基于系统功能的个性化实验教学模式探索与实践

祁才君 阮秉涛 樊伟敏 姚缨英

浙江大学电气工程学院 浙江杭州 310027

基于系统功能的个性化实验教学模式探索与实践

祁才君 阮秉涛 樊伟敏 姚缨英

浙江大学电气工程学院 浙江杭州 310027

基于CPLD（FPGA）开发接口电路板以及实验内容层次化、可拓展并体现系统功能的综合实验，配合教学方法和考核方法的改革，形成基于课程的数字系统设计和基于电子系统模拟和数字电子技术相结合的综合实验教学新模式，取得了激发学生自主学习，满足个性化培养的良好效果。

系统功能；个性化；实验教学

Abstract: To meet the needs of individualized talent cultivation and promotion autonomous learning, based on CPLD (FPGA) development interface circuit board and experiment content hierarchical, can develop integrated experiment, with teaching methods and test method based on the reform of the course, forming a digital system design and based on electronic system analog and digital electronic technology combination of comprehensive experimental teaching mode.

Key words: system function; personalized; experiment teaching

电子技术是一门实践性和工程性强的课程,与理论课相配套,包含模拟电子技术基础实验和数字电子技术基础实验两门实验课程。模拟电路实验主要包含常用电子仪器的使用,PSPICE电路仿真工具使用、单级放大电路、集成运放使用和功率放大电路等。数字电路实验包括常用门电路的使用、集成触发器的使用,VHDL语言和仿真工具Modelsim的使用等。

在电子技术课程设计（暑期短学期,为期2周）,目前开设的设计题目有低频函数信号发生器的设计、大容量电容容量测试仪的设计,音频前置放大、音调电路和功率放大器的设计等。这类设计主要锻炼学生电子技术的设计与仿真、PCB板的布局、电子器件焊接、电子电路调试等能力。由于PCB板的布局和电子器件焊接在以后的工作中会有专门技工完成,电子技术课程的主要目标是锻炼电子技术的设计与仿真以及电子电路调试能力。

在实际课程开设中,由于电子元器件的限制,往往会给出一个参考设计电路。学生按照参考电路设计,就能够用现有器件进行安装调试,学生若不按照参考设计,可能需要自己外购器件才能实现。显然,硬件设计必然会限制学生的设计灵活性。学生唯一的方法是对非参考设计只进行软件仿真,实际安装仍然按照参考设计进行。

在当前的电子技术课程设计中,学生最大的锻炼在电子电路的调试方面,而电路设计的能力无法得到充分锻炼。

为实现“以人为本,追求卓越”的理念,浙江大学积极推进“基础宽厚、专业自主、复合交叉、鼓励探究”的培养模式,为学生提供更广阔的个性化成长空间。近年来,浙江大学以建设综合型、研究型、创新型一流大学为目标,以提升教育教学质量为核心,以课程体系和教学内容的改革为切入点,推进以人为本、因材施教的人才培养模式。激发学生的潜能,培养学生的兴趣,增强学生独立思考和创新的能力。

为了进一步培养学生掌握系统的概念以及电子技术的设计能力,基于CPLD（FPGA）,在数字电子技术基础实验以及电子技术课程设计两门课中开设了拓展开放式综合实验,更好地激发学生自主学习,达到个性发展的目的。根据课程的进度以及学生的能力,我们在数字电子技术基础实验课程（32～48学时）中强调数字系统的概念,研发了CPLD（FPGA）接口电路板,开发了基于课程的数字系统综合实验——多功能数字钟设计,用相对完整但知识面又覆盖数字电子技术基础主要内容的系统设计、制作和调试过程,代替以往的单元电路实验。

在电子技术课程设计环节,则开设基于电子系统的模拟和数字电子技术相结合的综合实验,并着重解决实验内容的层次性和可拓展性。为满足个性化人才培养的需求以及推进自主学习,将设计题目或要求不做唯一性限制,而是在给定相应基础条件的前提下,提供多个选题。

1 基于数字电子技术基础的数字系统综合实验

基于数字电路实验课程开发的综合实验—多功能数字钟设计,要求实现完整可运行的数字钟电路,含振荡、计数、显示、校时、整点报时、闹铃及其他自创功能。通过该实验,使学生能将理论课程中学习的相关知识融于综合性、设计型、创新性的实验课程中,掌握和巩固数字电子技术基础理论以及数字电子技术的基本实验技能；了解和掌握数字电子技术新技术的最新发展与新型电子器件和EDA工具的使用；对学生进行相关技术的综合运用练习,使他们的动手实践,特别是综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力得到很好锻炼和提高。

多功能数字钟设计分14个阶段进行,每个阶段教师提出设计任务,对关键电路进行方案论证,由学生自行选择方案进行设计和调试,教师进行阶段性验收。这14个阶段分别是：

(1)电子技术综合与设计实验基础。介绍电子技术综合与设计实验相关技术与要求；讲解电子系统的设计方法与过程；公布本课程学生成绩评定方法等。

(2)基础训练1—数字钟外围硬件电路设计与测试。学习用标准逻辑器件设计数字电路；学习组合逻辑电路与时序逻辑电路的设计与功能测试方法；掌握计数器、译码器、显示器的应用。

(3)基础训练2—EDA编程工具与开发环境。学习逻辑功能的VHDL语言描述和原理图描述的方法；学习EDA工具软件—Quartus II的使用；学习用仿真波形验证电路功能的方法。

(4)多功能数字钟的设计任务与计数器设计。布置设计任务与设计要求；讲解数字钟的基本组成；学习数字钟的核心电路—计数器的设计与仿真测试；验收分、时计数器电路原理图与仿真波形。

(5)多功能数字钟的校时电路设计。设计校时电路；验收具有时、分、秒计时和时、分校时功能的时钟计数器电路原理图；验收具有校时功能的时钟计数电路仿真波形。

(6)多功能数字钟的整点报时电路设计。设计整点报时电路；验收具有秒、分、时计时和整点报时功能的时钟计数器电路原理图；验收具有整点报时功能的时钟计数电路仿真波形。

(7)多功能数字钟的闹铃电路设计。设计闹铃电路；验收具有秒、分、时计时和闹铃功能的时钟计数器电路原理图；验收具有闹铃功能的时钟计数电路仿真波形。

(8)多功能数字钟的秒脉冲发生电路设计。设计秒脉冲发生电路；焊接秒脉冲发生电路；用示波器检查秒脉冲发生电路输出信号波形。

(9)多功能数字钟的译码器与显示电路设计。设计并焊接6位LED数码管显示电路；设计并焊接一个用8位拨动开关产生8位逻辑电平输出电路；用8位拨动开关产生的8位逻辑电平信号调试6位LED数码管显示电路的功能是否正确。

(10)多功能数字钟的创新功能设计。学生可根据自己的能力设计数字钟的附加创新功能；附加创新功能不作要求与限制,也不进行讲解指导。

(11)多功能数字钟的系统组装、调试。绘制完整电路图；进行布局规划、线路焊接和系统连接；进行脱机检查、单元电路调试；进行系统联调,直到所有功能都正确为止。

(12)多功能数字钟的系统验收。对照设计要求,自行拟定验收项目,设计验收表；对照验收项目,逐项进行功能和性能指标检查；对同学自设的附加创新功能进行验收。

(13)实验考试。考试内容与数字钟系统有关；考查同学是否掌握课程主要知识要点。

(14)设计与总结报告编写。设计报告内容主要包括设计要求、方案论证、单元电路设计与计算、测试方法与数据、结果分析、结论和附录等几个部分；总结报告包括对本课程实验方法的感受、意见和建议等。

为使同学将精力集中到功能设计和实现,在实现手段上做了下述改进,图1为学生在课程中完成的多功能数字钟作品。

图1

(1)自行开发了可编程器件实验模块,使复杂数字系统的设计成为可能；

(2)搭配通用实验板,学生可以自由设计系统功能；

(3)通过标准接插件与焊接方式连接单元电路,使系统更稳定、可靠。

数字钟实验是用综合性、设计性实验代替了验证性实验,用系统的研制开发代替了单元电路实验,一个设计项目贯穿整个课程。设计性实验仅提出系统的功能要求和性能指标要求,而不对具体的实现方法做硬性规定。

实验安排上由浅入深,循序渐进,保证学生能够快速入门、进入角色。实验要求上既有基本要求,还有自由发挥部分,既保证了每个参加实验的同学能够完成基本要求,又给优秀学生留出了自由发挥的空间。

经历4届学生约200人的实践,学生设计实现的功能各不相同,实验方法多种多样：整套数字钟电路的基本部分可分解为振荡、计数、显示、校时、整点报时、闹铃等单元电路,每个单元电路有2种以上的方案可以选择,共计超过64种不同组合。再加上学生自创功能如日历功能、倒计时功能、秒表功能、游戏机功能、密码开机功能、闹钟贪睡功能、半点报时功能、时区功能、篮球比赛计时功能、节电功能等十几种功能,整个数字钟电路的功能与实现方案千变万化。

数字钟实验具有很强的可视性和互动性,这大大地激发出了学生对实验的兴趣。98%的同学可以很好地完成基本功能要求,另有约50%以上的同学实现了自创功能设计。课程在拓展研究,个性发挥方面完全取得了预期效果。

2 基于电子系统设计的模块化综合实验

增强学生设计能力的方法之一是在电子设计中加入柔性设计。为此,在原课程设计题目低频函数信号发生器基础上,增加输出信号的频率测量。其中,频率测量要求采用数字电子技术,应用VHDL语言编程,最后由可编程逻辑器件实现。

据此安排,整个电子技术课程设计分成两部分内容(如图2所示)。

图2 频率数显式低频函数信号发生器

在低频函数信号发生器设计部分,实验室提供一块通用实验板,以及一套与参考设计电路相符的电子元器件(如图3所示)。

图3 低频函数信号发生器用通用板

通过低频函数信号发生器的设计,学生可以得到以下几个方面锻炼：

（1）学会模拟电子系统的设计；

（2）掌握PSPICE仿真软件的使用；

（3）学习PCB板布局技术；

（4）掌握一定的焊接技术；

（5）掌握模拟电子技术调试的一般规律。

在频率测量与显示设计部分,实验室提供包含可编程逻辑器件的频率测量实验板,该实验板对输入信号整形后送入可编程逻辑器件,同时提供32768Hz的基准时钟,以及供显示频率用的4只动态数码管,状态指示用的若干LED灯(如图4所示)。

图4 频率测量实验板

频率测量与显示部分原则上不提供参考设计,这部分内容主要锻炼学生复杂数字系统的设计能力。

通过频率测量与显示电路的设计,学生可以在下几个方面得到锻炼：

（1）学习用VHDL语言设计复杂数字系统的设计能力；

（2）掌握Modelsim仿真工具软件的使用；

（3）掌握应用可编程逻辑器件设计数字系统的一般方法。

原来的课程设计仅包含低频函数信号发生器的设计,若全部按照参考设计进行,只要布局与焊接合理,只需一周就能完成整个设计,时间过于宽裕。

增加输出信号频率测量内容之后,数字部分的设计任务较重,在没有参考设计VHDL源代码的情形下,一人要独立完成整个设计有一定难度。根据实际情况,频率测量部分允许学生自由组合,学生可以根据自身的能力,由1～4名学生组成一个小组进行频率测量设计。

频率数显式函数信号发生器的设计在两届爱迪生班中开展实验,大部分学生一周左右完成低频函数信号发生器设计,约4～5天进行频率测量设计,大约30%左右的学生可完成完整设计,其余学生频率测量部分完成。

3 基于CPLD(FPGA)展开电子系统设计的个性化教学

图5给出了除数显式信号发生器之外的电子技术课程设计的选题,基于自主开发的CPLD接口电路或联合实验室提供的开发板,学生可以在尝试模数电相结合的电子系统设计,将课程所学的知识用于复杂的应用环境和系统。

图5 电子技术课程设计之选题

电子技术课程设计共有12天时间。面向电气或电子信息类学生,学生已完成电路原理、电子技术、微控制器应用等课程学习及电工电子综合训练等相关实验课程。课程设计的选题分验证型和创新型两大类。验证型选题人数不限,创新型每个选题原则不允许超过3人。

验证型选题：理论教学部分对验证型选题进行详细讲解,并提供参考设计。学生需要完成PSPICE设计仿真,PCB布局和实验调试,检测频率的VHDL代码编写、仿真和下载测试。验证型选题主要训练学生熟悉电子系统的一般设计过程。验证型选题设计结果是预知的,无法激发学生的探索精神。

创新型选题：教师提供可实现的创新型设计选题和相关硬件平台,设计过程完全由学生独立进行,教师只负责设计指导与答疑。学生可以充分体会设计的艰辛与乐趣,成功的设计带给学生巨大的设计成就感。创新型选题培养学生自主设计能力和创新精神。图6为学生的部分作品。

Exploration and practice of personalized teaching mode based on the system function experiments

Qi Caijun, Ruan Bingtao, Fan Weimin, Yao Yingying
Zhejiang university, Hangzhou, 310027, China

图6 学生作品

2011-04-24

祁才君，硕士，副教授。