数字逻辑与系统设计类自主实验教学模式研究

张洪杰 方恺晴 徐 成

摘 要：介绍自主实验教学模式的特点和低成本便携式实验设备，说明“模块化、预期学习成果”为导向的课程设置和3类典型实验案例，分享考评体系建设经验。指出自主实验教学模式可以利用有限资金和设备深化实验教学改革，具有推广价值。

关键词：自主实验教学；数字逻辑与系统设计；便携式实验设备

0 引言

目前，为了适应计算机与电子信息技术“厚基础、强能力和高素质”复合型人才培养目标要求，国内各高校的教学改革高度重视开放式实验教学”。但是，实验改革必然性与持续性投资不足的矛盾给国内高校带来一些新问题，如教学内容不系统，教学模式缺少改革，教学资源欠充实等，学科教学计划设置不合理，导致出现实践课程超前于理论课的现象；另外还缺乏对自制实验设备的改革与教学模式及评价体系的创新。

1 自主实验教学模式

自主实验教学模式是以案例开发为驱动，以便携式实验设备为载体，以学生为主体，鼓励学生在实验内容上进行自主创新，综合教师引导、集中答疑，从知识、能力和素质3个方面进行全面考核评价。

1.1 优势

开设自主实验有利于培养学生创新思维和动手实验能力，更能培养学生面对复杂实际问题的主动探索精神，因而得到学生由衷的接纳与欢迎。

传统计算机实验室存在使用权限、电脑数量和操作系统限制的弊端。自主实验教学模式符合计算机与电子信息类实验室零台式电脑建设要求，学生利用自备手提电脑和便携式实验设备完成实验，减少了电脑设备更新单项资金的投入，弥补了实验室空间和设备开放方面的短缺。

知识、能力和素质3个方面综合考评体系，避免了传统实验以实验报告和出勤为主的单一考核方式。

1.2 便携式实验设备构成

公司实验设备往往针对研发人员设计，功能和操作较复杂，再加上技术相对落后、附加配件繁多、大包装等盈利性因素，限制了学生实验自制实验设备是本科教学工作优秀学校评价的重要组成部分。为了促进实验教学改革，实验室应因地制宜地自制实验设备。

在数字逻辑与系统设计类自主实验教学中，指导学生课上课下相结合，积极开展自主实验，主要采用3种便携式设计验证设备：①免费Quartus集成的波形编辑与仿真器；②自主设计的开源8位CPU模拟器；③自主知识产权的便捷式EDA系列实验板。

2 教学办法

2.1 课程设置

老师是主导，学生是主体。课堂上面对面答疑，老师引导学生完成实验、验收、测试3部分内容。课下，学生自主实验教学项目或依兴趣自行设计实验方案解答问题。从学生认知过程和教师实验教学开展两方面人手，设置了数字逻辑与系统设计类实验相关内容、课时、便携设备、预期学习成果，如表1所示。设备序号分别对应1.2节中3种便携式实验设备。O代表各门课程适用模块。√为各模块训练的预期学习效果。

老师开发自主实验教学案例，精编涵盖认知型、设计型和综合型实验的指导教材和完善的网络课程资源。

明确专业学习目标，依据各项预期学习成果指导数字逻辑与系统设计类专业实验课程、课程实验、实习和创新训练。

全程采用便携式实验设备以及可自由搭配的模块化教学内容，完全满足不同专业学生多层次自主学习要求，充分激发学生潜能，培养学生创新和实践能力，提高学生综合素质。

2.2 仿真验证实验

仿真验证实验专项训练旨在培养学生分析和解释数据的能力，识别、制定和解决工程问题的能力，进一步提高应用本专业数学、科学和工程知识的应用能力，应用本专业的技术、技能、现代工程所需工具的能力。实验要求如下。

（l）理解仿真波形图“完整、简明”的基本原则和仿真常规步骤。

（2）掌握新建波形文件后的波形图时间开销基础参数设置，理解Grid size与时钟周期关系，End time与时间轴长度关系。

（3）熟悉信号节点添加后的位置调配。重新凋配信号位置应注意：激励输入与输出信号上下放置；输入信号可按“时钟信号→异步控制→同步控制→数据输入”顺序向下放置；同一元器件或同一功能的控制信号就近放置。

（4）熟悉信号整合为总线Group形式。原本符合Group、同一器件和同一属性的控制信号优先整合；脉冲信号不整合；整合前信号应按“高位_低位”顺序向下放置；整合后信号名要能直观反映该信号功能。

（5）理解并熟悉电路初始状态激励输入和分段仿真方法。分段仿真方法是先完成初始电路，再将时间轴看成连续的时间段，一个时间段完成一步实验内容。

2.3 CPU模拟器实验

CPU模拟器实验主要训练学生系统开发的能力，即在现实约束下设计一个系统、组件或流程满足期望的需求。

实验依据微程序流程图及CPU模拟器，编写用户调试程序进行功能验证，必要时重写CPU模拟器开源代码以实现拓展指令。

（1）学习指令、微指令和微程序知识。

（2）理解微程序运行时微地址转移逻辑涉及的异步清零、RAM写、RAM读、顺序执行和判别测试字段P重新映射，设计微程序流程图。

（3）分析用户测试程序实例，认识指令码和数据字节、复合运算编程方法、RAM程序存储方式。

（4）掌握用户测试程序时应用Hex文本编辑器编写汇编代码方法。

（5）掌握计数器PC、地址寄存器AR、存储器MEM、指令码OP、微地址M_ADDR与MNXT_ ADDR、寄存器R5、累加器DRI与DR2、单步执行模拟器使用方法，观察地址及数据流进行微指令调试完成功能验证。

2.4 综合实验

综合实验是培养学生综合运用某一课程或多门课程的知识，对实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性、开发性实验。综合实验培养学生专业能力、道德责任能力、创新能力、团队合作能力以及沟通能力。

（l）综合实验l为图文解说数码管显示电路实验过程，了解FPGA工作原理与特性；熟悉并掌握软硬件平台的安装及使用；掌握数字系统设计流程及图形法、硬件语言描述法、层次设计法等设计方法；掌握图形法的注意事项与画图技巧。

（2）综合实验2为各小组自主选题，掌握综合运用前面所学状态机、移位寄存器、计数器、按键消抖电路和数码管显示电路等模块功能，要求学生分工协作，搜集资料确定选题，分析可行性形成开题报告，有效沟通进行分模块设计与调试，最后完成答辩互评。

（3）综合实验3为通过图形法或VHDL设计完成时序发生模块、微程序控制器和显示予模块的集成与顶层例化模型机调试，从而形成芯片到系统的整体概念和软硬联合处理问题思维方式，实现初步的系统设计、工程实践能力、创新过程思维和自我学习能力。

3 考评体系

传统实验考核主要指标有实验预习、实验纪律和实验态度、实验过程、实验结果、实验报告、期末考试成绩等，即以平时成绩为主的实践性考核。

（l）实验日志体现学生实际实验情况，是学生独立实验的一项重要证明。实验报告分项计分要求：实验原理说明10分；波形图参数设置合理10分；波形图信号设置合理10分；波形图中操作标注说明10分；仿真验证结论10分；操作步骤数据记录完整10分；管脚分配及硬件验证结论10分；实验日志30分。实验日志由浅人深逐条记录实验过程中的问题及解决方法、习题解答、难点引申与信息检索、经验总结。

（2）综合实验小组投票互评。老师组织各项目小组参加成果展示，学生自行按流程主持、唱票和计票。小组每位成员均需汇报个人工作和项目可借鉴意见。每组不记名投票、不重复投票，最后以票数及意见评等级。

（3）数字系统设计基本技能测试细分为多次，要求人人过关。该测试对实验过程需截图并说明，考查范围为：原理部分20分，如Symbolfile端口功能描述、RTL viewer子模块功能描述和Hierarchy分层说明；输入部分20分，含工程创建（工程名、路径名和目标器件）、新建文件类型（BDF、VHD及VWF）、MIF文件（字、数制和内容）和State Machine File（reset控制信号与Action输出）；编译部分10分，为正确结果报告或错误警告说明；仿真部分50分，包括功能仿真网表、Simulator设置波形文件、初始化波形文件（参数、信号与时钟）、仿真结果分析与结论。

4 结语

长期以来，我校教研室通过开展低成本便捷式实验设备为主的自主实验教学模式，为数字逻辑与系统设计类课程教学奠定了坚定实验基础。便携式EDA系列实验板在全学院得到广泛应用，成为学院课程教学实践、大学生创新训练和毕业设计环节中基本使用设备。这种自主实验教学模式可进一步推广至单片机类、嵌入式系统类、物联网类、智能控制类方向。