浅谈高职教育中可编程逻辑器件课程的开放型实验设计

岑小林 陈援峰 杨伟钧 陈骁锐

摘要：针对目前高职教育培养技能型人才的要求，借鉴项目教学经验并结合多年来的教学工作实践，在已经开展的项目教学研究与实践的基础上，对应用电子技术专业中可编程逻辑器件课程实验引入开放型实验模式，就其内容、特点及实践成果作了阐述。对开放型实验项目的教学组织、教学环境，和开放型实验项目教学的有效性问题进行了研究。

关键词：电子技术专业；开放型实验；高职教育

中图分类号：G718.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）13-0263-02

一、引言

在发展进入新常态阶段，职业教育肩负着“为全面提升人力资本整体素质增强培养能力”和“为实现‘两个一百年奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦提供坚实的人才保障”的艰巨历史使命。我国技术转化能力相对落后，成为影响中国竞争力的最短板。分析我国技术转化能力不高的原因，其中至关重要的一点，就是我国尚未形成一支能够熟练进行技术转化的“技术技能人才”队伍。要做好技术转化，必须有能够将图纸转化为现实产品的一线技能人才，以及综合应用各种技术知识解决生产现场一些不确定的实际技术问题、进行生产现场管理和监督等工作的中高端技术技能人才，他们发挥着科研设计人员不可替代的作用。进行开放型实验教学是培养高技能人才的重要手段。通过合理的配置仪器设备、采用恰当的教学模式和方法将极大地影响素质教育的质量，影响创新能力的培养。我们必须充分认识实验教学的重要地位，高度重视实验教学的革新。

可编程逻辑器件的开放型实验项目是基于开放型项目教学的基础上、根据开放型实验项目的特征构建而来的。开放型实验项目的重要特征应当是鼓励冒险、创造性、革新及发散性思维，应当是富于挑战性的。我们按此原则进行项目的设计。可编程逻辑器件主要包括FPGA和CPLD，本校教学实践中主要采用FPGA。FPGA的全称为Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，在现代电子设计中，是不可或缺的重要元素之一，同时，对于学生全面深入理解数字电子技术有重要意义，对今后在电子技术领域的发展有深远影响。掌握可编程逻辑器件的应用方法是当代电子设计工程师必修内容，也是在校电子信息类大学生所要具备的一项基本的技能。因此，可编程逻辑器件的实践教学在电类专业实践教学中的地位日益凸显，如何开展好可编程逻辑器件的实践教学是当前教学中的一个主要问题。

二、实验过程设计

在实际教学中译码器的设计是非常重要的一个教学模块，在单元教学中，通过学习要求学生掌握相关Verilog语法知识，理解译码的思想，练习Modelsim仿真测试技能。为此我们精心进行了实验设计。

译码器是一种具有“翻译”功能的多输入多输出组合逻辑电路器件，这种电路能将输入二进制代码的各种状态，按照其原意翻译成对应的输出信号。译码器类型可以有变量译码、显示译码、指令译码等等。变量译码器有n线-2^n线译码和8421BCD码译码等等；显示译码器用来将二进制数转换成对应的七段码，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类；指令译码器（Instruction Decoder，ID）是CPU中的主要部件之一。计算机能且只能执行“指令”。指令由操作码和地址码组成。操作码表示要执行的操作性质，即执行什么操作，或做什么。计算机执行一条指定的指令时，必须首先分析这条指令的操作码是什么，以决定操作的性质和方法，然后才能控制计算机其他各部件协同完成指令表达的功能，这个分析工作由指令译码器来完成。

在实验中我们提出按三步走的方式进行实验。

1.进行基本的3-8译码器设计；

2.进行8421BCD显示译码器设计；

3.进行指令译码器设计。

在进行基本的3-8译码器设计时按照如下规划开展：

1.给出3-8译码器的真值表，由学生小组讨论其功能；

2.给出该设计代码，老师进行代码讲解，学生小组讨论Verilog语法知识。学生自行开展仿真测试代码的编写，然后进行Modelsim时序仿真，学生小组讨论分析仿真结果。

在后续两个译码器的设计为开放性实验课题，老师的工作重点转为引导阐述译码器功能，学生自行完成设计及仿真分析。遵循的原则是既要让学生掌握Verilog的编程技能，也要让学生理解现代微处理器的一些设计思想，进而引导学生开创性的思考自己如何设计微处理器。具体实行按照如下规划进行引导：

1.提出数码管显示编码的问题，引导学生讨论用何种编码机制、怎样进行动态显示；

2.阐述微机原理中ALU逻辑运算单元与指令译码的概念，引导学生讨论指令译码的实现机制；

3.给出设计指标，学生在讨论的基础上开展设计工作。

整个实验课时设计为8个课时。为了确保实验教学质量，我们严格设计了考评指标，具体如表1所示。

为确保开放式实验教学模式的顺利开展，我们为全开放实验室采用现代化的视频监控设备，配备我们自己设计的门禁及考勤系统，为学生开放式学习、主动实践提供了条件。

针对创新应用型实验，我们在全开放实验室中集中设置元器件柜，存放常用电阻、电容、电感、通用的半导体器件、接插件，标准数字器件，学生自由取用。

三、效果分析及总结

实验室实行开放式实验教学有利于组织和引导学生系统地开展课内课外实验活动，培养学生观察、思考、分析和解决问题的能力，特别是培养学生实际动手能力和科技创新能力。开展多方位的可编程逻辑器件设计的实验教学是符合技术发展的潮流，采取开放式的实践教学模式亦是实验教学的发展趋势所在。我们通过开展开放式实验教学，在一定程度上激发了学生的学习兴趣，提高了学习效率和效果。

开放型实验项目的教学组织要更为繁杂，需要老师付出较多时间精力进行安排，教学的有效性很大程度上取决于教师准备工作是否充分，如果准备充分则能为学生提供良好的教学环境。我们在开放型实验的设计与建设上总结了经验，今后将在主要在以下几方面开展工作：继续深入开展实验项目的设计工作，丰富教学内容和手段；完善评价考核体系，建立实用科学，方便可行的评价标准；研究实验课程的进一步展开，探索引入更多资源；进一步摸索实验环境的建设、实验器材的管理工作。

参考文献：

[1]许江.高校开放实验室管理模式探索[J].西华师范大学学报（自然科学版），2006，（02）.

[2]魏艳.高校开放实验室建设的几点探讨意见[J].科技信息，2009，（03）.

[3]卢学英，周树棠.关于高校实验室开放的研究[J].实验技术与管理，2006，（05）.