“數字電子技術”課程改革的探索與實踐

晉春 張佳 李鋒

摘 ? ?要：數字電子技術已滲透到現代信息技術的各個領域，是電子信息類學科一門重要的專業基礎課。文章從“數電”課程教學現狀出發，圍繞“軟件先行，以軟帶硬”的改革思路，提出了“數電”課程改革的實踐策略。

關鍵詞：數字電子技術;課程改革;策略

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2016）01-0051-02

“數字電子技術”（簡稱“數電”）課程以數字電路的基本概念、原理、方法為基礎，注重數字邏輯電路的分析、設計和應用。隨著集成數字電路技術的飛速發展，涌現出EDA、FPGA、DSP、嵌入式系統、集成電路等一批核心技術，形成一個以“數電”為基礎和核心的課程群[1]?！皵惦姟闭n程的教學質量直接關系到該課程群的培養目標，影響到相關專業的人才培養質量。本文結合江蘇科技大學電子信息工程本科專業的2013人才培養修訂方案，對“數電”課程的建設思路、課程設置、教學內容和教學方法等方面，做了幾點改革，以求能更早地開展“數電”及其課程群的教學，更好地培養電子設計與應用人才。

一、“數電”課程教學現狀

數字電子技術飛速發展，已涉及我們日常生活的諸多領域，其應用形式也很靈活，從早期的TTL、COMS、555定時器，到現在的CPLD、FPGA，正體現著本課程知識更新速度快、實踐性強等特點[2-3]。國內外許多高校都根據自身情況進行了形式多樣的教學改革，引入信息化、理實一體化、項目驅動式、案例式、啟發式等教學方法和手段[4-5]，全面推動了本課程的建設和發展。

“數電”課程以邏輯代數為理論基礎，注重數字電路的分析、設計和應用，不需要考慮電壓、電流、功率等參數的計算，與“電路”、“模電”課程相關聯，但是具有很大的獨立性。特別是引入EDA技術之后，將電路設計與軟件程序設計結合起來，通過硬件描述語言（HDL）就可以自動化地實現數字電路分析、設計。學生具有簡單的C語言程序設計基礎，就可進行任務實踐，這大大降低了數字電子技術的學習門檻，更易激發學生的學習興趣和創新動機。

但是，目前許多國內院?！皵惦姟闭n程存在著開設時間晚、課程內容落后等問題。它普遍開設在第4/5學期，影響到“FPGA”、“單片機”、“嵌入式系統”等課程的學習時間，使學生的電子設計、應用能力和專業素養的培養起步太晚，沒有充分打開學生自主學習和就業準備空間，不利于學生就業。另外在教學內容上，普遍仍然以卡諾圖為核心對組合、時序邏輯電路進行手工地分析、設計，實驗中仍以74系列等小規模器件為主要的應用工具。這種教學方式與時代發展相脫節，偏離了數字電子技術的工程實際，制約學生掌握最新知識和先進方法，不利于培養學生的應用和創新能力，進而影響了課程教學質量和專業培養質量。

為了解決這些問題，利用修訂2013人才培養方案的機會，我們大膽地實行本次專業培養方案的改革，對“數電”及相關課程設置做了大幅度調整，對課程的教學內容進行了優化，以期將“數電”課程群的教學改革推向深入。

二、“數電”課程改革的思路

結合多年的教學經驗，我們對新形勢下“數電”課程進行了重新定位和認真的思考，重新構建課程教學體系，確立課程改革的基本思路和措施，以深化本課程的教學改革。

1.“軟件先行，以軟帶硬”，這是本課程改革的基本思路?！败浖刃小?，就是利用QuartusⅡ軟件和HDL語言，引導學生進行數字電路的分析設計、仿真驗證，從而以程序設計形式帶動對數字電路的硬件結構、功能和應用的初步掌握，達到“以軟帶硬”的目標，打破傳統的以電路結構為主的教學模式。

2.打破傳統，“數電”置前開設，提前開展學生自主學習。將“數電”課程開設在大學第二學期，置前于“電路”、“模電”，打破傳統的課程群設置順序，使學生更早地接觸數字電子技術和工程訓練，提前打開學生自主學習和就業準備的空間。

3.優化教學內容，采用多種手段提高學生的學習興趣，啟發和調動學生去積極探索、工程實踐，為更多更好地培養電子設計與應用類人才而服務。

三、“數電”課程改革的實踐策略

（一）優化課程設置

1. 調整開課時間?！皵惦姟敝们爸链髮W第二學期，“電路”、“模電”隨后，其他諸如 “工程認知實踐”、“FPGA”、“微機原理與接口”、“單片機”、“嵌入式系統”和“DSP”等應用和實踐性較強的課程，緊隨其后安排在第3—5學期。這就使學生具備提前接觸電子設計知識及工程訓練活動的能力，在大學第二個暑假就可以參加全國大學生電子設計競賽等科技活動。這種實踐性能力的獲得，比基于傳統教學模式下至少提前2—3個學期，學生能提前為未來的學習和實習打開充裕的自主學習空間，為就業打下堅實的基礎。

2.優化教學內容，將EDA/FPGA技術引入課程教

學。由于“數電”開設時間大幅度提前，需降低對“電路”和“模電”等課程知識的依賴。因此，首先精簡邏輯門電路章節內容，去除復雜的CMOS、TTL門電路結構分析，只作邏輯門電路的功能、特點的簡略講解;淘汰555定時器相關內容，并將D/A與A/D轉換器內容調整至“微機原理與接口”課程中;大量引入EDA技術和 Verilog VHDL語言，將Verilog VHDL 語言及其應用貫穿于組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路等章節，使Verilog VHDL語言的程序設計方法與數字電路的理論與應用密切銜接，實現“軟件先行，以軟帶硬”的教學目標。

課程理論授課學時壓縮至48學時，并開設24學時的實驗課程。實驗課程中，去除基于74系列器件的低層次設計內容，將FPGA 技術全面引入到數字電路實驗教學中?？偣舶才?3個實驗項目，其中7個是基于FGPA的復雜數字系統的設計，對學生綜合學習能力要求較高，能有效加強學生實踐能力，培養創新能力。教材選取工程創新型電子信息類精品教材《實用數字電子技術基礎》（潘松等編著），理論與EDA實踐結合緊密，滿足本課程改革的內容要求。

（二）改革教學方式和方法

1.實行模塊化與理實一體化教學。將課程內容分成邏輯代數基礎、組合邏輯電路和時序邏輯電路三個模塊。第一部分突出邏輯代數基礎知識的講授，采用案例教學法，布置難易合適的習題，加強對基礎知識的理解。而后兩部分注重理實一體化，部分內容放在EDA實驗室講解，師生雙方邊教、邊學、邊做，全程構建素質和技能培養框架，提高教學質量;配置充分準備的實例，部分實例如組合電路中的編/譯碼器、選擇器，以及時序電路中的計數器等內容，運用EDA 技術進行仿真、驗證，并通過教師進行示范性操作等手段，使學生獲得具體、清晰、生動、形象的感性知識，加深對書本知識的學習，增強學生的學習興趣。學生邊學、邊練、邊積極總結，達到事半功倍的教學效果。

2.將任務驅動式教學與“口袋實驗室”相結合。在理論和實驗課堂教學之外，還安排三個實踐項目：智能搶答器、數字鐘、電子密碼鎖，要求學生自行組織3—5人的小團隊，根據任務要求完成項目的分析、方案的制訂、EDA仿真，并在開發板上完成硬件調試，最終進行作品展示、成績評價和經驗交流。這里，我們提倡“口袋實驗室”運行方式，讓學生從實驗室定期租借開發板或自購，進而解決實驗時空局限性的問題，他們在宿舍就可以完成課程中的實例、實驗訓練以及自己的創意設計，充分打開自主學習空間，并激發個人學習興趣。

3.推行第二課堂教學法。由于本課程教學知識點較多，而課堂教學課時較少，因此要拓展第一課堂，將部分教學知識點，如Verilog語法學習、建模設計方法、Quartus II軟件使用等，利用課外時間，讓學生自主學習，另外實驗考核和課程考試包含這部分知識點，從而實現有效的督促作用。

4.改革考核方法，突出實踐能力考核。為突出實踐能力培養的嚴格要求，將理論與實驗課程獨立考核，并將以上三個任務驅動式項目的考核成績納入理論課程總成績中。理論課程總成績由項目成績（占總成績的30%）、平時作業成績（占10%）、期末考試（只占60%）三部分組成。其中，項目成績是上述三個實踐項目成績的加權和，體現每個項目準備、完成、評價等情況。

通過本課程改革實踐，倡導“軟件先行，以軟帶硬”的教學理念，注重EDA/FPGA技術的掌握和運用，以加強學生對數字電子技術的融會貫通。本次改革方案已經在個別班級進行了初步實踐，取得了較好的教學效果。學生大多數能夠獨立完成課程要求，課程考核通過率達98%以上，實踐考核100%通過。對本課程以及數字電子系統設計的興趣明顯提高，2014年加入學院電子協會的達80人以上，部分學生還積極參與了2014年全國大學生電子設計競賽，實踐和創新能力得到了很好的鍛煉。本課程2014年總體評價優秀，很受學生歡迎，充分達到了課程能力培養的目標和各項要求。

參考文獻：

[1]潘明，潘松.數字電子技術基礎[M].北京：科學出版社，2008.

[2]康華光.電子技術基礎（數字部分）[M].北京：高等教育

出版社，2013.

[3]Thomas L.Floyd.Digital Fundamentals[M].China：

Pearson Education Asia LTD.and Science Press

LTD，2011.

[4]彭新光.數字電子技術教學方法研討[J].高等工程教

育，1997，（6）.

[5]楊春玲，朱敏，張巖.數字電子技術基礎研究性教學方法

的探索與實踐[J].中國大學教學，2014，（2）.