惠國(guó)騰，劉曉東

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣漢 618300）

0 引言

數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。作為與數(shù)字邏輯課程配套的、計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)系列課程的第一門課程，其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字邏輯器件的基本認(rèn)知及其實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)觀察分析邏輯部件運(yùn)行的基本規(guī)律，加深對(duì)基本邏輯部件工作原理和實(shí)際工作狀態(tài)的理解，掌握常用電子儀器的使用方法和常用的邏輯電路的設(shè)計(jì)、連接和測(cè)試方法，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)字邏輯電路的興趣，建立設(shè)計(jì)電路的基本思想。

通常情況下，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)包括課前準(zhǔn)備、課堂講解、課堂實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和講評(píng)反饋等環(huán)節(jié)，一般使用數(shù)字邏輯試驗(yàn)箱進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)。然而，由于受COVID-19 新冠疫情的影響，學(xué)生不能及時(shí)返校，傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法正常開(kāi)展。為響應(yīng)教育部提出"“停課不停學(xué)”的號(hào)召，探索開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程的線上教學(xué)勢(shì)在必行，同時(shí)也為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段提供了契機(jī)。本文就利用Quartus II 仿真平臺(tái)開(kāi)展數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程的線上教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探討。

1 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于“傳遞-接受式”和“自學(xué)-輔導(dǎo)式”兩種經(jīng)典的教學(xué)模式，考慮到線上教學(xué)資源豐富、開(kāi)放靈活等優(yōu)勢(shì)和師生互動(dòng)不足、學(xué)生學(xué)習(xí)難以把握等不足，結(jié)合數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)和特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

（1）修訂課程教學(xué)目標(biāo)。鑒于線上教學(xué)過(guò)程中學(xué)生無(wú)法實(shí)際接觸、使用具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)量?jī)x器，將原課程目標(biāo)中“掌握常用電子儀器的使用方法和常用的邏輯電路的設(shè)計(jì)、連接和測(cè)試方法”修改為“初步掌握可編程邏輯軟件的使用方法，并能夠利用該軟件進(jìn)行常用的邏輯電路的設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試和數(shù)據(jù)分析”。

（2）對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理等理論基礎(chǔ)采用“自學(xué)-輔導(dǎo)”模式，提供豐富的視頻、資料，以學(xué)生自學(xué)為主，教師直播講授為輔。同時(shí)，通過(guò)課前學(xué)習(xí)時(shí)間統(tǒng)計(jì)、課前測(cè)試等了解學(xué)生的課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備情況。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程“傳遞-接受”模式，教師首先通過(guò)直播方式講解演示基本實(shí)驗(yàn)，然后學(xué)生跟隨教師同步完成該實(shí)驗(yàn)，接著學(xué)生獨(dú)立完成類似實(shí)驗(yàn)，最后學(xué)生獨(dú)立完成進(jìn)階實(shí)驗(yàn)。

（4）教學(xué)過(guò)程中充分利用直播課堂的截屏、語(yǔ)音、文字等手段查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，及時(shí)與學(xué)生交流。

（5）加大實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改力度，及時(shí)把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

2.1 線上實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

本文采用Quartus II 作為仿真平臺(tái)主要是因?yàn)槠渚邆湟韵绿攸c(diǎn)：①Q(mào)uartus II 是Altera 公司推出的可編程邏輯元器件的集成開(kāi)發(fā)軟件，具有綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、仿真等全過(guò)程覆蓋的優(yōu)勢(shì)[1]；②數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程線下實(shí)驗(yàn)室中的電子器件采用的是Cyclone II 系列芯片，Quartus II 支持此系列芯片，提高學(xué)生在線下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的接受程度；③Quartus II 支持多時(shí)鐘定時(shí)分析、基于塊的設(shè)計(jì)、可編程片上系統(tǒng)等工具[1]，有利于對(duì)仿真結(jié)果的分析；④具有強(qiáng)大的HDL 綜合能力，并支持眾多元器件的仿真；⑤支持Windows、Linux 等操作系統(tǒng)使用，本文采用32 位Windows 操作系統(tǒng)進(jìn)行仿真教學(xué)；⑥可擴(kuò)展性較好，在原生庫(kù)中沒(méi)有相應(yīng)仿真模塊時(shí)，可以通過(guò)引入第三方工具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)[1-5]；⑦采用該平臺(tái)進(jìn)行邏輯實(shí)驗(yàn)仿真還具有簡(jiǎn)單便捷的優(yōu)勢(shì)[1-5]，其基本仿真流程如圖1 所示。

圖1 Quartus II基本仿真流程圖

2.2 線上教學(xué)素材

在過(guò)教學(xué)程中所需要的教學(xué)資源包括Quartus II仿真平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)直播平臺(tái)、線上輔助教學(xué)工具（電子教鞭、畫(huà)圖工具、錄屏軟件）、適用于線上教學(xué)的素材包（課件、教學(xué)案例、教學(xué)視頻、練習(xí)題目等）、其他線上教學(xué)資源；為了防止突發(fā)性斷網(wǎng)斷電，對(duì)教學(xué)過(guò)程的影響，直播教師還應(yīng)準(zhǔn)備雙網(wǎng)路雙電源以互為備用應(yīng)急。

2.3 線上直播平臺(tái)與線上實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、批改

目前，針對(duì)線上教學(xué)平臺(tái)有很多種類可以選擇，如愛(ài)課堂、愛(ài)課程、釘釘、騰訊課堂、騰訊會(huì)議、QQ 群直播等等，各個(gè)教學(xué)平臺(tái)的特色與使用方法也不盡相同，任課教師可以根據(jù)自的需求進(jìn)行對(duì)比選擇。

本文采用釘釘教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行直播教學(xué)，其具備線上限時(shí)點(diǎn)名、線上收繳批改作業(yè)、直播后生成直播報(bào)告以及教學(xué)回放等特色功能，釘釘教學(xué)平臺(tái)還具備其他諸多功能這里不再一一介紹；這些特色功能可以很好地幫助任課老師完成線上出勤、作業(yè)收繳以及批改等工作；利用線上作業(yè)的功能教師可以很輕松的完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改工作，甚至可以評(píng)出優(yōu)秀作業(yè)分享給其他同學(xué)。但是該平臺(tái)也存在諸如無(wú)法在線播放教學(xué)視頻，以及延遲時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

3 教學(xué)案例

（1）《數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)》課程的基本教學(xué)過(guò)程包括：課程內(nèi)容綜述、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的、實(shí)驗(yàn)所用平臺(tái)及設(shè)備、基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及總結(jié)等七個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，其中基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及總結(jié)為教學(xué)主要內(nèi)容，通常涵蓋了該次試驗(yàn)的教學(xué)重點(diǎn)以及教學(xué)難點(diǎn)。數(shù)字羅輯實(shí)驗(yàn)基本教學(xué)流程圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)字羅輯實(shí)驗(yàn)基本教學(xué)流程圖

（2）為了更好的展示教學(xué)過(guò)程，本文以74153 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器芯片教學(xué)實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行教學(xué)演示，主要包括一下七個(gè)步驟：

①對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行綜述

②實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的：掌握Quartus II 仿真平臺(tái)的基本使用方法；熟悉74153 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器芯片的基本功能及工作原理。Quartus II 仿真平臺(tái)中的74153Multiplexer 芯片如圖3 74153Multiplexer 所示。

圖3 74153Multiplexer芯片仿真接線圖

③實(shí)驗(yàn)所用平臺(tái)、設(shè)備：接入Internet 的PC、Quar?tus II 仿真平臺(tái)。

④基本實(shí)驗(yàn)原理：數(shù)據(jù)選擇器又稱為輸入多路選擇器、多路開(kāi)關(guān)。它的功能是在選擇信號(hào)控制下，從若干個(gè)輸入數(shù)據(jù)中選擇某一個(gè)輸入數(shù)據(jù)作為輸出。并對(duì)圖3 中74153 Multiplexer 芯片各個(gè)引腳功能進(jìn)行講述：首先該芯片共有14 個(gè)有效引腳，其中輸入引腳12 個(gè)，位于芯片的左側(cè)；輸出引腳2 個(gè)，位于芯片的右側(cè)；觀察14 個(gè)芯片引腳不難發(fā)現(xiàn)該芯片可將輸入輸出分為1、2 兩組。然后，在 12 個(gè)輸入引腳中，A、B 兩個(gè)引腳為數(shù)據(jù)選擇引腳為兩組共用；1、2 兩組每組有6 個(gè)引腳，其中5 個(gè)輸入引腳，1 個(gè)輸出引腳；以1 組為例，1GN為一組的使能引腳，1C0～1C3 為信號(hào)輸入引腳，1Y 為輸出引腳；2 組引腳功能與1 組一致。最后，我們還能看出兩組的使能端（1GN、2GN）信號(hào)皆為低位有效。

⑤實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的元器件查找方式、各元器件之間的接線、引腳命名、設(shè)置各個(gè)輸入引腳脈沖信號(hào)、設(shè)置仿真模式、編譯方法以及其他線上實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)；為方便對(duì)比觀察我們將第2 組四選一數(shù)據(jù)選擇器設(shè)置為對(duì)照組。

⑥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：通過(guò)上一步驟的設(shè)置，對(duì)仿真文件進(jìn)行編譯并對(duì)其進(jìn)行仿真可得到圖4 仿真結(jié)果，此處要求學(xué)生記錄仿真接線圖以及仿真結(jié)果圖。

圖4 74153Multiplexer芯片仿真結(jié)果圖

表1 74153 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

⑦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析以及總結(jié)：通過(guò)對(duì)圖4 所得波形的分析可得到表1 74153 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，并對(duì)表1 進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論：A、B引腳為74153 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器共用的數(shù)據(jù)選擇引腳，其狀態(tài)可以決定芯片輸出引腳Y 選擇不同通道數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出；1GN、2GN 分別為1 組和2 組的使能引腳，統(tǒng)稱為GN，低位使能，高位不使能，對(duì)應(yīng)組的輸出時(shí)鐘為低；C0～C3 為數(shù)據(jù)輸入引腳；Y 為輸出引腳，其輸出狀態(tài)由 A、B、GN、C0～C3 共同決定。通過(guò)此次試驗(yàn)可以得出74153 芯片為的功能為從四個(gè)輸入通道的信號(hào)中選擇一個(gè)進(jìn)行輸出，由于一片74153 芯片具有兩組具有數(shù)據(jù)選擇功能的引腳，其芯片功能可以總結(jié)為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器。

4 教學(xué)效果及分析

由于Quartus II 仿真元器件庫(kù)芯片種類豐富，使用方便，所以采用Quartus II 仿真平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有操作簡(jiǎn)單、靈活性理論性更強(qiáng)、教學(xué)案例更豐富，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理解更直觀，可以反復(fù)觀看教學(xué)視頻的優(yōu)點(diǎn)。但也存在著動(dòng)手實(shí)踐性、課堂互動(dòng)性、可操作性弱；受網(wǎng)絡(luò)情況影響嚴(yán)重；由于學(xué)生電腦設(shè)備不統(tǒng)一，使用的操作系統(tǒng)也不盡相同，所以仿真平臺(tái)的兼容性問(wèn)題會(huì)為仿真結(jié)果帶來(lái)不同程度的影響。

通過(guò)對(duì)線上教學(xué)的學(xué)生作業(yè)、課堂互動(dòng)表現(xiàn)、提問(wèn)問(wèn)題質(zhì)量等方面與以往線下教學(xué)進(jìn)行對(duì)比，可以明顯感受到學(xué)生學(xué)習(xí)效果存在兩極分化嚴(yán)重，課堂互動(dòng)性弱的缺點(diǎn)；通過(guò)對(duì)隨堂問(wèn)題的回答頻率來(lái)看，約有82%的學(xué)生從不主動(dòng)回答問(wèn)題，被點(diǎn)到回答問(wèn)題的學(xué)生中又有約67%的學(xué)生不會(huì)回答或者不在線，始終與老師保持交流互動(dòng)的學(xué)生占比只有8%左右；可以看出在課堂互動(dòng)、提問(wèn)問(wèn)題等方面總是集中在少數(shù)學(xué)生范圍內(nèi)。線上作業(yè)提交及時(shí)性方面也存在這種現(xiàn)象，只有約18%的學(xué)生在課后能夠及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上交報(bào)告，約40%的學(xué)生會(huì)逾期1-2 天上交，約35%的學(xué)生會(huì)逾期3-4 天上交，還有7%的學(xué)生逾期更久或者根本不交。以上數(shù)據(jù)較以往線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是偏高的，可以看出實(shí)際上線下教學(xué)更利于授課教授對(duì)對(duì)課堂狀態(tài)的把控，更利于提高課堂互動(dòng)性。

采用Quartus II 仿真平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)教師線上教學(xué)資源的整合、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急、各種教學(xué)方法（敘述、描繪、解釋、推論）的綜合應(yīng)用能力有著較高的考驗(yàn)；線上教學(xué)通常使用屏幕分享的方式進(jìn)行并會(huì)形成回放，學(xué)生很容易截屏、錄屏獲取信息，所以教學(xué)過(guò)程中教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)更高，教師應(yīng)該多注意自身社交軟件的使用，以保證教師自身的隱私；任課教師應(yīng)準(zhǔn)備多條網(wǎng)路、電路以提高線上教學(xué)應(yīng)急能力。

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中線上教學(xué)優(yōu)勢(shì)突出，但線下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的教學(xué)使學(xué)生具有較多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，其操作性更強(qiáng)，課堂互動(dòng)效果更佳，教學(xué)受外界干擾能力更強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還具有平臺(tái)統(tǒng)一的優(yōu)勢(shì)，可以很好地避免或者解決線上教學(xué)遇到的各種問(wèn)題。所以本文建議數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程需采取線上理論仿真教學(xué)與線下實(shí)踐教學(xué)按照一定的課時(shí)分配比例執(zhí)行教學(xué)，會(huì)將線上線下各自的教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以獲得更高的教學(xué)質(zhì)量。