数字电路实验的目的是帮助学生掌握数字电子技术操作的基本技能，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，培养学生创新思维和创新意识^[1,2]。与理论教学相比，实验更加注重学生实践能力的培养。传统的实验教学受到实验场地、设备数量和管理因素的制约，学生难以在正常实验时间之外进行实验操作。随着互联网视频平台的发展，将互联网上开展的虚拟实验与实验室开展的真实实验相结合，实现虚拟和现实的优势互补。

1. 数字电路实验教学现状

目前数字电路每个实验仅为两个学时。从实验教学实践的内容和进度来看，这个时间设定是合适的。在两个学时内实验老师的角色是知识和实验技能的传授主体，为了按时完成全班的实验，实验教师必须帮助学生解决实验中遇到的无法立刻解决的问题，无法给学生留出足够的时间进行自我探索。单纯延长实验教学时间也不能解决上述问题。如何提升实验教学效果，如何在有限的实验教学时间内提高人才培养质量，是目前数电实验课程面临的难题。

2 数字电路混合实验教学模式研究和设计

随着以集成电路为代表的电子技术快速发展，设计手段也不断更新。为使学生掌握先进的电子设计工具，结合数字电路的发展现状，不断更新实验手段和实验内容是非常必要的^[3,4]。

整个实验采用“仿真学习---自主思考---实践”递进式教学，调动学生主动性，提高实验教学质量和效果。在实验的第一个环节（仿真学习）学生通过网络平台的仿真实验完成。通过将虚拟实验引入到数字电路教学体系中，学生利用电路仿真完成传统数电验证实验，这样学生可以突破在规定的时间、规定地点实验的限制，自由安排时间完成传统验证性实验。在网络视频教学资料的帮助下，获得数字电路基本的连线技巧，通过仿真完成传统的基于中小规模集成电路的系统设计。实验的第二、三环节（自主思考、实践）将宝贵的实验室实验时间、实验硬件资源用于探索性、创造性的实验内容。

2.1 仿真教学平台

传统数字电路设计实验能够对所学理论知识进行验证，加深对基本理论的理解，因此保留传统数字电路实验是必要的。随着互联网技术的普及，移动互联网已经能满足实时传输图片、音频、视频信息的需要，数字电路实验所需的基本技能完全可以通过虚拟仿真实验的操作来完成。目前数字电路仿真软件很多，例如EveryCircuit、Multisim，还有完全基于互联网的虚拟实验室，实验教师可以根据情况选择网络教学平台。

实验教师在实验室录制好教学视频，配以讲解，将仿真实验中的原理、步骤、重点、难点、注意事项等知识录制为多媒体视频。学生安装并熟悉仿真软件的操作，利用网络资源进行相关实验理论知识和操作方法的学习。学生根据实验电路，在仿真平台窗口中正确选择电子器件，选择合理参数，按照实验要求连接电路。通过仿真平台中虚拟电压表、虚拟电流表、虚拟示波器测量待测信号，观察电路中出现的各种故障和问题，争取自己排除出现的故障，取得仿真电路的运行结果。如果仿真实验中出现问题不能独立解决，可以通过腾讯视频会议的形式集中解决仿真实验中出现的问题。

传统的数字电路设计通常采用门电路、编码器、译码器、数据选择器、触发器等集成芯片来完成。整个设计流程包括根据要求设计真值表、逻辑表达式，根据逻辑表达式画出逻辑电路图，最后在仿真平台连接电路，并验证电路功能。

2.2 实验室教学平台

传统的实验教学过程中，学生根据教师的讲解或者实验指导书上的步骤，在逐步完成实验过程中，需要思考分析的地方很少，缺乏自主思考的驱动力。随着科学技术的进步，这种预先安排好流程的验证实验已经越来越不能满足调动学生的积极性和充分发挥学生主观能动性的时代要求。

此时实验的第一个环节（仿真实验），学生通过仿真平台的仿真实验已经完成。通过仿真操作环节使学生对本实验的逻辑流程逐渐清晰起来，实验的第二环节（自主思考）和实验的第三个环节（实践）应由学生主导，教师辅助学生来完成。

根据前面仿真得到的控制系统逻辑流程，学生利用Verilog HDL语言编写程序，遇到问题自主查阅相关资料，并根据实验结果整理数据，对实验结果进行分析。这个环节因为自主性强，学生的实现方案差异很大，采用以小组为单位的互动研讨方式，进行实验问题的讨论与解决。学生在实验前将程序编写好，进行功能仿真和逻辑综合，最后进行综合后仿真。在实验室利用FPGA硬件开发平台，进行布局布线和时序仿真，最后进行板级测试（观察真实硬件反应）。实验教师需要引导学生思考编程中出现的问题，引导学生自己分析问题，针对问题提出可行的解决方案，从而培养学生的发散性思维。

思维的培养需要时间。分析问题、查阅资料、编程实现解决方案是一个需要多次反复的过程，只有充足的时间保障学生才能设计出相对完善的数字电路。还以汽车尾灯控制系统的设计为例。需要将组合逻辑电路，时序逻辑电路等知识点有机融合在一起，训练学生顶层设计思维，让学生逐步熟悉数字系统的verilog-HDL设计方法。

3 结语

电子技术发展日新月异，社会对于人才的质量要求也越来越高。如何培养出符合产业要求的高质量人才是对我们提出的新挑战。将传统搭积木式数字电路实验与以FPGA软件编程来实现硬件的实验相融合，既能够使学生掌握数字电路的传统设计方法，又能够使学生了解新的技术方向和趋势，这种教学模式可以锻炼学生多角度观察问题、科学解决问题的能力，让学生感受到寻找答案过程所带来的快乐。

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