基于虚实优势互补数字的逻辑实验教学改革探索

冼进，冼允廷

(华南理工大学,计算机科学与工程学院,广东，广州 510006)

0 引言

数字逻辑实验是为数字逻辑以及数字电路设计而单独设置的一门实践课程，采用实验教学的方式就是强调动手设计以及基础设计电路能力，基本出发点是理论与实践相结合，基本理论与新的设计方法相结合。实验教学环节直接关系到学生对其理论课知识的掌握，关联到后续重要专业课程计算机组成原理、微计算机系统、嵌入式系统等课程的学习，因此数字逻辑实验课的重要性不容置疑[1-2]。

1 数字逻辑实验教学现状分析

通过详细了解传统教学数字电路实验箱能够发现，其主要是将众多的芯片插置到电路板上，所有插座的管脚均同插孔相对应并且完成连接，同时所有的插座均为单独存在的，这些独立的插座并不会在电路板上同另外插座存在有关的连接关系。在开展实验的过程中，选择合适的插座并且在其中放置上相关的芯片，同时在与之对应的插孔内部借助将外接导线插入的方式使其关联在一起，从而组合成一个完整的实际电路。以上所描述的就是基于传统数字逻辑电路为基础的实验教学实验箱[3]。

1.1 传统实验箱实验教学优点

(1) 学会仔细观测实验现象，冷静思考问题，查找实验故障。在传统实验箱上做数字逻辑电路实验，这种情况下产生问题是无法规避的，在这里需要注意的是其最为核心的部分应该放到分析问题上，从而获取到问题出现的根本原因。并且将其解决[4]。通常情况下来讲，产生问题的因素来自4个层面：接线错误；器件故障；设计错误；测试方法不准确。

(2) 实践性强，培养实际动手能力。学生可通过连接电路，搭建电路，设计逻辑电路等多种方式，获得更多的动手机会。将学生的实验研究能力、动手能力以及创新能力全面培养起来，并对理论教学的知识通过实验获取感性认识从而掌握该知识。针对实验过程里面产生的一般故障，可以借助有效的方式来处理和解决。除此之外能够独立分析以及评价实验结果[5]。

1.2 传统实验箱实验教学存在的问题和不足

传统的数字逻辑电路实验箱，存在着如下的缺点或不足：①实验前的准备工作繁杂；②实验耗材损耗大，维护管理困难；③实验内容古板，不利于主观创造性；④综合开放性实验设计难实现；⑤与社会应用设计开发有较大差距。

1.3 基于软件虚拟仿真数字逻辑实验教学优点

与传统的硬件实验相比，基于软件(立创EDA、Multisim等)虚拟仿真实验灵活多变，能提供丰富的实验内容，弥补用硬件实验箱在实验中无法进行多器件选择、综合设计性实验不足，借助软件虚拟仿真实验可以使得学生自身的分析以及设计能力得到有效的提升，最终帮助学生全面增强创新能力。采用虚拟仿真实验能够将问题从根本上解决，并且实验项目可以基于教学目的来进行适当的调整，从而让实践以及理论有效的结合在一起[6-7]。

虚拟仿真数字逻辑实验教学主要优点：①打破实验场地和时间限制；②实验结果展示直观性及多样化；③有利于发挥学生主观创造、创新实践活动，锻炼学生综合编程虚拟仿真能力，把逻辑实验做到极致。

1.4 数字逻辑电路实验教学改革思想和目标

实验教学改革以培养创新应用型逻辑电路设计、分析能力及集成电路应用专业人才为目标。目前不论是微电子技术，还是计算机技术，所取得的进展都是巨大的，就会对应要求数字逻辑电路在实验手段及方法上，持续调整以及拓展。所以使用的实验方法就是将软件和硬件进行结合的综合性的方式，进而对于实验方法基于传统纯硬件逻辑的来进行了替代，因而其直接成为以后数字逻辑电路实验教学未来发展以及改革的方向[9-12]。

2 实验教学方法改进及实施

2.1 数字逻辑实验教学方法整体设计

实验教学首先对基础验证性逻辑电路实验在传统实验箱进行，如逻辑功能测试、基本触发器等实验，学生认知简单IC集成电路和线路连接。在此基础上，再使用仿真软件对原有数字逻辑基础实验进行仿真设计，最后增加综合性实验仿真设计，如数字钟、抢答器、交通灯控制和数字频率计等。课后建设部分项目式课程设计，让部分能力强的学生更加深入理论联系实际，大胆发明创造设计理念。

2.2 数字逻辑基础经典实验实施

图1所示，最左边一列是基础逻辑门电路：“与门”“或门”和“非门”；图中所有其他的逻辑门都可以用这3种逻辑门组合形成，例如第二列的与非门和第三列的或非门，较为复杂的是最右边一列的异或门的等效逻辑电路。在实验箱上用6片IC进行实物连接线并功能测试，结果见表1。

图1 逻辑门电路

表1 不同逻辑门电路功能测试

2.3 数字逻辑经典综合设计性实验模拟仿真教学

以一个“交通灯”系统经典综合设计性实验为例，展示如何运用“状态机”原理来设计时序系统并进行仿真实现[13]。“交通灯”的状态图如图2所示，其状态机的状态一共有3个，分别是T1和T2还有T3，对于每个状态来说，其亮灯的时间以及模式都是不一样的。对于这个状态机来说是没有输入的，那么其目前的状态对于状态的转移方面就起到了决定性的作用。经由时钟φ的驱动下，那么状态机就会依据下面的顺序来进行循环的转移：T1→T2→T3→T1→…，图3呈现的就是状态转移时序图。

图2 “交通灯”系统在脉冲驱动下的状态图

图3 状态转移的时序图

图4 “交通灯”系统仿真电路图

3 实验教学方法改进的实施效果

3.1 虚实融合创新实验教学方法效果

虚拟仿真实验教学其主要就是互补于传统硬件实验教学，将上述的2种教学方式进行了融合创新，改进实验教学方法之后，实现传统与创新优势互补作用，基础数字逻辑芯片验证设计，由原实验箱进行实验，也可在仿真实验平台进行仿真，两者相辅相成，互相促进，如图5所示，使用2种实验方法进行半加器实验，结果与实际设计电路是一致。

3.2 经典实验教学案例实施取得新成绩

经过近几年的实验教学改革与实践，结合“数字逻辑”课程中经典实验教学案例，如“交通灯”系统、“汽车尾灯”控制系统、“循环彩灯”控制系统、“多人表决”控制系统等，对这些“项目式”综合性实验进行仿真与实操，有部分有能力、有硬件开发技术的学生，通过开发前面提出项目式实例方面的创新点，大部分同学都拿到学校创新训练项目或大学生国家创新项目(国创)，大学生在课程或实践设计环节中，也可以这些经典项目为基础，结合现有实验条件和嵌入式技术，进行综合开发和深入研究，就能开发出更加完美、功能强大实际应用案例[14]。通过多届学生的实践开发证明，选择经典“项目式”实验项目训练、实践的毕业生，应用技术、知识面更广，理论基础更加扎实，有丰富的硬件项目开发和动手实践经验，解决实际问题能力更强，就业面更宽，在当今就业难度极大的环境下走出困境，脱颖而出。

图5 半加器基础逻辑实验虚拟仿真设计与仿真效果展示

3.3 学生参加创新项目和学科竞赛取得的成绩

硬件设计是信息技术产业的核心，在信息化发展关键领域中起着关键作用。在实验教学中加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，学生掌握和积累了比较好硬件设计知识，通过积极参与物联网大赛、嵌入式系统设计大赛、电子电路设计大赛、人工智能创新大赛、大学生集成电路创新创业大赛和机器人竞赛，课外的科技活动吸引好学生参与，这样就为优秀的学生脱颖出来，创造了不错的条件，同时也能激发大部分学生来学习硬件设计兴趣，对于学生的创新意识也得到了培养，将学生的动手能力进一步的锻炼，教学质量也得到了提升，在参赛中也多次获得全国性奖多项荣誉[15]。

4 总结

实践证明，在“数字逻辑”实验教学改革和探索过程中，合理按排传统实验箱基础实验和在软件上进行综合仿真实验比例，提高硬件实验教学的整体质量水平，增加学生自主综合选题的设计性实验，将两种类型的实验方法优势互补、融合创新实验教学，不但可以让学生将数学逻辑的原理还有基本的知识都可以进行掌握，而且对于他们的动手实践能力也还可以提升，基于此学生不但可以在软件方面训练得不错，而且在硬件方面也得到很大的提升。培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力，力求实现理论结合实际，学以致用的原则，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，学会灵活运用已经学过的知识，并能不断接受新知识，大胆发明创造设计理念。