题。后面的实验中，采用开放式实验教学，在规定的时间内，学生可以随时到多媒体教室进行软件仿真设计电路或到硬件实验室进行硬件实验验证。在完成实验要求的项目后，学生可以自行设计感兴趣的电路，不断拓展思维，培养创新意识。

2结束语

笔者自2005年开始，面向电类学生的数字电子实验课程实行“设计-软件仿真-硬件实验”软硬件结合的三步实验教学模式。实践证明：这种直观、形象化的教学方法大大提高了教学质量和效果，调动了学生学习的主观能动性，帮助学生快速深刻地理解和消化课堂上所学的理论知识。有利于创新型、综合设计型实验的开展，提高了学生对电子线路的认知能力和分析问题的能力，提高了设计效率和质量。对进一步培养学生的应用能力、综合分析能力、创新设计能力及综合素质等有重要意义。这种教学模式有望进一步拓展到电类学科实验教学中。