农业院校数字电路实验教学改革与实践*
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摘要 通过对国内外数字电路理论及实验教学的现状分析，指出数字电路实验教学的一些不足，结合流行的EDA技术，提出采用计算机技术，将传统基础实验和EDA软件相结合，构建新的数字电路实验教学体系。经过实践，该教学体系取得预期良好的实验教学效果。
关键词 实验教学；数字电路；EDA
中图分类号：G642.423文献标识码：B文章编号：1671-489X(2010)36-0126-03
Reform and Practice of Experimental Teaching for Digital Electronic Technology in Agriculture University//Wu Fenghuang, Liu Guiling, Wu Fang
Abstract The present situation of the theory and experimental teaching for the digital electronic technology is analyzed, it has displayed some shortcoming. Nowadays computer technology and EDA is prevailing, so traditional hardware experiments may be realized by the EDA software. New experimental teaching system is built through combining hardware experiment with software experiment. Practice has proved the system makes good application result.
Key words experimental teaching; digital electronic technology; EDA
Author’s address College of Science, Nanjing Agriculture University, Nanjing, China 210095
数字电路课程是计算机科学与技术、网络专业、信息科学专业的专业技术基础课程，实践性很强，主要介绍的是分析方法和设计方法以及各类器件和功能块的应用，因此应着重通过实践性环节来提高学生的工程设计能力，对学生后续课程以及毕业后从事该领域的工作有着非常重要的直接影响。
1 实验教学改革需求分析
1.1 数字电路实验教学的国内现状
我国各高等院校数字电路实验开设的深广度各不相同，但实验时数普遍偏少，即使实验开设比较多的学校，与国外相比，也有较大的差距。实验在数字电路课程中的比例较小，主要是以理论为主体。
实验环节一般对学生来说都是被动式的，教师编写好实验指导书，准备好实验仪器、设备和元器件，学生按照指导书写明的步骤一步一步进行，依赖性非常强，不利于锻炼学生独立分析和解决问题的能力。从实验内容的安排来看，基本是检验型的，即对课程所讲授的理论、基本电路和系统进行一系列的验证。
整体结构上，数字电路仍然以搭试中小规模集成器件为主，不少学校的教师已经认识到开展EDA（Electronic Design Automation）教学的必要，但实验的教学和管理也没有出现革命性变化，这种现状与当前的发展水平和对高校学生能力和素质的培养目标都是不适应的。
观念上，理论教学重于实验教学。在教学组织、成绩评定等方面，实验课的权重小。
为了面对21世纪飞速发展的科技形势，从培养学生的创造能力和良好的工程素质出发，建立适应深化教学改革需求的新型实验教学体系势在必行。
传统数字电路实验存在一系列问题。1）实验方法、步骤教条化。学生依照实验指导书搭接电路，部分学生在不懂原来知识的基础上照葫芦画瓢，对实验结果不知对错。很多学生都是为了上实验课而做实验，对实验重视度不高，也没兴趣。2）受实验室实验条件的限制，可提供的器件种类有限，实验所涉及的知识面覆盖不够宽。验证型、测试型的实验较多，设计型、创新型、应用型的实验欠缺，不利于对学生独立思考能力、综合运用能力及创新能力的培养。3）实际器材的损耗较大，教师也不放心完全放手让学生自行设计完成实验。频繁出现导线损坏、器件烧毁，甚至实验平台烧毁的现象。4）实验时间有限，学时较少。有些学生根本无法完成实验内容，课后没有实验条件，久而久之，学生的积极性大大受挫。另外综合性实验、创新型实验没有时间开出。5）实验没有单独设课，影响学生对其的重视。
以上问题导致学生对实验没有产生足够的重视，对于一门实践性很强的课程，实验这一环节显得尤为薄弱。
2 实验教学改革方案
为了改善数字电路实验教学效果，培养学生基本电路设计能力、安装调试能力、综合分析能力、独立科研能力、科学严谨的工作作风等工程素质和创新能力，本项目将研究采用计算机技术，将传统基础实验和EDA软件相结合，构建新的数字电路实验教学体系。
2.1 实验设计思想
EDA是以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包。EDA主要辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计，具体包括以Protel、Pspice、Multisim等软件为标志的芯片外部设计自动化、以CPLD/FPGA技术为标志的芯片内部设计自动化，相应的软件有QuartusⅡ、MAX+plusⅡ和Foundation Series等。
EDA软件中以加拿大IIT（Image Interactive Technologies）公司的Multisim最为突出。它是完全虚拟的电子实验室，用软件的方法虚拟电子与电工元器件、仪器和仪表，在其内部具有数以万计的建模精确的元器件模型（元器件的建模是根据国外众多著名电子元件厂商提供的各项具体的原始参数进行的）和各类精度极高的虚拟仪器仪表，实现“软件即仪器；软件即元器件”，因而使得在其内部进行电子电路的分析验证几乎与真实实验室环境下的实验调试结果相近，而且具有完全不耗材和元器件资源、仪器仪表资源丰富及设计调试安全等优点。
由于电子虚拟平台具有功能强、仪器全、元器件全等优点，对传统的电子技术实验方法进行革新，可实现传统方式无法达到的功能。如复杂数字系统的逻辑分析（逻辑分析仪价格昂贵，使用复杂），在虚拟实验室里是轻而易举之事。这就从根本上克服由于实验室的仪器仪表在品种、规格、数量上的限制，不存在实验器材耗损问题，大大节省实验经费，丰富实验类型，提高学生的学习兴趣和计算机应用能力。
改变传统数字电路实验以验证型、测试型为主，综合型、设计型实验为点缀的格局，增加综合设计型及创新型实验。如结合EDA软件，设计复杂的逻辑电路。实验内容分为三大模块：组合逻辑电路模块、时序逻辑电路模块、创新设计模块。
组合逻辑电路模块中简单设计内容包括用译码器、数据选择器、加法器、减法器、判奇电路、表决器等；用超前进位加法器设计并行减法运算、乘法运算、求补运算；译码器、数据选择器、比较器的芯片扩展设计等。复杂设计内容包括用优先编码器实现病房呼叫电路、抢答器电路、检票机放行逻辑电路等。
时序逻辑电路模块中简单设计内容包括不同进制计数器的设计、寄存器的设计、MSI级联。复杂时序电路包括晚会采光系统、频率计、顺序脉冲发生器、扭环计数器等。
创新设计模块为数字钟，由学生尽情发挥，充分展示学生的设计能力和对时序逻辑电路的理解能力。能力强的学生设计的数字钟功能完备包括计时功能、秒表、定时等，能力逊色的学生设计的数字钟仅实现简单的计时功能。
2.2 实验教学实践方法
实验形式采用传统实验和EDA实验结合，每一个实验内容提前告知学生，要求学生课下完成EDA设计，上实验课前将设计电路发到教师的邮箱。教师检查后，对于用传统实验工具容易实现的实验，学生进实验室后独立完成搭接电路、调试；对于实验电路复杂，缺乏实验器材，实验条件不具备的实验，不再进行搭接电路。数字电路实验流程图参见图1。
每次实训从简单实验开始，逐渐增加难度。这样就可以了解学生掌握到什么程度。对于现场考核的实验，不提前布置，而是当堂布置，当堂完成。
考核上把学生平时的成绩和最后的考试成绩加权相加，平时成绩中包括EDA设计成绩、课堂考核成绩。最终学生的实验成绩＝40%课下EDA设计成绩＋40%课堂考核成绩＋20%考试成绩。另外为鼓励学生注重平时的实验，取班级5%的学生免试。
主要特色：1）采用计算机技术，将传统基础实验和EDA软件仿真实验相结合，发挥各自的长处，优势互补；2）为农业院校中的工科课程的教学找到一种新的模式；3）实验内容设计上向大农类靠近，以期能够应用于农业专业。
要解决的关键问题：1）以教师为中心，实验内容偏重验证型、测试型，缺乏综合设计型和创新型实验，考核方法单一，实验方法和步骤教条化，学生实验数据多雷同；2）实验室实验器材与仪器仪表在品种、规格、数量上缺乏；3）课时少与实验内容多的矛盾；4）实验耗材大，实验经费相对短缺。
3 结论
新的数字电路实验教学体系通过对信息与计算科学专业及网络工程专业的两届学生的试行，不仅激发学生的学习兴趣，加深课程知识的学习，实验过程中还培养了学生积极思考、举一反三、变被动为主动的正确的学习态度，取得预期良好的实验教学效果。
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