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【摘 要】本文论述高校数字逻辑电路实验教学，以培养学生的工程应用能力和实践能力为目标，提出在数字逻辑电路实验教学过程中采用以项目为导向的实验教学模式，并将Quartus II软件和Verilog 硬件描述语言等相关知识融入数字逻辑电路实验教学中，使传统的数字电子技术和现代的数字电子技术有机结合，探索有助于培养学生工程实践能力的教学方法。
【关键词】数字逻辑电路实验 实验教学 Verilog 硬件描述语言 项目导向
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2018）12C-0157-02
数字逻辑电路实验是电子信息类专业的必修实验课。学生通过学习数字逻辑电路的相关知识，然后进行数字电路设计与实验操作，在理论和实践相结合的基础上掌握数字电路的设计、安装、调试和测试技术，可以培养学生的工程应用能力，为学生学习后续相关课程奠定基礎。
改革前的数字逻辑电路实验教学通常是学生按照实验指导书的要求，“依葫芦画瓢”在实验箱上完成以理论教学验证为主、简单设计为辅的相互独立的实验。该实验教学模式主要存在三方面的问题：一是让学生处于被动学习的状态，不利于激发学生的学习兴趣。二是由于各个实验项目之间缺乏连贯性，学生在实验的过程中只掌握了单个或零散的知识点，没有建立起数字系统的概念。三是实验内容缺乏工程和应用实践，学生按照实验指导书的要求知道“怎样完成实验”，但不知道“完成这个实验有什么用”，所掌握的实验知识点“用在哪些电子产品中”，不利于培养学生的工程应用能力。针对传统实验教学模式存在的问题，以培养学生的工程应用能力和实践能力为目标，本文提出在数字逻辑电路实验教学过程中采用以项目为导向的实验教学模式，适当地将Quartus II软件和Verilog硬件描述语言等相关知识融入数字逻辑电路实验教学中，从而达到在传统的数字逻辑电路实验教学中引入现代数字电子技术知识的目的，以方便培养学生进行较复杂数字系统设计的能力。
数字逻辑电路实验教学模式实现的方法为：实验教师根据教学大纲的要求选取适当的项目，然后将项目按教学内容的知识点和实践技能分解为8个实验，学生完成8个实验后进行级联调试，进而完成整个数字系统项目。这样既让学生掌握单个实验的知识点和实验技能，又能体验到每个实验在整个项目中的作用，进而形成数字系统电路的概念，达到“既见树木又见森林”的目的，并培养了学生复杂数字系统的设计能力和工程实践能力。
一、项目的选择
实验课程组教师以培养学生的工程实践能力和应用能力为出发点，从数字逻辑电路实验教学的角度分析、寻找可以激发学生学习兴趣和探究欲望，且具有一定应用背景的项目作为实验项目。实验项目的选择既要具有一定的综合性和应用性，又能涵盖传统的数字电子技术和现代的数字电子技术的知识点，以满足数字逻辑电路实验教学大纲和教学计划的要求。因此，教师可根据上述要求，在兼顾学生学习接受能力的前提下选取贴切可行的实验项目，如“信号发生器的设计”“多功能数字钟的设计”“交通灯电路的设计”和“秒表电路的设计”等。
二、项目的任务要求和分解
不同实验项目的任务要求不尽相同，实验项目的分解也不可能一样，因此实验课程组教师要根据数字逻辑电路实验教学大纲和教学计划的要求，在兼顾学生学习接受能力的前提下，制定实验项目的任务要求，并将实验项目分解为多个实验。下面以“多功能数字钟的设计”为例来进行介绍。
（一）实验项目任务。设计并制作一个多功能数字钟，能够实现年、月、日、时、分和秒的显示。
（二）实验项目要求。（1）具有计时功能，用8只数码管分屏显示年、月、日和星期、时、分、秒，分屏显示可以自动切换，也可以手动切换;（2）具有校时功能，能通过按键对年、月、日、星期、时、分进行设置，当选中设置对象后，对应的数码管闪烁点亮，表示要对其进行设置;（3）具有整点报时功能;（4）具有定时闹钟功能，可以设置闹钟的时和分，可以手动关闭闹铃;（5）具有清零功能，能用按键将时间和闹钟定时清零。
（三）实验项目分解。多功能数字钟由计数器、译码显示电路、校时电路、分频器、定时闹钟电路、数据选择器、整点报时电路和蜂鸣器控制电路组成，系统组成框图如图1所示。
多功能数字钟的工作原理为：由20MHz的石英晶体振荡器产生稳定的脉冲信号，经分频器进行分频得到1Hz的标准计时脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器计满24后向日计数器和星期计数器进位，以此类推。计数器的输出经过数据选择器送给译码显示电路进行显示。当需要设置时间、星期和日期时，可以通过校时电路进行设置。根据多功能数字钟的工作原理，结合数字逻辑电路实验教学大纲和教学计划的要求，将多功能数字钟分解为8个实验，如表1所示。
1 基本逻辑门的功能和参数测试 （1）掌握基本逻辑门的逻辑功能和主要直流参数的测试方法;（2）了解数字电路实验平台的使用方法 （1）与门、或门、非门、异或门的逻辑功能和主要直流参数的测试;（2）写出基本逻辑门的真值表和表达式
2 组合MSI器件的测试 （1）掌握组合MSI器件的逻辑功能及使用方法;（2）熟悉数字电路实验平台的使用方法 3-8译码器、显示译码器、编码器、数据选择器的逻辑功能测试及使用
3 触发器和移位寄存器的测试 （1）掌握触发器和移位寄存器的逻辑功能及使用方法;（2）熟悉数字电路实验平台的使用方法 S-R锁存器、D触发器、JK触发器和移位寄存器的逻辑功能测试及使用
4 Quartus II开发环境的使用 （1）熟悉Quartus II集成开发环境的使用;（2）熟悉数字电路实验平台的使用方法 掌握Quartus II原理图和文本输入法的编辑、编译（综合）、仿真和编程下载的操作方法 5 计数器的设计及应用 （1）掌握计数器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL设计计数器的方法 用Verilog HDL分别设计7进制、10进制、24进制、60进制计数器
6 分频器的设计 （1）掌握分频器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL设计分频器的方法 将20MHz的时钟信号分频得到1kHz、500Hz和1Hz的方波信号
7 数据比较器的设计 （1）掌握数据比较器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL设计数据比较器的方法 用Verilog HDL分别设计4位和8位的数据比较器
8 多功能数字钟 （1）掌握多功能数字钟的工作原理;（2）掌握多功能数字钟的设计方法 将实验按照图1系统组成框图级联起来，并进行调试，完成多功能数字钟的设计
三、实验项目教学实施
（一）实验动员。在开始进行实验的前1周，由实验授课教师召集学生进行实验动员，介绍实验要求、实验流程和实验的考核要求等。接着给学生展示已制作完成的实验项目作品，有助于学生增加感性认识，激发他们的学习兴趣和探索的欲望，然后要求学生查阅文献资料，获取实验项目的相关信息，设计实验项目的方案和步骤等。
（二）实验过程。首先由实验教师指导学生按照自编的数字逻辑电路实验指导书的要求和实验授课计划的安排做好每次分解实验的预习，然后按照实验课表分批次到实验室完成实验。在前几次实验中，实验教师可以给学生做详细的指导，鼓励学生常到开放的实验室熟悉实验平台、软件和仪器的使用。在实验过程中，实验教师可以通过启发式和组织学生探讨的方式引导学生解决实验过程中遇到的问题，注重学生分析问题能力和解决问题能力的培养。实验教师要善于发现实验过程中出类拔萃的学生，并加强对他们的引导，鼓励他们对所做的实验进行扩展或加入到教师的科研项目中，引导学生最大限度地提高自身的实践能力。待分解的实验完成后，让学生按照图1将每个实验级联起来，并进行调试，实现一个数字系统的设计，以培养学生对数字系统的设计、调试和应用能力。整个数字逻辑电路实验完成后，实验授课教师要组织学生进行讨论和总结，以求不断提高。
（三）實验成绩的评定。实验成绩的评定=平时成绩*50%+期末考核成绩*50%。平时成绩考核标准为：实验考勤占平时成绩的10%，实验预习占平时成绩的30%，实验操作占平时成绩的40%，实验报告占平时成绩的20%。实验期末考核由实验教师命题10套试题，学生采取抽签选题的方式确定考题，实验试题包含卷面考核和实验操作考核两部分，实验操作考核部分由实验监考教师现场验收打分，给定成绩。
数字逻辑电路实验教学将一个完整的数字系统项目分解为多个数字逻辑电路实验的教学内容，然后在数字逻辑电路实验教学中适当地引入Quartus II软件和Verilog硬件描述语言等知识，在传统的数字逻辑电路实验教学中引入现代数字电子技术知识，实现了数字逻辑电路知识的综合应用。该实验教学模式在电子信息类专业学生中实践，可以激发学生的学习主动性，对培养学生的工程实践能力和解决实际应用问题的能力起到积极的促进作用。
【参考文献】
[1]张国玉.数字电子技术实验教学改革与实践[J].实验科学与技术，2018（2）
[2]刘岚，李成范，周时强，等.数字逻辑实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2015（9）
[3]王茜.以工程系统为导向的实验实践体系探索[J].实验室研究与探索，2015（9）
[4]魏艳红，许昌，王桂荣.基于科研项目的机械电子专业实践教学改革[J].实验室研究与探索，2018（5）
[5]易艺.以项目为导向的AVR单片机实验教学探索[J].电子技术，2016（5）
[6]罗杰，肖看，谭力，等.Verilog HDL与数字ASIC设计基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2008
[7]岳庆英.电子类专业大学生实践能力培养探索[J].广西教育，2016（12）
【关键词】数字逻辑电路实验 实验教学 Verilog 硬件描述语言 项目导向
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2018）12C-0157-02
数字逻辑电路实验是电子信息类专业的必修实验课。学生通过学习数字逻辑电路的相关知识，然后进行数字电路设计与实验操作，在理论和实践相结合的基础上掌握数字电路的设计、安装、调试和测试技术，可以培养学生的工程应用能力，为学生学习后续相关课程奠定基礎。
改革前的数字逻辑电路实验教学通常是学生按照实验指导书的要求，“依葫芦画瓢”在实验箱上完成以理论教学验证为主、简单设计为辅的相互独立的实验。该实验教学模式主要存在三方面的问题：一是让学生处于被动学习的状态，不利于激发学生的学习兴趣。二是由于各个实验项目之间缺乏连贯性，学生在实验的过程中只掌握了单个或零散的知识点，没有建立起数字系统的概念。三是实验内容缺乏工程和应用实践，学生按照实验指导书的要求知道“怎样完成实验”，但不知道“完成这个实验有什么用”，所掌握的实验知识点“用在哪些电子产品中”，不利于培养学生的工程应用能力。针对传统实验教学模式存在的问题，以培养学生的工程应用能力和实践能力为目标，本文提出在数字逻辑电路实验教学过程中采用以项目为导向的实验教学模式，适当地将Quartus II软件和Verilog硬件描述语言等相关知识融入数字逻辑电路实验教学中，从而达到在传统的数字逻辑电路实验教学中引入现代数字电子技术知识的目的，以方便培养学生进行较复杂数字系统设计的能力。
数字逻辑电路实验教学模式实现的方法为：实验教师根据教学大纲的要求选取适当的项目，然后将项目按教学内容的知识点和实践技能分解为8个实验，学生完成8个实验后进行级联调试，进而完成整个数字系统项目。这样既让学生掌握单个实验的知识点和实验技能，又能体验到每个实验在整个项目中的作用，进而形成数字系统电路的概念，达到“既见树木又见森林”的目的，并培养了学生复杂数字系统的设计能力和工程实践能力。
一、项目的选择
实验课程组教师以培养学生的工程实践能力和应用能力为出发点，从数字逻辑电路实验教学的角度分析、寻找可以激发学生学习兴趣和探究欲望，且具有一定应用背景的项目作为实验项目。实验项目的选择既要具有一定的综合性和应用性，又能涵盖传统的数字电子技术和现代的数字电子技术的知识点，以满足数字逻辑电路实验教学大纲和教学计划的要求。因此，教师可根据上述要求，在兼顾学生学习接受能力的前提下选取贴切可行的实验项目，如“信号发生器的设计”“多功能数字钟的设计”“交通灯电路的设计”和“秒表电路的设计”等。
二、项目的任务要求和分解
不同实验项目的任务要求不尽相同，实验项目的分解也不可能一样，因此实验课程组教师要根据数字逻辑电路实验教学大纲和教学计划的要求，在兼顾学生学习接受能力的前提下，制定实验项目的任务要求，并将实验项目分解为多个实验。下面以“多功能数字钟的设计”为例来进行介绍。
（一）实验项目任务。设计并制作一个多功能数字钟，能够实现年、月、日、时、分和秒的显示。
（二）实验项目要求。（1）具有计时功能，用8只数码管分屏显示年、月、日和星期、时、分、秒，分屏显示可以自动切换，也可以手动切换;（2）具有校时功能，能通过按键对年、月、日、星期、时、分进行设置，当选中设置对象后，对应的数码管闪烁点亮，表示要对其进行设置;（3）具有整点报时功能;（4）具有定时闹钟功能，可以设置闹钟的时和分，可以手动关闭闹铃;（5）具有清零功能，能用按键将时间和闹钟定时清零。
（三）实验项目分解。多功能数字钟由计数器、译码显示电路、校时电路、分频器、定时闹钟电路、数据选择器、整点报时电路和蜂鸣器控制电路组成，系统组成框图如图1所示。
多功能数字钟的工作原理为：由20MHz的石英晶体振荡器产生稳定的脉冲信号，经分频器进行分频得到1Hz的标准计时脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器计满24后向日计数器和星期计数器进位，以此类推。计数器的输出经过数据选择器送给译码显示电路进行显示。当需要设置时间、星期和日期时，可以通过校时电路进行设置。根据多功能数字钟的工作原理，结合数字逻辑电路实验教学大纲和教学计划的要求，将多功能数字钟分解为8个实验，如表1所示。
1 基本逻辑门的功能和参数测试 （1）掌握基本逻辑门的逻辑功能和主要直流参数的测试方法;（2）了解数字电路实验平台的使用方法 （1）与门、或门、非门、异或门的逻辑功能和主要直流参数的测试;（2）写出基本逻辑门的真值表和表达式
2 组合MSI器件的测试 （1）掌握组合MSI器件的逻辑功能及使用方法;（2）熟悉数字电路实验平台的使用方法 3-8译码器、显示译码器、编码器、数据选择器的逻辑功能测试及使用
3 触发器和移位寄存器的测试 （1）掌握触发器和移位寄存器的逻辑功能及使用方法;（2）熟悉数字电路实验平台的使用方法 S-R锁存器、D触发器、JK触发器和移位寄存器的逻辑功能测试及使用
4 Quartus II开发环境的使用 （1）熟悉Quartus II集成开发环境的使用;（2）熟悉数字电路实验平台的使用方法 掌握Quartus II原理图和文本输入法的编辑、编译（综合）、仿真和编程下载的操作方法 5 计数器的设计及应用 （1）掌握计数器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL设计计数器的方法 用Verilog HDL分别设计7进制、10进制、24进制、60进制计数器
6 分频器的设计 （1）掌握分频器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL设计分频器的方法 将20MHz的时钟信号分频得到1kHz、500Hz和1Hz的方波信号
7 数据比较器的设计 （1）掌握数据比较器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL设计数据比较器的方法 用Verilog HDL分别设计4位和8位的数据比较器
8 多功能数字钟 （1）掌握多功能数字钟的工作原理;（2）掌握多功能数字钟的设计方法 将实验按照图1系统组成框图级联起来，并进行调试，完成多功能数字钟的设计
三、实验项目教学实施
（一）实验动员。在开始进行实验的前1周，由实验授课教师召集学生进行实验动员，介绍实验要求、实验流程和实验的考核要求等。接着给学生展示已制作完成的实验项目作品，有助于学生增加感性认识，激发他们的学习兴趣和探索的欲望，然后要求学生查阅文献资料，获取实验项目的相关信息，设计实验项目的方案和步骤等。
（二）实验过程。首先由实验教师指导学生按照自编的数字逻辑电路实验指导书的要求和实验授课计划的安排做好每次分解实验的预习，然后按照实验课表分批次到实验室完成实验。在前几次实验中，实验教师可以给学生做详细的指导，鼓励学生常到开放的实验室熟悉实验平台、软件和仪器的使用。在实验过程中，实验教师可以通过启发式和组织学生探讨的方式引导学生解决实验过程中遇到的问题，注重学生分析问题能力和解决问题能力的培养。实验教师要善于发现实验过程中出类拔萃的学生，并加强对他们的引导，鼓励他们对所做的实验进行扩展或加入到教师的科研项目中，引导学生最大限度地提高自身的实践能力。待分解的实验完成后，让学生按照图1将每个实验级联起来，并进行调试，实现一个数字系统的设计，以培养学生对数字系统的设计、调试和应用能力。整个数字逻辑电路实验完成后，实验授课教师要组织学生进行讨论和总结，以求不断提高。
（三）實验成绩的评定。实验成绩的评定=平时成绩*50%+期末考核成绩*50%。平时成绩考核标准为：实验考勤占平时成绩的10%，实验预习占平时成绩的30%，实验操作占平时成绩的40%，实验报告占平时成绩的20%。实验期末考核由实验教师命题10套试题，学生采取抽签选题的方式确定考题，实验试题包含卷面考核和实验操作考核两部分，实验操作考核部分由实验监考教师现场验收打分，给定成绩。
数字逻辑电路实验教学将一个完整的数字系统项目分解为多个数字逻辑电路实验的教学内容，然后在数字逻辑电路实验教学中适当地引入Quartus II软件和Verilog硬件描述语言等知识，在传统的数字逻辑电路实验教学中引入现代数字电子技术知识，实现了数字逻辑电路知识的综合应用。该实验教学模式在电子信息类专业学生中实践，可以激发学生的学习主动性，对培养学生的工程实践能力和解决实际应用问题的能力起到积极的促进作用。
【参考文献】
[1]张国玉.数字电子技术实验教学改革与实践[J].实验科学与技术，2018（2）
[2]刘岚，李成范，周时强，等.数字逻辑实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2015（9）
[3]王茜.以工程系统为导向的实验实践体系探索[J].实验室研究与探索，2015（9）
[4]魏艳红，许昌，王桂荣.基于科研项目的机械电子专业实践教学改革[J].实验室研究与探索，2018（5）
[5]易艺.以项目为导向的AVR单片机实验教学探索[J].电子技术，2016（5）
[6]罗杰，肖看，谭力，等.Verilog HDL与数字ASIC设计基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2008
[7]岳庆英.电子类专业大学生实践能力培养探索[J].广西教育，2016（12）