計算機專業(yè)《數(shù)字電路技術》課程教學改革探討

官駿鳴,汪 虹

(黃山學院 信息工程學院,安徽 黃山 245021)

計算機專業(yè)《數(shù)字電路技術》課程教學改革探討

官駿鳴,汪 虹

(黃山學院 信息工程學院,安徽 黃山 245021)

在分析了當前 《數(shù)字電路技術》課程教學現(xiàn)狀的基礎上，提出了在課程內容中引入EDA（Electronic Design Automation）設計技術以適應當前教學發(fā)展需要，并從教學內容、教學方法和手段等方面對課程的教學改革提出建議。

數(shù)字電路技術；EDA；教學改革

《數(shù)字電路技術》是計算機專業(yè)深入學習專業(yè)課程的橋梁學科之一，同時也是一門重要的專業(yè)基礎課程。其先導課程為《電路與模擬電子技術》，后續(xù)課程有 《計算機組成原理》、《微機接口與技術》、《單片機原理與實踐》等。本課程的任務就是傳授數(shù)字設計中應具備的基本理論、基本分析與設計方法，培養(yǎng)學生分析與設計數(shù)字系統(tǒng)能力，為將來從事研究開發(fā)工作打下必要的基礎。

1 《數(shù)字電路技術》課程教學的現(xiàn)狀及問題

隨著數(shù)字電路技術飛速發(fā)展，與之對應課程的教學內容、體系以及教學方法也應隨之改革，同時需體現(xiàn)應用型本科人才培養(yǎng)的特征，以滿足大眾化的教育需求。然而，當前我們《數(shù)字電路技術》課程的內容設置、實踐環(huán)節(jié)依然采用學科型體系，過于注重理論深度與結構系統(tǒng)，這種傳統(tǒng)教學模式下的教學存在以下問題。

1.教材內容滯后。數(shù)字電路技術起始于開關邏輯，半導體技術推動了電子技術理論體系的快速成長，逐漸形成了以邏輯代數(shù)和離散數(shù)學為兩條主線的數(shù)字電路體系。而后出現(xiàn)的中小規(guī)模集成電路對電路研究的基本理論并未產生沖擊，它強調以標準元器件為核心的分析與設計方法。但是，近年來隨著可編程器件的發(fā)展與電路的集成程度不斷提高，以及EDA工具軟件與FPGA、CPLD的高度融合，這些都改變了數(shù)字電路的研究方向。傳統(tǒng)的自底向上的數(shù)字電路設計方法，已無法滿足現(xiàn)在高度集成的數(shù)字系統(tǒng)設計。

2.教學方式重教輕學。現(xiàn)有教材所包含的課程內容多為精英教育設計，教學內容理論深度要求較高，故而教師多采用“填鴨式”組織教學，導致學生疲于接受知識，缺乏從數(shù)字系統(tǒng)層次觀察電路的能力，從而使得綜合知識的應用和實踐能力沒有得到很好的訓練。

3.實踐教學內容陳舊。傳統(tǒng)的教學實踐多以驗證集成芯片功能為主，數(shù)字邏輯器件每隔5年淘汰40%，不斷涌現(xiàn)的新技術提升了實踐教學難度。而現(xiàn)在的實踐教學依然承襲著如何利用中小規(guī)模集成元器件采用自底向上的設計方法設計數(shù)字系統(tǒng)，依次經歷著書面設計、硬件搭建、樣機制作三個階段。[1]一旦系統(tǒng)復雜程度提高，存在著芯片品種較多、搭試難度高等問題，而且設計結果只有在實驗連線之后才能知曉，導致實踐成功率很難保證。EDA技術改變了數(shù)字電路設計方法，它借助硬件描述語言描述電路行為，能夠在計算機上實現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)的設計，并進行調試與分析，利用軟件仿真來驗證系統(tǒng)的正確性，這樣就有效地提高了設計速度與電路可靠性，降低了設計成本。

2 《數(shù)字電路技術》的教學改革方案

2.1 結合學科發(fā)展優(yōu)化教學內容

2.1.1 合理安排課程內容

如前所述，當前《數(shù)字電路技術》課程教學主要圍繞標準邏輯器件展開，而實際上電子設計自動化已經在工業(yè)界廣泛實施，所以，對應教學內容應該與時俱進，在確保課程內容連續(xù)性和系統(tǒng)性的前提下，實施教學內容優(yōu)化，適當增減授課內容。對計算機專業(yè)學生而言，以“必須”和“夠用”為度。[2]所謂“必須”意味著該部分內容對于學生硬件知識的獲取必不可少。如基本的開關理論知識以及卡諾圖的應用等，這些內容要在課堂上做詳細的講解。而“夠用”原則，即針對計算機專業(yè)學生而言，應側重元器件的功能和應用，適當控制元器件內部物理構造和工作原理的分量和深度。如在集成邏輯門章節(jié)，應盡量減少描述推導過程，以節(jié)省相應課時，適當刪減中規(guī)模元器件結構和功能內容，只需教會學生讀懂器件規(guī)范。

2.1.2 引入EDA技術，拓展課程內容

EDA技術憑借其強大的功能，使得人們可以方便地借助可編程器件進行數(shù)字系統(tǒng)設計。因此，在調整《數(shù)字電路技術》授課內容時，應引入EDA設計方法，講述硬件設計語言和FPGA的應用，使學生掌握學會使用數(shù)字設計的自動化方法。[3]在內容設置上，合理結合組合邏輯、時序邏輯以及硬件設計語言 VHDL （VeryHighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language），將 VHDL 語言及其應用分散貫穿與整個授課內容中，實現(xiàn)它們的合理穿插，這樣就大大提高了學習內容的先進性，使學生能夠熟悉FPGA設計系統(tǒng)的方法，從而能夠適應社會需求。

2.2 正確處理該課程與先導課程的關系

計算機專業(yè)學生往往對《數(shù)字電路技術》等電路課程興趣不大，這與它的前導課程《電路分析》、《模擬電子技術》的內容難度較大有一定關系，很多學生的電路知識薄弱，導致學習力不從心，這大大影響了該課程的教學效果，因此，教師在授課過程中應當正確處理好該課程與先導課程的關系。一般認為《數(shù)字電路技術》的儲備知識應包括二極管、三極管內部結構工作原理以及電路反饋等，然而實際上數(shù)字電路技術更為關注功能級器件的內容，應重點研究元器件的功能真值表和時序圖等，對芯片內部電氣特性可以忽略。所以說該課程中這些前導知識的應用很少，可以在課程學習鼓勵學生，使他們明白前導課程的學習結果并不能制約本課程的學習，從而提高他們學習《數(shù)字電路技術》的積極性。

2.3 課堂理論教學與實踐有機結合

該課程最大的特點為應用性和工程實踐性較強，是從事電子設計的指導性學科，在課堂理論教學過程中應積極引入實例以提高學生的認知和實踐能力。在授課過程中，教師不應將內容局限于課本上，可以利用開發(fā)板向學生展示工程實例，給學生灌輸工程設計思想，使學生理解“學以致用”的真正內涵，從而提高學生學習熱情，比如可以在開發(fā)板上設計電子秒表，通過鍵盤實現(xiàn)輸入，LED顯示來展現(xiàn)數(shù)字設計的魅力。這樣學生對PS/2協(xié)議，鍵盤掃描碼、數(shù)碼管的知識有了直觀上的感受，從而實現(xiàn)教學目的。[4]

2.4 課堂教學引入仿真工具軟件

《數(shù)字電路技術》課程的特點是電路圖復雜龐大，信息豐富，因此教師在課堂上應借助EDA軟件，利用其仿真功能描述那些不易用語言和文字表達的電路狀態(tài)變化過程，通過對電路進行模擬演示說明電路功能以及對應的時序波形。這樣就能使教學內容形象化、動態(tài)化，有利于學生提高課堂注意力，既讓學生對所學內容有深刻了解，也有助于他們對EDA技術的掌握，拓寬了學生知識面，提高學習效率。

2.5 改革實踐教學內容

改變利用中小規(guī)模元器件手工連線的傳統(tǒng)實驗模式，采用VHDL與FPGA聯(lián)合進行數(shù)字系統(tǒng)設計。[5]在實驗內容的改革上，應將大部分驗證性實驗轉化為設計實驗，突出課程的工程性和實踐性。要求學生學會利用EDA軟件設計、仿真、下載，這有助于學生掌握電路設計的先進方法。同時改革實驗考核方式，注重技能考核，實驗考試內容要求完成一個難度中等的設計實驗，合理分配平時成績與考試成績的比例，切實培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，更好地與社會需求接軌。

3結 語

現(xiàn)代電子技術飛速發(fā)展，要求《數(shù)字電路技術》課程教學過程中不僅注重理論知識的傳授，還要了解技術發(fā)展前沿知識和趨勢，使學生掌握利用計算機實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設計。因此，教學內容、教學方法以及手段的改革勢在必行，只有這樣，才能更好地為社會培養(yǎng)出高素質的人才。

[1]王艷春.數(shù)字電路課程設計教學改革的實踐[J].中國電力教育,2010,(1)：168-169.

[2]鄒云海,高勝東.《脈沖與數(shù)字電路》課程教學改革研究[J].實驗科學與技術,2006,5(1):71-74.

[3]徐魯雄.數(shù)字電路課程建設的新觀點[J].計算機教育,2007,(8):35-37.

[4]林明權.VHDL數(shù)字控制系統(tǒng)設計范例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003：84-114.

[5]張薇,黃耀庭，等.數(shù)字電路實驗中ISP技術應用的教學模式[J].電氣電子教學學報,2009,31(6):71-72.

The Exploration of Course Reform in Digital Circuit Technology for Computer Majors

Guan Junming，Wang Hong
(School of Information and Engineering,Huangshan University,Huangshan 245021,China)

Based on a comprehensive analysis of the insufficiency existing in the teaching of digital circuit technology at present,the paper suggests that EDA design technique should be introduced into the course in order to meet the need of the teaching development.The corresponding reform measures are proposed from the aspects of teaching contents,teaching methods,etc.

digital circuit technology;electronic design automation;teaching reform

G642.0；TN710

A

1672-447X（2011）03-0108-003

2010-10-23

黃山學院自然科學研究項目（2009SYQ02）；黃山學院公共教學團隊項目（2009JXTD18）

官駿鳴（1979-），安徽休寧人，黃山學院信息工程學院講師，研究方向為無線網絡，計算機教育;汪虹（1951-），江西婺源人，黃山學院信息工程學院副教授，研究方向為軟件工程、計算機教育。

胡德明