基于口袋实验室的数字电路课程教学模式改革与实践

吴苏 马知远 周达华

[摘 要]从数字电路课程存在的问题出发，基于新技术、新方法，提出一种基于口袋实验室的“即学即现”式课堂教学新模式。围绕现代数字电路的设计思路，把 FPGA 引入随课实验，在理论教学的同时即时展现实验演示效果，学生课后也可以与理论学习同步动手实践，较好地解决了理论和现实脱节的矛盾。

[关键词]教学改革;数字电路;口袋实验室

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）09-0102-03

引言

电子技术系列课程作为电子工程学科基础必修课，注重培养学员的电路分析、设计和应用能力 ，是电子工程学院学员在大学实现从理论分析模式转向工程应用模式转变的重要课程。因此，该课程教学及实践环节在人才培养体系中发挥着极其重要的作用。当今这个信息技术飞速发展的时代，对人才实践创新能力的要求逐渐提高，如何优化有利于学生创新能力提升的教学模式，一直是高等教育的重要课题。

随着电子技术的飞速发展，数字电路需要具有高速处理数据和高速计算的性能，而传统数字电路教学仍然以讲授中小规模电路为主，这就使得高校电子技术课程教学与实际工程应用之间出现了“鸿沟”，难以满足学生后续专业课程的学习乃至工作实践的需求。以口袋实验室为手段，以实践教学为主线，推动课程教学模式的改革，构建学员正式学习空间和非正式学习空间，完善和优化课程创新实践改革，形成总体效益 ，对人才培养有着重大的理论意义和实践意义[1]。

国外很多著名高校不断跟进数字电子技术的发展。口袋型FPGA开发板具有方便携带、成本低等优势，因此开展以口袋实验室为数字电路实验课程改革的主体思路， 对学员的工程实践能力及信息化素质提出了新的要求——具备运用EDA技术分析、设计电路的能力，要在相关专业的培养方案中体现这种能力的培养要求。

一、主要问题

（一）理论知识经典，但理论与实践联系不紧密

数字电路课程仍然以门电路和中小规模电路为主，主要还是源于这门课程的定位，毕竟再复杂的电路到了底层还是要用门电路来实现，因此对数字电路基础知识掌握不扎实就难以设计出优秀的电路。如何让学生在掌握数字电路基础知识的同时又清楚地掌握这些知识在现代技术中的应用是数字电路课程教学必须解决的问题。

（二）实验课程学时有限，学员创新意识不强

课程实验包含验证性实验和综合性实验，学生上课通常按图接线，然后测试，记录。首先，大部分时间耗费在烦琐的连线上，学生独立思考自主设计的时间不足，无法充分调动学生的主动性和积极性。其次，学生在实验过程中一旦出现问题，不知如何查找产生问题的真正原因，只是将整个线路拆掉，重新按图连线，更谈不上创新意识和能力的培养。再次，实验班次规模较小，需要开课较多，实验室难以满足需求。

（三）考核评价方式单一，教学效果不理想

传统的考核评价方式是以结果为导向：把教师掌握的现成知识、技能传递给学生，或者让学生简单地按照教师的安排和讲授去得到一个结果。这就容易导致教学中出现两大问题：一是学生学习主动性差，学习效率低下。二是学生能力得不到提高。教师将大部分工作完成后，学生依样画葫芦，不能对知识进行重新组合、融会贯通，无法将知识内化成分析问题和解决问题的能力。

二、主要思路

我们针对理论教学和实践教学脱节的问题，提出一种基于口袋实验室的“即学即现”式课堂教学新模式，即基于FPGA最小系统开发板和电脑，将实验教学环节带进课堂，在理论教学中即时展现实验演示效果，让学生可以第一时间与理论学习同步自行动手实践，充分调动学生学习的积极性。

我们重新设计了数字电路课程的教学体系，增加了基于FPGA开发板的随课实验，在整个教学过程中，通过实验巩固教学内容，熟悉现代技术，构建正式学习空间和非正式学习空间，突出理实一体的教学方法，重点激发学员学习的内在兴趣和动力，培养学员主动探究的学习习惯，采用课外学习、课堂研讨、课堂翻转、协作学习、案例引入等方式方法，加強师生、生生的深层次互动，同时完善考核评价体系，采用全过程考核，促进学员脚踏实地、求真务实地学习。

三、主要措施

（一）引入随课实验，将理论教学与实验教学相融合[2]

数字电路作为数字设计领域的基础课，虽然在现代数字电路设计中可能看不到小规模门电路，但无论多么复杂的电路，归根到底还是用逻辑门来实现，所以基础知识还是要讲， 但可以换一种思路、换一个方法去讲。笔者基于一款口袋型FPGA开发板的随课实验，如图1所示，将数字电路的基础知识和实际应用相融合，充分调动学生学习积极性，提高学生学习效率。

由于FPGA 开发板具有便携性，学生不需要依赖于传统实验室，他们提前借用实验室最小系统开发板和相关传感器控制器模块，通过杜邦线连接，在宿舍、食堂、教室、操场，甚至任何一个可以工作和学习的地方，随时随地完成课内外实验，做创新项目开发、课程设计、毕业设计等。口袋实验的教学模式拓宽了实验的时间、空间概念，既满足了学生的学习需求又给他们自主安排学习时间留有余地，较好地解决了由实验内容增加而规定学时减少带来的矛盾。利用好MOOC、微课等课程资源，有利于学生创新实践能力的培养，也有利于学生的个性化发展，是一个真正意义上的全开放的共享课[3]。

（二）重新规划教学内容，建立理论与实践结合的数字电路教学体系

1.重构理论教学内容

目前各高校的数字电路课程大都开设在大二学年，教学内容主要包括数字逻辑基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、数模及模数转换电路、脉冲单元电路、可编程逻辑器件。从知识体系上讲，可编程逻辑器件和 Verilog 语言等内容是放在课程后面的章节，排在时序逻辑电路之后。但在实际教学中，通过开展“项目导向式教学”，以各章的实例逐步将 Verilog 语法引入，初期学生并不需要知道 FPGA 的内部结构，只需理解它是一个载体即可，将主要学习精力放在用 FPGA 验证门电路的逻辑关系[4]。

2.优化实验教学内容和结构

在进行教学模式改革的同时，对教学内容和结构进行优化，根据布鲁姆教育目标分类学，以学生的认知规律为主线，合理安排分类实验教学，设置满足不同能力要求的实验教学内容，进而构建一个互为补充、能力逐步提升的实验教学体系 ，如图2所示。其中入门实验、基础实验、综合设计为数字电路课程实验内容，要求所有学习本门课程的学员完成;而创新实践和创新创意为创新型、研究型实践环节，则通过开展电子科技创新月和各类电子学科竞赛等创新类实践活动为牵引，选拔学有余力的学生参加，进行创新能力的培养。

其中与理论课配套的随课实验教学的具体实施如表1所示。通过入门实验、基础实验和综合设计三个层次的实验对学生的动手能力进行逐级培养。基于口袋 FPGA 开发板，编程语言采用 Verilog，根据教学进度布置实验内容，并定期组织验收和讨论。

第一阶段：入门实验——初识 FPGA。 通过发放 FPGA 开发板， 安装 Quartus Prime 开发环境 ，创建第一个工程。工程项目逐步安排板载资源、 板载 LED 显示、板载七段数码管显示、板载按键和拨码开关的使用。其实，依靠 FPGA 强大的仿真工具，完全可以不需要这些按键和 LED，但对于初学者和数字电路教学而言，可以用这些板载资源将逻辑电路的结果以更直观的形式呈现出来，进一步激发学生的学习兴趣，同时鼓励学生开始自学 Verilog 语言。

第二阶段：基础验证性实验 。从讲授组合逻辑电路开始，在课堂中将一些典型电路引入 Verilog 描述，并通过实例讲解 Verilog 语法。例如全加器会给出多种 Verilog 实现方式，并在实验中邀请学生查看在 FPGA 中综合出来的电路形式，通过仿真检查输入和输出的波形关系，最终用拨码开关模拟两个加数和低位来的进位，用两个LED 灯显示相加的和以及往高位的进位。

第三阶段：综合设计实验。教师通过一个实际的项目牵引，学员采用分组合作的模式完成综合实验。从资料查找、方案论证、系统设计、电路设计、联合調试、总结报告、作品展示和交流等过程引导学员，使他们具备复杂工程设计的能力[5]。

四、实行全过程考核，完善综合考评机制

创新完善全程能力考核评价和个性化教学策略优化的方式方法，实现由单一考知识向知识能力考查并重转变，探索出能力考核、分类评价和个性化教学的新路子。采用理论知识按阶段随堂考，实践能力贯穿全程跟踪考，综合素质以综合实践项目全面考，上述三部分有机结合构成学员总评成绩。同时，通过实时分析各环节结果建立“内反馈”，不断优化教学策略和教学过程，实施个性化教学，跟踪后续专业课程学习情况，通过与教师同行沟通交流等渠道建立“外反馈”，持续优化改进教学方案，形成基于课程体系的质量持续提升机制。

五、结束语

教学过程以学生为主体，使学生从被动接受转变为主动学习，利用口袋实验室可随时随地开展实验的优点，分层次分阶段开展实践训练，培养学生的工程思维能力和解决问题的能力，为后续的专业课学习和创新实践活动奠定基础，逐步激发学生的探索心理与创新意识。课题组近三年指导的学生在全国大学生电子设计大赛、中国研究生电子设计竞赛、全国大学生智能互联创新大赛、中国高校智能机器人创意大赛中获全国一等奖12项、二等奖20项，在中国大学生互联网+创新创业大赛中获湖北省金奖1项、银奖2项，教学改革初见成效。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 漆强，刘爽.基于嵌入式系统的“口袋实验室”设计[J].实验技术与管理，2015（12）：97-102.

[2] 孙文生.将理论与实践相融合的“数字电路”课程改革探索：引入基于口袋型FPGA开发板的随堂实验[J].工业和信息化教育，2018（6）：109-111.

[3] 董介春，于瑞涛，卫成兵.口袋实验室建设和实验教学改革.[J].电气电子教学学报，2017（3）：133-135+147.

[4] 荣海林，姚福安.基于MyDAQ的“电子技术基础”口袋实验室开发[J].电气电子教学学报，2017（6）：133-137.

[5] 刘艳，秦昌明.“口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2015（8）：212-225.

[责任编辑：庞丹丹]