数字电路实验课程小班化虚拟仿真教学的探索

马学条

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

数字电路实验课程小班化虚拟仿真教学的探索

马学条

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

针对数字电路实验教学的现状及存在问题，结合杭州电子科技大学数字电路实验教学实际，对实验课程教学改革进行探索分析。数字电路实验课程改革的核心内容涵盖三个方面：小班化教学、虚拟仿真教学、学科竞赛。实践表明，该教学改革在培养学生分析解决实际问题的创新实践能力等方面取得良好的教学效果，为同类课程改革的推广提供了可借鉴的经验。

虚拟仿真；小班化教学；数字电路；实验教学

数字电路实验在数字电路教学中占有非常重要的地位，可以加强学生对理论知识的理解和掌握，培养学生的工程设计和实际动手能力。过去几十年中，数字电子技术日新月异，不断进步发展；但难以乐观的是多数高校数字电路实验课程所对应的教学内容和实验模式停滞不前。针对传统数字电路实验教学存在的局限性，国内外各大高校都进行相应的实验教学改革。东南大学在数字电路实验中引入虚拟仿真教学，电子科技大学采用小班研讨的模式进行实验教学，北京邮电大学采用自主开发的教学平台对数字电路实验进行仿真教学，美国斯坦福大学本科一年级学生就能完成基于数十万逻辑门规模的数字逻辑自主设计项目[1]。

作为浙江省最早开设数字电路课程的学校之一，杭州电子科技大学高度重视并积极推进该课程的教学研究工作。数字电路实验室通过自主编写实验讲义、自主研发硬件工作平台、以及借助我校国家级电子信息技术虚拟仿真实验中心的在线教学及虚拟仿真支持平台，在数字电路实验教学中试点开展小班化虚拟仿真教学研究工作。在实验项目设计上密切结合学科竞赛内容，着重基础、注重前沿，在培养学生团队沟通、思维创新、工程设计能力方面均取得良好的教学效果[2]。

一、“3+4+1”模式实验安排

目前，传统的数字电路实验室仍采用数字电路逻辑实验箱开展实验教学工作，围绕74系列芯片进行内容设计；实验项目固定，缺乏灵活性，不能发挥学生学习的主动性和独创性。经过不断的改革和完善，我校数字电路实验内容安排为“3+4+1”模式[3]。“3”指学生在数字电路逻辑实验箱上完成3次实验设计，从基础验证性实验逐步过渡到设计性实验，内容包括TTL集成门电路测试、数据选择器的应用、触发器及计数器的应用，旨在加强学生实践动手能力的培养。“4”指针对数字逻辑实验箱上难以开展的设计性实验，学生完成4次虚拟仿真实验设计，逐步提升实验设计的广度和深度。“1”指以数字系统自动化综合设计的形式完成1次研究探索性实验，提高学生对实际问题的研究探索能力。具体安排体如下[4]。

1.TTL集成门电路测试与三态门(实验箱实验) 3学时

2.译码器、数据选择器的应用(实验箱实验) 3学时

3.触发器与计数器的应用(实验箱实验) 3学时

4.组合电路的自动化设计一(虚拟仿真设计实验) 3学时

5.组合电路的自动化设计二(虚拟仿真设计实验) 3学时

6.时序电路的自动化设计一(虚拟仿真设计实验) 3学时

7.时序电路的自动化设计二(虚拟仿真设计实验) 3学时

8.数字系统自动化综合设计(研究探索性实验) 9学时

在数字电路实验课程小班化虚拟仿真教学中，所选实验项目可以是依据相关理论知识点设立的“虚拟”实验内容，也可以源于学科竞赛内容。同“虚拟”实验内容相比，学科竞赛内容更具前沿性、系统性和创新性[5]。以学科竞赛内容驱动的数字电路实验课程教学，极大程度提升了实验教学的趣味性、研究性及可研讨性，为实验课程小班化虚拟仿真教学的顺利实施起到了关键作用。多数学科竞赛内容设立的目的并非为了实验教学，对学科竞赛内容要从数字电路实验教学角度进行衡量和梳理，从中寻找合适的切入点和结合点；将学科竞赛内容引入到实验教学中，还需对内容的难易程度进行把握，满足数字电路实验课程教学的需求。

二、探索小班化实验教学，提升教学质量

(一)实现“两个转变”

小班化实验教学是以学生为主体，以培养学生综合能力为目的的一种教学方式。小班化实验教学不同于传统的实验教学，教师要注意弱化自己的身份，在教学过程中实现“两个转变”，由以教师为主体的课堂教学转变为以学生为主体的课堂教学，由学生听课转变为学生问课。课堂上教师要改变将所有实验步骤教给学生的观念，尽可能的让学生自己探索、自己思考。小班化实验教学上教师起引导的作用，为学生指明前进的方向，学生在教师所指方向上探索前行[6]。实验过程中学生会遇到许多问题，传统实验教学中教师会找出问题并给出解决方案，而小班化实验教学上教师采用讨论式的方式解答问题。当学生实验过程中遇到问题时，教师召集学生展开讨论，由学生提出看法、给出解决方案。当参加讨论的学生对提出的问题无法解答时，教师采用启发的方式引导学生找到答案。

(二)小班化实验教学实现方式

国家级电工电子实验中心设有三个数字电路实验室，学生实验时，三个实验室同时开放；为达到更好的实验效果，对实验人数进行了一定的限制，每个实验室最多允许20名学生同时进行实验操作。实验主干内容仍以传统实验授课的模式开展，研究探索性实验则以小班研讨模式进行。小班化实验教学主要围绕“交流、研讨、参与、动手”四方面展开，课堂上学生承担“讲解、补充、质疑”任务，教师承担“质疑、引导、归纳”任务。研究探索性实验共有9个学时，实验前学生分组确定实验设计方向。实验课上由主讲的学生在限定的时间内讲解设计内容、实现步骤，由其它学生对其设计内容提出质疑，之后所有学生就设计要点、难点展开讨论[7]。

(三)实验教学评价方式

小班化实验教学对学生的考核主要体现在“参与性、要点提炼、学识表现、文档资料表述”等方面。实验教学的具体考核评价内容及标准如表1所示，实验教学考核注重实验的过程性，避免以实验考试定成绩的方式[8]。在过程性考核方面，对验证性、设计性实验和研究探索性实验分别进行了量化考核，包括课堂实验检查、实验报告、期末操作考核、项目阶段性检查、团队分工、项目验收汇报等。学期末，由数字电路课题组老师对学生的综合设计实验进行验收和测评，课题组老师对该实验教学法的教学效果给予肯定，认为该教学法有利于学生协调沟通能力和工程设计能力的培养[9]。

表1 实验教学考核评价内容

三、借助虚拟仿真技术，提升实验设计深度

(一)实验箱功能扩展，满足虚拟仿真教学需求

数字电路实验室的实验箱主要支持74系列芯片的使用，能满足传统数字电路实验课程的教学要求；由于不能软硬件结合实现仿真等实验目的，已不能很好的适应虚拟仿真教学的需求。采用数字电路逻辑实验箱和EDA技术综合实验箱两套实验箱进行实验教学，能较好的满足综合设计性实验教学的要求；但两套实验箱投入成本较高，同时也增加了实验室管理的工作量。对原有的数字电路逻辑实验箱进行功能扩展，增加CPLD模块，不仅能将两套实验箱的功能进行有效的结合，满足数字电路实验虚拟仿真教学的要求；还能为开放性实验室提供使用，培养学生自主和创新学习的能力[10-11]。

针对数字电路逻辑实验箱不能软硬件结合实现仿真的缺陷，对原有的90套实验箱进行功能扩展，自主设计了CPLD模块。CPLD模块选用Altera公司的EPM570T144C5芯片作为核心器件，外围电路配置了LED点阵、数码管显示模块、LCD显示模块、直流电机模块和按键模块等。改进后的实验箱经测试和使用，能满足虚拟仿真教学的需求。

(二)在线教学及虚拟仿真支持平台建设

多数虚拟仿真教学需在专用的机房开展教学工作，教学软件只能安装到本地计算机上独立运行，没有配套的教学管理资源。我校国家级虚拟仿真实验中心与北京润尼尔网络科技有限公司合作开发了在线教学及虚拟仿真支持平台。该平台很大程度的改善了上述的不足，通过平台的客户端就能实现实验课程的在线教学。该平台主要包括教学计划、开课管理、远程实验操作和答疑室等模块，可校内外登录虚拟仿真实验中心，观看实验教学录像、开展虚拟仿真实验及实验答疑等。

(三)虚拟仿真实验项目设计

在数字电路实验教学中引入虚拟仿真设计项目，突破了实验箱上实验项目单一、实验创新程度不高的局限性，逐步提升实验设计的广度和深度。下面以“设计8位串行进位加法器”为例，介绍采用虚拟仿真实验项目进行设计、仿真、下载的过程。

实验任务：设计8位串行进位加法器，给出时序仿真波形，进行下载测试。

8位串行进位加法器系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

具体实现：(1)利用与门和异或门构成1位半加器，并将其转化为1位半加器电路元件模块。(2)调用1位半加器电路元件模块构成1位全加器，并将其转化为1位全加器电路元件模块。(3)调用1位全加器电路元件模块构成8位串行进位加法器，对其进行全程编译。(4)建立波形仿真文件，设置仿真器参数，输出时序仿真波形。(5)对输入、输出引脚进行锁定，配置文件下载，对硬件电路进行测试。

仿真：设置仿真时间区域为100us，对输入引脚A[7]～A[0]、B[7]～B[0]、CI设置输入信号，得到仿真时序波形。

下载测试：进行引脚锁定，输入引脚A[7]～A[0]、B[7]～B[0]、CI分别锁定于实验箱的逻辑开关，输出引脚S[7]～S[0]、CO分别锁定于实验箱的发光二极管。完成引脚锁定操作后，打开编辑窗口，进行编程器选择操作，完成对目标器件CPLD的配置下载操作。拨动逻辑开关，观察发光二极管的亮灭情况，判断8位串行进位加法器的逻辑功能和工作情况。

四、教学改革的效果

小班化虚拟仿真教学在注重基础知识的情况下，更加注重学生综合设计能力的培养。表2是传统实验教学和小班化虚拟仿真教学的学生在典型电路设计和综合性实验设计方面的数据统计。

表2 传统实验教学和小班化虚拟仿真教学数据表

从表2中可以看出，小班化虚拟仿真教学的学生在设计12分频电路时设计方法更具多样性，在综合实验设计时选题难度较传统实验教学的学生有极大程度的提升。表2的数据只能反应教学改革的部分效果，在小班化虚拟仿真教学中我们发现大部分学生表现出较高的积极性，都能顺利的完成各类实验项目的设计[12]。通过小班化虚拟仿真教学，绝大部分学生分析解决实际问题的能力得到了极大的提高，为他们学好其他数字类课程以及参加大学生学科竞赛奠定了良好的基础；经数字电路实验室培养的学生，在2015年全国大学生电子设计竞赛中获得国家一等奖一组和国家二等奖二组。

五、结语

随着数字电路实验课程教学改革的逐步推进，以小班化虚拟仿真教学为主的实验教学模式将逐步取代基于74系列芯片的验证性实验教学。改进后的实验课程模式，克服了教学场地和实验设备对实验项目的限制，提高了实验教学效果，同时降低了实验成本。数字电路实验室在自制教学仪器设备、实验内容改革、培养学生参加电子竞赛等方面取得了一定的成绩，但仍需不断推进实验课程的改革，为学生提供更加良好的实验氛围。

[1]潘松，陈龙，黄继业.数字电子技术基础[M].北京：科学出版社，2014：276-280.

[2]潘晓苹，但果，陈昕，等.基于CDIO理念的数字电路实验教学改革[J].实验室研究与探索，2013，32(8)：400-402.

[3]李旭，张为公.基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J].实验室研究与探索，2015，34(1)：168-171.

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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 ‘analyzing 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

杭州电子科技大学高教研究课题(YB201524)；浙江省高等教育课堂教学改革项目(kg2013125)；浙江省高等教育教学改革项目(jg2015060)

马学条(1984-)，男，浙江温州人，助理实验师，电路与系统.

G642

B

1001-9146(2016)06-0064-04