數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程群改革探索

　　摘 要： 隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的方法也向著電子設(shè)計自動化和FPGA/CPLD發(fā)展。重慶郵電大學成立數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程群教學團隊，構(gòu)建了系統(tǒng)的課程體系，采取多樣化的教學方法，提出“理論體系系統(tǒng)性、學科知識前沿性和工程實踐應用性”三個特性，同時將日常教學與科技活動結(jié)合起來，增強了課程教學效果。
　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程群 教學改革 教學成效
　　現(xiàn)今的時代是信息化的時代，信息化的特征就是對所有信息進行數(shù)字化的處理，并由此構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)。所謂數(shù)字系統(tǒng)，即對數(shù)字信息進行傳送、加工、處理的電子設(shè)備。一個數(shù)字系統(tǒng)既可能是一個小而簡單的，又可能是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，如：數(shù)字鐘是一個數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也是一個數(shù)字系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，采用傳統(tǒng)設(shè)計手段完成復雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計越來越力不從心。以FPGA/CPLD為代表的大規(guī)模集成可編程邏輯器件（PLD）和電子設(shè)計自動化（EDA Electronic Design Automation）設(shè)計方法，代表著現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展方向。
　　重慶郵電大學數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程群教學團隊從培養(yǎng)能在通信與信息領(lǐng)域從事科學研究、工程設(shè)計、設(shè)備制造等高級工程技術(shù)人才的目的出發(fā)，經(jīng)過多年的實踐和總結(jié)，提出了層次型的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程體系，完善了數(shù)字系統(tǒng)系列課程內(nèi)容，理順了課程之間的銜接，提出了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計系列課程的建設(shè)要體現(xiàn)三個特性：理論體系的系統(tǒng)性、學科知識的前沿性和工程實踐的應用性，并已將課程改革寫入專業(yè)的培養(yǎng)方案，在2011年9月獲得重慶市優(yōu)秀教學團隊的稱號。
　　1.構(gòu)建系統(tǒng)的課程體系。
　　教學團隊以現(xiàn)代設(shè)計手段和方法為主線，重塑了教學課程體系，構(gòu)建了以經(jīng)典數(shù)字電路課程教學為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代電子技術(shù)應用和設(shè)計課程教學為提升的理論和實踐教學課程相融合的體系結(jié)構(gòu)，在經(jīng)典數(shù)字電路教學中注重理論體系的邏輯性，在電子技術(shù)應用和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中強調(diào)學科知識的前沿性和工程實踐的應用性。具體層次見圖1。
　　圖1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程體系圖
　　1.1注重數(shù)字電路基礎(chǔ)教學，培養(yǎng)學生專業(yè)課程素養(yǎng)。
　　“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是關(guān)于數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)典電路的分析設(shè)計方法的課程，因此，課程的教學以構(gòu)筑學生的知識結(jié)構(gòu)為主線、訓練邏輯思維能力為主體。
　　針對不同專業(yè)培養(yǎng)要求，數(shù)電課程在理論和實驗教學上采取了不同教學方法和手段，如：通信與信息類專業(yè)側(cè)重系統(tǒng)級應用，實驗以綜合設(shè)計為主；計算機類側(cè)重外部邏輯關(guān)系和可編程PLD、淡化內(nèi)部電路原理，實驗以應用為主；自動化類側(cè)重控制觀念和電氣特性，重視A/D、D/A內(nèi)容，實驗以應用控制型為主。
　　針對我校通信學院和光電學院強化班學生的特點和教學要求，教學團隊開展了數(shù)電課程的雙語教學，旨在讓學生提前掌握專業(yè)詞匯，提高閱讀外文文獻和自學現(xiàn)代電子技術(shù)的能力。自2005年在光電學院強化班進行試點開始，至今已送出6屆1000多名學生。
　　1.2強化現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教學，培養(yǎng)學生工程實踐能力。
　　由“可編程邏輯器件與應用”、“單片機原理與應用”、“電子設(shè)計自動化”、“DSP原理與應用”、“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計”、“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計與仿真”6門課程構(gòu)成現(xiàn)代設(shè)計方法和理論層次。該層次以培養(yǎng)學生的工程實踐能力為目標，在課程內(nèi)容的具體設(shè)置中，教學團隊提出開放的思路、打破單一課程限制。如：在數(shù)字電路實驗教學時間內(nèi)，有步驟地推進FPGA初級應用訓練（原理圖的設(shè)計訓練）；在FPGA教學時間內(nèi)，有目的地聯(lián)系數(shù)字信號處理、通信原理等專業(yè)背景課程，強化FPGA在數(shù)字系統(tǒng)、通信領(lǐng)域等各方面的應用能力。
　　其中，“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計與仿真”為重點建設(shè)課程，課程涵蓋知識面廣泛，強調(diào)系統(tǒng)綜合性設(shè)計。特別根據(jù)電子競賽相關(guān)內(nèi)容模塊，添加了電源設(shè)計、信號源設(shè)計等內(nèi)容，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識進行實用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的能力。
　　2.采取多樣化的教學方法和手段，增強教學效果。
　　2.1形象、生動的理論教學方法。
　　通過長期的教學研討，團隊形成了案例教學法、比喻教學法、啟發(fā)教學法、思維訓練法等多種方法綜合使用的教學方法，極大地調(diào)動了學生的積極性和興趣。以“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程為例，談談各種教學方法。
　　2.1.1案例教學法。如數(shù)字電路課程教學中，學完組合邏輯與觸發(fā)器后，以三人搶答器為例，先從組合邏輯電路的設(shè)計入手，分析其功能，找出其缺陷，再添加觸發(fā)器，改進其功能，增強學生的學習興趣，引發(fā)學生設(shè)計電路和改進電路的意識和愿望；在講了組合邏輯電路的競爭冒險之后，以MULTISM為仿真軟件，演示組合邏輯電路競爭冒險的險象及消除方法，要求學生課后查找資料，提交仿真作業(yè)；在講完計數(shù)器后，以電子鐘設(shè)計為例，串講前面所講的譯碼器、計數(shù)器、數(shù)碼管，極大地調(diào)動了學生的興趣。
　　2.1.2比喻教學法。在講卡諾圖化簡時以“擒賊先擒王”來說明圈圈得越大越好；“不打落水狗”來說明保證每個圈中至少有一個小方格不被重復圈過。
　　2.1.3啟發(fā)教學法。觸發(fā)器的講解過程中，從RS觸發(fā)器入手，講其特點、優(yōu)點，引導學生發(fā)現(xiàn)其電路的缺點，從而提出改進電路鐘控RS觸發(fā)器，再進一步分析其電路優(yōu)點和缺點，進一步啟發(fā)學生提出改進電路，引出鐘控JK觸發(fā)器、鐘控D觸發(fā)器，進一步引出主從觸發(fā)器。隨著電路一步一步地改進，又會帶來新的問題，引發(fā)學生思考，提高學生的學習興趣。此時，再以人生哲理為例，引發(fā)學生從電子技術(shù)的改進過程中思考人生。
　　2.1.4思維訓練法。在講中規(guī)模計數(shù)器設(shè)計任意模值的計數(shù)器過程中，以畫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖為工具，引導學生從復位法、置位法及進位輸出置最小數(shù)、級聯(lián)等多種方法設(shè)計電路，實現(xiàn)學生設(shè)計電路的思維訓練，從而完成數(shù)字電路時序邏輯電路設(shè)計教學任務——任意模制的計數(shù)器均可實現(xiàn)。
　　2.2以自學為主的實驗教學方法。
　　為了加強學生系統(tǒng)設(shè)計能力以及工程實踐能力，團隊經(jīng)過多年的摸索，對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計系列課程實驗教學進行了大力度的改革。
　　2.2.1加大實驗課時，調(diào)整理論、實驗課時所占比例。如數(shù)字電路與邏輯設(shè)計（56學時理論+24學時實驗）、可編程邏輯器件與應用（16學時理論+16學時實驗）、嵌入式系統(tǒng)（16學時理論+16學時實驗）、DSP原理與應用（20學時理論+20學時實驗）、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計與仿真（30學時理論+26學時實驗）。
　　2.2.2從2006年開始我們通過中央與地方共建資金、學校撥款、企業(yè)捐助的方式，建立了基礎(chǔ)教學平臺和開放實驗教學基地兩級實驗教學平臺。實驗教學上采取傳統(tǒng)實驗與開放實驗相結(jié)合的形式。教師講授基礎(chǔ)入門知識，除必須完成的實驗項目外，學生可以根據(jù)自身學習情況自行安排實驗時間、實驗內(nèi)容。
　　以“可編程邏輯器件與應用”課程為例，必做實驗包括：QUARTUSⅡ簡介與應用、帶使能端的計數(shù)器的設(shè)計、數(shù)控分頻器的設(shè)計等，采用傳統(tǒng)實驗方式，由教師講授基本原理和設(shè)計思路，學生按部就班完成。該部分實驗要求學生主動性較少，主要目的在于設(shè)計流程、軟件開發(fā)、硬件平臺的掌握。選作實驗包括：基于LPM-ROM的四位乘法器設(shè)計、序列檢測器的設(shè)計、數(shù)碼管掃描顯示電路、硬件電子琴設(shè)計、數(shù)字頻率計的設(shè)計等。學生還可以自行擬定題目，與教師商量后進行。該部分實驗采用開放實驗教學，以學生自主學習為主，強調(diào)學生的實踐精神和動手設(shè)計能力。
　　3.日常教學與科技活動有機融合
　　教學團隊把相關(guān)課程與各類課外創(chuàng)新活動結(jié)合起來，多渠道促進學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
　　首先，我們從課程學習中選擇優(yōu)秀的學生進行進一步的培訓。建立系統(tǒng)化的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程教學體系和開放實驗教學，能夠提升多數(shù)學生創(chuàng)新能力和一定的電子設(shè)計和應用能力，具有參加各類科技活動最基本的素質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，選拔條件更加出眾的學生進行后續(xù)的集中培訓。
　　其次，根據(jù)各屆競賽的題目和要求修改課程教學內(nèi)容。例如：在“EDA”、“可編程邏輯器件與應用”等課程會根據(jù)的新技術(shù)的發(fā)展增加相應的技術(shù)講座?！半娮酉到y(tǒng)綜合設(shè)計與仿真”為新開設(shè)課程，重點在于系統(tǒng)性應用綜合知識，在基本模塊講完后，進行綜合性實際項目的設(shè)計，其中就包括精心選擇的各類電子競賽試題。各類科技活動對推動課程教學的各項改革起到了促進作用。
　　最后，我們與中國電子協(xié)會合作，進行全國電子設(shè)計工程師認證培訓。多渠道提升學習動力，營造科技氛圍。
　　4.建設(shè)高水平師資隊伍
　　我校通過引進、國內(nèi)外進修培訓，以及采用“以科研促教學”、“以科技競賽促師資隊伍”、“理論實踐教學雙肩挑”的模式，加快教師隊伍的成長，形成了一支以中青年為主，職稱、學歷和知識結(jié)構(gòu)合理的教師隊伍。教學團隊在特色專業(yè)建設(shè)，教學方法與手段改革，精品課程建設(shè)，教材建設(shè)（自編教材12本），自制實驗設(shè)備（自行研發(fā)設(shè)備6項），尤其是指導學生課外科技活動、組織和參加各種科技競賽等方面取得了很大的成績，具有較強的示范作用。
　　5.結(jié)語
　　數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計系列課程的教學改革獲得了較大的成功，課堂教學成效得到了顯著的提升，尤其在課外科技競賽方面取得了豐碩的成果。2005年以來，教學團隊教師指導參加全國大學生電子設(shè)計競賽，獲得全國一等獎2項、二等獎2項，重慶市一等獎6項、二等獎5項。2008年以來，參加重慶市盛群單片機電子設(shè)計大賽，獲得創(chuàng)意獎1項、一等獎3項、二等獎7項、三等獎5項。2010年，參加“高教社&XILINX杯”重慶市大學生電子設(shè)計競賽本科組7人獲得二等獎、2人獲得三等獎；參加“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽，獲得全國二等獎2項、三等獎1項，重慶賽區(qū)一等獎2項。人才的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)而艱巨的工程，我們?nèi)孕枰粩嗟靥剿?，尋求如何不斷提升學生的綜合設(shè)計能力與實踐能力。
　　參考文獻：
　　［1］姜威，姚富安，劉勇，南新志.實用電子系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：北京理工大學出版社，2008.1.
　?。?］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程（第三版）［M］.北京：科學出版社，2006.9.
　　［3］鄒虹，賀麗芳等.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計［M］.北京：人民郵電出版社，2008.3.
　?。?］張鵬，石鑫，應俊.HOLTEK HT46系列單片機C語言實例教程［M］.北京：北京郵電大學出版社，2010：61.
　?。?］黃俊.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)及應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2010.9.
　　資助項目：重慶郵電大學2010年校級教育教改項目（XJG1004、XJG1005），重慶郵電大學2011年校級教育教改項目（XJG1105、XJG1129