淺談高職教育中可編程邏輯器件課程的開放型實驗設計

岑小林 陳援峰 楊偉鈞 陳驍銳

摘要：針對目前高職教育培養技能型人才的要求，借鑒項目教學經驗并結合多年來的教學工作實踐，在已經開展的項目教學研究與實踐的基礎上，對應用電子技術專業中可編程邏輯器件課程實驗引入開放型實驗模式，就其內容、特點及實踐成果作了闡述。對開放型實驗項目的教學組織、教學環境，和開放型實驗項目教學的有效性問題進行了研究。

關鍵詞：電子技術專業；開放型實驗；高職教育

中圖分類號：G718.5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）13-0263-02

一、引言

在發展進入新常態階段，職業教育肩負著“為全面提升人力資本整體素質增強培養能力”和“為實現‘兩個一百年奮斗目標和中華民族偉大復興的中國夢提供堅實的人才保障”的艱巨歷史使命。我國技術轉化能力相對落后，成為影響中國競爭力的最短板。分析我國技術轉化能力不高的原因，其中至關重要的一點，就是我國尚未形成一支能夠熟練進行技術轉化的“技術技能人才”隊伍。要做好技術轉化，必須有能夠將圖紙轉化為現實產品的一線技能人才，以及綜合應用各種技術知識解決生產現場一些不確定的實際技術問題、進行生產現場管理和監督等工作的中高端技術技能人才，他們發揮著科研設計人員不可替代的作用。進行開放型實驗教學是培養高技能人才的重要手段。通過合理的配置儀器設備、采用恰當的教學模式和方法將極大地影響素質教育的質量，影響創新能力的培養。我們必須充分認識實驗教學的重要地位，高度重視實驗教學的革新。

可編程邏輯器件的開放型實驗項目是基于開放型項目教學的基礎上、根據開放型實驗項目的特征構建而來的。開放型實驗項目的重要特征應當是鼓勵冒險、創造性、革新及發散性思維，應當是富于挑戰性的。我們按此原則進行項目的設計。可編程邏輯器件主要包括FPGA和CPLD，本校教學實踐中主要采用FPGA。FPGA的全稱為Field-Programmable Gate Array，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，FPGA既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點，在現代電子設計中，是不可或缺的重要元素之一，同時，對于學生全面深入理解數字電子技術有重要意義，對今后在電子技術領域的發展有深遠影響。掌握可編程邏輯器件的應用方法是當代電子設計工程師必修內容，也是在校電子信息類大學生所要具備的一項基本的技能。因此，可編程邏輯器件的實踐教學在電類專業實踐教學中的地位日益凸顯，如何開展好可編程邏輯器件的實踐教學是當前教學中的一個主要問題。

二、實驗過程設計

在實際教學中譯碼器的設計是非常重要的一個教學模塊，在單元教學中，通過學習要求學生掌握相關Verilog語法知識，理解譯碼的思想，練習Modelsim仿真測試技能。為此我們精心進行了實驗設計。

譯碼器是一種具有“翻譯”功能的多輸入多輸出組合邏輯電路器件，這種電路能將輸入二進制代碼的各種狀態，按照其原意翻譯成對應的輸出信號。譯碼器類型可以有變量譯碼、顯示譯碼、指令譯碼等等。變量譯碼器有n線-2^n線譯碼和8421BCD碼譯碼等等；顯示譯碼器用來將二進制數轉換成對應的七段碼，一般其可分為驅動LED和驅動LCD兩類；指令譯碼器（Instruction Decoder，ID）是CPU中的主要部件之一。計算機能且只能執行“指令”。指令由操作碼和地址碼組成。操作碼表示要執行的操作性質，即執行什么操作，或做什么。計算機執行一條指定的指令時，必須首先分析這條指令的操作碼是什么，以決定操作的性質和方法，然后才能控制計算機其他各部件協同完成指令表達的功能，這個分析工作由指令譯碼器來完成。

在實驗中我們提出按三步走的方式進行實驗。

1.進行基本的3-8譯碼器設計；

2.進行8421BCD顯示譯碼器設計；

3.進行指令譯碼器設計。

在進行基本的3-8譯碼器設計時按照如下規劃開展：

1.給出3-8譯碼器的真值表，由學生小組討論其功能；

2.給出該設計代碼，老師進行代碼講解，學生小組討論Verilog語法知識。學生自行開展仿真測試代碼的編寫，然后進行Modelsim時序仿真，學生小組討論分析仿真結果。

在后續兩個譯碼器的設計為開放性實驗課題，老師的工作重點轉為引導闡述譯碼器功能，學生自行完成設計及仿真分析。遵循的原則是既要讓學生掌握Verilog的編程技能，也要讓學生理解現代微處理器的一些設計思想，進而引導學生開創性的思考自己如何設計微處理器。具體實行按照如下規劃進行引導：

1.提出數碼管顯示編碼的問題，引導學生討論用何種編碼機制、怎樣進行動態顯示；

2.闡述微機原理中ALU邏輯運算單元與指令譯碼的概念，引導學生討論指令譯碼的實現機制；

3.給出設計指標，學生在討論的基礎上開展設計工作。

整個實驗課時設計為8個課時。為了確保實驗教學質量，我們嚴格設計了考評指標，具體如表1所示。

為確保開放式實驗教學模式的順利開展，我們為全開放實驗室采用現代化的視頻監控設備，配備我們自己設計的門禁及考勤系統，為學生開放式學習、主動實踐提供了條件。

針對創新應用型實驗，我們在全開放實驗室中集中設置元器件柜，存放常用電阻、電容、電感、通用的半導體器件、接插件，標準數字器件，學生自由取用。

三、效果分析及總結

實驗室實行開放式實驗教學有利于組織和引導學生系統地開展課內課外實驗活動，培養學生觀察、思考、分析和解決問題的能力，特別是培養學生實際動手能力和科技創新能力。開展多方位的可編程邏輯器件設計的實驗教學是符合技術發展的潮流，采取開放式的實踐教學模式亦是實驗教學的發展趨勢所在。我們通過開展開放式實驗教學，在一定程度上激發了學生的學習興趣，提高了學習效率和效果。

開放型實驗項目的教學組織要更為繁雜，需要老師付出較多時間精力進行安排，教學的有效性很大程度上取決于教師準備工作是否充分，如果準備充分則能為學生提供良好的教學環境。我們在開放型實驗的設計與建設上總結了經驗，今后將在主要在以下幾方面開展工作：繼續深入開展實驗項目的設計工作，豐富教學內容和手段；完善評價考核體系，建立實用科學，方便可行的評價標準；研究實驗課程的進一步展開，探索引入更多資源；進一步摸索實驗環境的建設、實驗器材的管理工作。

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