基于口袋實驗室的數字電路課程教學模式改革與實踐

吳蘇 馬知遠 周達華

[摘 要]從數字電路課程存在的問題出發，基于新技術、新方法，提出一種基于口袋實驗室的“即學即現”式課堂教學新模式。圍繞現代數字電路的設計思路，把 FPGA 引入隨課實驗，在理論教學的同時即時展現實驗演示效果，學生課后也可以與理論學習同步動手實踐，較好地解決了理論和現實脫節的矛盾。

[關鍵詞]教學改革;數字電路;口袋實驗室

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）09-0102-03

引言

電子技術系列課程作為電子工程學科基礎必修課，注重培養學員的電路分析、設計和應用能力 ，是電子工程學院學員在大學實現從理論分析模式轉向工程應用模式轉變的重要課程。因此，該課程教學及實踐環節在人才培養體系中發揮著極其重要的作用。當今這個信息技術飛速發展的時代，對人才實踐創新能力的要求逐漸提高，如何優化有利于學生創新能力提升的教學模式，一直是高等教育的重要課題。

隨著電子技術的飛速發展，數字電路需要具有高速處理數據和高速計算的性能，而傳統數字電路教學仍然以講授中小規模電路為主，這就使得高校電子技術課程教學與實際工程應用之間出現了“鴻溝”，難以滿足學生后續專業課程的學習乃至工作實踐的需求。以口袋實驗室為手段，以實踐教學為主線，推動課程教學模式的改革，構建學員正式學習空間和非正式學習空間，完善和優化課程創新實踐改革，形成總體效益 ，對人才培養有著重大的理論意義和實踐意義[1]。

國外很多著名高校不斷跟進數字電子技術的發展。口袋型FPGA開發板具有方便攜帶、成本低等優勢，因此開展以口袋實驗室為數字電路實驗課程改革的主體思路， 對學員的工程實踐能力及信息化素質提出了新的要求——具備運用EDA技術分析、設計電路的能力，要在相關專業的培養方案中體現這種能力的培養要求。

一、主要問題

（一）理論知識經典，但理論與實踐聯系不緊密

數字電路課程仍然以門電路和中小規模電路為主，主要還是源于這門課程的定位，畢竟再復雜的電路到了底層還是要用門電路來實現，因此對數字電路基礎知識掌握不扎實就難以設計出優秀的電路。如何讓學生在掌握數字電路基礎知識的同時又清楚地掌握這些知識在現代技術中的應用是數字電路課程教學必須解決的問題。

（二）實驗課程學時有限，學員創新意識不強

課程實驗包含驗證性實驗和綜合性實驗，學生上課通常按圖接線，然后測試，記錄。首先，大部分時間耗費在煩瑣的連線上，學生獨立思考自主設計的時間不足，無法充分調動學生的主動性和積極性。其次，學生在實驗過程中一旦出現問題，不知如何查找產生問題的真正原因，只是將整個線路拆掉，重新按圖連線，更談不上創新意識和能力的培養。再次，實驗班次規模較小，需要開課較多，實驗室難以滿足需求。

（三）考核評價方式單一，教學效果不理想

傳統的考核評價方式是以結果為導向：把教師掌握的現成知識、技能傳遞給學生，或者讓學生簡單地按照教師的安排和講授去得到一個結果。這就容易導致教學中出現兩大問題：一是學生學習主動性差，學習效率低下。二是學生能力得不到提高。教師將大部分工作完成后，學生依樣畫葫蘆，不能對知識進行重新組合、融會貫通，無法將知識內化成分析問題和解決問題的能力。

二、主要思路

我們針對理論教學和實踐教學脫節的問題，提出一種基于口袋實驗室的“即學即現”式課堂教學新模式，即基于FPGA最小系統開發板和電腦，將實驗教學環節帶進課堂，在理論教學中即時展現實驗演示效果，讓學生可以第一時間與理論學習同步自行動手實踐，充分調動學生學習的積極性。

我們重新設計了數字電路課程的教學體系，增加了基于FPGA開發板的隨課實驗，在整個教學過程中，通過實驗鞏固教學內容，熟悉現代技術，構建正式學習空間和非正式學習空間，突出理實一體的教學方法，重點激發學員學習的內在興趣和動力，培養學員主動探究的學習習慣，采用課外學習、課堂研討、課堂翻轉、協作學習、案例引入等方式方法，加強師生、生生的深層次互動，同時完善考核評價體系，采用全過程考核，促進學員腳踏實地、求真務實地學習。

三、主要措施

（一）引入隨課實驗，將理論教學與實驗教學相融合[2]

數字電路作為數字設計領域的基礎課，雖然在現代數字電路設計中可能看不到小規模門電路，但無論多么復雜的電路，歸根到底還是用邏輯門來實現，所以基礎知識還是要講， 但可以換一種思路、換一個方法去講。筆者基于一款口袋型FPGA開發板的隨課實驗，如圖1所示，將數字電路的基礎知識和實際應用相融合，充分調動學生學習積極性，提高學生學習效率。

由于FPGA 開發板具有便攜性，學生不需要依賴于傳統實驗室，他們提前借用實驗室最小系統開發板和相關傳感器控制器模塊，通過杜邦線連接，在宿舍、食堂、教室、操場，甚至任何一個可以工作和學習的地方，隨時隨地完成課內外實驗，做創新項目開發、課程設計、畢業設計等。口袋實驗的教學模式拓寬了實驗的時間、空間概念，既滿足了學生的學習需求又給他們自主安排學習時間留有余地，較好地解決了由實驗內容增加而規定學時減少帶來的矛盾。利用好MOOC、微課等課程資源，有利于學生創新實踐能力的培養，也有利于學生的個性化發展，是一個真正意義上的全開放的共享課[3]。

（二）重新規劃教學內容，建立理論與實踐結合的數字電路教學體系

1.重構理論教學內容

目前各高校的數字電路課程大都開設在大二學年，教學內容主要包括數字邏輯基礎、組合邏輯電路、時序邏輯電路、數模及模數轉換電路、脈沖單元電路、可編程邏輯器件。從知識體系上講，可編程邏輯器件和 Verilog 語言等內容是放在課程后面的章節，排在時序邏輯電路之后。但在實際教學中，通過開展“項目導向式教學”，以各章的實例逐步將 Verilog 語法引入，初期學生并不需要知道 FPGA 的內部結構，只需理解它是一個載體即可，將主要學習精力放在用 FPGA 驗證門電路的邏輯關系[4]。

2.優化實驗教學內容和結構

在進行教學模式改革的同時，對教學內容和結構進行優化，根據布魯姆教育目標分類學，以學生的認知規律為主線，合理安排分類實驗教學，設置滿足不同能力要求的實驗教學內容，進而構建一個互為補充、能力逐步提升的實驗教學體系 ，如圖2所示。其中入門實驗、基礎實驗、綜合設計為數字電路課程實驗內容，要求所有學習本門課程的學員完成;而創新實踐和創新創意為創新型、研究型實踐環節，則通過開展電子科技創新月和各類電子學科競賽等創新類實踐活動為牽引，選拔學有余力的學生參加，進行創新能力的培養。

其中與理論課配套的隨課實驗教學的具體實施如表1所示。通過入門實驗、基礎實驗和綜合設計三個層次的實驗對學生的動手能力進行逐級培養。基于口袋 FPGA 開發板，編程語言采用 Verilog，根據教學進度布置實驗內容，并定期組織驗收和討論。

第一階段：入門實驗——初識 FPGA。 通過發放 FPGA 開發板， 安裝 Quartus Prime 開發環境 ，創建第一個工程。工程項目逐步安排板載資源、 板載 LED 顯示、板載七段數碼管顯示、板載按鍵和撥碼開關的使用。其實，依靠 FPGA 強大的仿真工具，完全可以不需要這些按鍵和 LED，但對于初學者和數字電路教學而言，可以用這些板載資源將邏輯電路的結果以更直觀的形式呈現出來，進一步激發學生的學習興趣，同時鼓勵學生開始自學 Verilog 語言。

第二階段：基礎驗證性實驗 。從講授組合邏輯電路開始，在課堂中將一些典型電路引入 Verilog 描述，并通過實例講解 Verilog 語法。例如全加器會給出多種 Verilog 實現方式，并在實驗中邀請學生查看在 FPGA 中綜合出來的電路形式，通過仿真檢查輸入和輸出的波形關系，最終用撥碼開關模擬兩個加數和低位來的進位，用兩個LED 燈顯示相加的和以及往高位的進位。

第三階段：綜合設計實驗。教師通過一個實際的項目牽引，學員采用分組合作的模式完成綜合實驗。從資料查找、方案論證、系統設計、電路設計、聯合調試、總結報告、作品展示和交流等過程引導學員，使他們具備復雜工程設計的能力[5]。

四、實行全過程考核，完善綜合考評機制

創新完善全程能力考核評價和個性化教學策略優化的方式方法，實現由單一考知識向知識能力考查并重轉變，探索出能力考核、分類評價和個性化教學的新路子。采用理論知識按階段隨堂考，實踐能力貫穿全程跟蹤考，綜合素質以綜合實踐項目全面考，上述三部分有機結合構成學員總評成績。同時，通過實時分析各環節結果建立“內反饋”，不斷優化教學策略和教學過程，實施個性化教學，跟蹤后續專業課程學習情況，通過與教師同行溝通交流等渠道建立“外反饋”，持續優化改進教學方案，形成基于課程體系的質量持續提升機制。

五、結束語

教學過程以學生為主體，使學生從被動接受轉變為主動學習，利用口袋實驗室可隨時隨地開展實驗的優點，分層次分階段開展實踐訓練，培養學生的工程思維能力和解決問題的能力，為后續的專業課學習和創新實踐活動奠定基礎，逐步激發學生的探索心理與創新意識。課題組近三年指導的學生在全國大學生電子設計大賽、中國研究生電子設計競賽、全國大學生智能互聯創新大賽、中國高校智能機器人創意大賽中獲全國一等獎12項、二等獎20項，在中國大學生互聯網+創新創業大賽中獲湖北省金獎1項、銀獎2項，教學改革初見成效。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 漆強，劉爽.基于嵌入式系統的“口袋實驗室”設計[J].實驗技術與管理，2015（12）：97-102.

[2] 孫文生.將理論與實踐相融合的“數字電路”課程改革探索：引入基于口袋型FPGA開發板的隨堂實驗[J].工業和信息化教育，2018（6）：109-111.

[3] 董介春，于瑞濤，衛成兵.口袋實驗室建設和實驗教學改革.[J].電氣電子教學學報，2017（3）：133-135+147.

[4] 榮海林，姚福安.基于MyDAQ的“電子技術基礎”口袋實驗室開發[J].電氣電子教學學報，2017（6）：133-137.

[5] 劉艷，秦昌明.“口袋”實驗室在物聯網工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2015（8）：212-225.

[責任編輯：龐丹丹]