数字逻辑与电路课程教学改革研究

◆叶海雄 匡兴红

数字逻辑与电路课程教学改革研究

◆叶海雄 匡兴红

数字逻辑与电路课程是理工类大学本科生基础课。增加COLLE测试并引入EDA技术，前者改善讲解的教学方法；后者通过使用EDA技术，以提高学生独立分析问题的能力，为大学生创新奠定结实的基础。

数字逻辑与电路课程；EDA技术；COLLE测试

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.122

1 引言

随着科技的不断发展，数字电路易集成、运算逻辑能力强等特点在计算机、信息、电子、自动化、航天等领域有着广泛的应用。目前各个大学本科院校理工类专业在大学一、二年级把数字逻辑与电路课程 作为一门基础必修课来开设。该课程通常由数字逻辑和EDA（Electronic Design Automation）技术两部分组成，其目的是让学生系统地获得数字逻辑必要的基本理论知识，同时能够掌握EDA开发软件，将硬件描述语言编程方法和可编程器件的开发及符合工程规范的系统设计技术有机融合在一起，强调理论和实际的联系。目前该课程教学方式以教师在课堂上讲授为主，学生被动接受知识，同时完成验证性实验，其效果是学生掌握理论知识不牢固，并对计算机硬件描述语言编程仍然把握不足，缺乏社会竞争力。

为充分发挥学生的主观能动性和学习知识的积极性，教师需利用现有教学资源并结合企业岗位需求重新整合教学内容，在教学中增加COLLE测试以锻炼学生口头表达、逻辑分析、解决问题的综合能力，并要求学生利用EDA技术搭建实验平台参与电子设计实践项目，以培养学生动手和创新能力。

2 增加COLLE测试，培养学生综合能力

COLLE测试是法国高等教育特色教学方式之一，测试时间约为一小时，每次测试有六位学生参加。测试内容由教师提问和学生解题两部分组成。前半部分即教师分别向学生提出不同的问题，如要求学生复述定义、解释 定理、分析问题等，通过每个学生即时的回答，教师可以快速考查学生对课堂知识的掌握程度，从而更好地安排教学进度；后半部分是教师分别给学生不同的习题，学生当场在黑板上进行演算和解答，并阐述解题思路及过程。如果学生在答题过程中遇到困难，教师可启发并帮助解答问题。通过演算和解答训练，学生不断了解自己掌握知识的缺漏，学习教师的解题经验，清楚地找出学习中存在的问题。在COLLE测试中，不设唯一答案、没有统一的标准，教师会根据学生的现场表现给出评分，并对学生的今后学习给出建议，凭借学生的综合表现来考查学生的学业水平。在测试中，学生和教师位置互换，充分体现出以学生学习为主、教师帮助为辅的教学精神。

3 利用EDA 技术培养学生动手能力

EDA技术即电子设计自动化技术，该实验平台包括EDA硬件开发和硬件描述语言平台。目前大部分院校采用的是Quartus II工具软件平台。考虑到学生有一定的C语言基础，上海海洋大学该课程使用以C语言为主的GAUT软件、Quartus II工具和NiosII IDE硬件开发相结合的平台。

GAU T（Generation Automatic d’Unite de Traitement）软件是一款由法国布列塔尼大学开发的开源高级综合工具，它能够将符合要求的C语言综合出符合IEEE标准的RTL级的VHDL代码，生成仿真脚本、原理图和报告，大幅减少硬件设计时间。使用该工具进行可编程开发的过程由分析算法、条件约束、调度绑定和RTL综合等步骤组成。该软件包括的可编辑配置有C语言分析编译器、工艺库、内存（如单口/双口RAM、ROM、FIFO、移位寄存器等）、IP接口（如寄存器）。由此可见，GAUT软件功能强大，把实际设计和日常教学融合为一体。

Quartus II工具是目前高校普遍采用的教学实验软件。该工具支持VHDL、Verilog硬件描述语言，包括的功能模块有分析综合器、适配器、时序分析器、网表生成器、编辑数据接口等，同时该软件支持第三方仿真工具Modelsim。

NiosII IDE硬件开发平台是Altera公司针对大学研究机构推出的一款符合数字逻辑与电路课程的多媒体开发平台。据统计，目前全球众多名校，如哈佛大学、伯克利大学、巴黎第十一大学、苏黎世理工学院，国内的北京大学、上海交通大学、东南大学等，都将NiosII IDE和Quartus II工具软件平台用于微机原理、数字信号处理、嵌入式系统等课程的教学。众多国际半导体厂商（如三星、高通、联发科、意法半导体等公司）也以该平台从事原型机设计。而学生可以借助该平台进行由简到繁的数字电路系统的设计实践，通过大量实战性的演练，学生了解该领域国内外前沿技术，提高动手能力和社会竞争力。

4 教学实践过程

数字逻辑与电路课程教学改革分为课堂教学和实验教学两部分。

在课堂教学的COLLE环节，具体教学要求分为三个部分。

1）要求学生复述代入、反演、对偶等定理，卡诺图化简规则，组合逻辑电路的定义，触发器的特征方程，分析时序逻辑电路的步骤等基础概念知识。

2）教师给出习题让学生在黑板上解答，如要求学生根据题意写出真值表、逻辑表达式、激励方程、输出方程，画出状态图、时序图，确定逻辑功能。

3）如果学生在解题时遇到困难，教师帮助提示启发学生，鼓励学生寻找最简便的解题方法，最后帮助学生总结解题思路。如在卡诺图中按照常规解题思路，在化简过程中，大部分学生会按规则合并所有逻辑′1′的表达式，然后再化简。然而在卡诺图中出现大部分逻辑′1′情况下，只需写出少数逻辑′0′表达式，然后根据反演定理，通化简得到答案。通过COLLE测试，学生可以补足学习上的缺漏，为今后的学习打下结实的基础。

在实验教学环节中，要求学生设计一个数值滤波器，具体实验教学可分为五个阶段，

第一阶段：要求学生搭建二进制加法器和一位全加器，通过手工操作实验体会设计过程的艰难和繁琐，同时要求学生熟悉使用相关的EDA技术软件，如GAUT、Quartus II。

第二阶段：帮助学生使用EDA技术设计具有加法和乘法功能的运算器和移位寄存器的数据通路模块，并通过高级综合工具GAUT软件自动生成相应的VHDL代码，然后用Quartus II软件验证运算器的准确性。

第三阶段：要求学生使用EDA技术完成内存的设计，可以利用FPGA2C35开发板上的含有存储单元的可编程器件构建自己的内存，从而简化设计。

第四阶段：协助学生通过使用EDA技术将数据通路模块和内存存储器结合成数字滤波器，同时编写程序对该设计进行调试以保证准确性。

第五阶段：鼓励学生物理实现可编程器件，确定可编程器件和滤波器的引脚关系，将设计结果下载到开发板上的可编程器件，使之满足设计要求。

5 结束语

数字逻辑与电路是一门非常重要的本科生专业基础课程，其特点是应用性强、更新快。在课堂教学中加入COLLE测试，以注重“教师与学生互换位置”，提倡以学生为主的教学思想，努力培养学生正确的学习方法。在实验教学中加强巩固学生对该课程知识的全面掌握和理解，特别是增强学生动手能力和创新能力。通过使用GAUT、Quartus II工具软件和NiosII IDE硬件开发平台，丰富教学内容，培养符合企业要求的创新人才，并积极探索和不断实践教学改革，为其他相关课程提供有价值的教改参考经验。■

Teaching Reform on Course of Digital Logic Electronic and Circuit

YE Haixiong， KUANG Xinghong

The course of Digital Logic Electronic and Circuit is a basic technical course for undergraduate science technology students. The article adds the COLLE test and introduces the EDA technology， the rst improves the current teaching method； the last is through the use of EDA technology， in order to promote students’independent analyzing ability and makes a foundation for college students’ innovation in the future.

course of digital logic electronic and circuit； EDA technology； COLLE test

G642.0

B

1671-489X（2015）24-0122-02

作者：叶海雄、匡兴红，上海海洋大学（301206）。