技術(shù)推動(dòng)下的數(shù)字電子技術(shù)課程的改革

技術(shù)推動(dòng)下的數(shù)字電子技術(shù)課程的改革

楊 柳 陳 龍 牛小燕 杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院

杭州電子科技大學(xué)2015年高等教育研究資助項(xiàng)目（課題名稱(chēng)：基于數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐課程的學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與研究，課題編號(hào)：YB201523）。

本文概要性地介紹了現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢(shì)，從技術(shù)的進(jìn)步縱觀大學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐課程應(yīng)隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步，在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和模式上進(jìn)行大刀闊斧的改革，不斷朝著大規(guī)模、軟硬件相結(jié)合的方向發(fā)展，極大地提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

數(shù)字電子技術(shù)；電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化；科技創(chuàng)新能力

引言

在現(xiàn)代應(yīng)用非常廣泛的電子信息系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，擁有重大社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的自主創(chuàng)新項(xiàng)目多數(shù)產(chǎn)生于數(shù)字電子技術(shù)方面——即處處離不開(kāi)處理離散信息的數(shù)字電路。如所有的數(shù)字計(jì)算機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品、先進(jìn)的通信系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)及洗衣機(jī)、電視機(jī)等，無(wú)一不在設(shè)計(jì)過(guò)程中用到數(shù)字電子技術(shù)。而電子信息、通信系統(tǒng)等學(xué)科自然將數(shù)字電子技術(shù)作為其領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程之一，其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程更是提高學(xué)生動(dòng)手能力和發(fā)掘創(chuàng)新思維的重要手段。很多高校對(duì)其課程或所用教材[1]進(jìn)行了或大或小的改革，但其能否跟隨時(shí)代的發(fā)展，能否滿(mǎn)足學(xué)生步入社會(huì)或參與實(shí)踐的需求，不是簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)就可以實(shí)現(xiàn)的，它需要學(xué)校、教師和學(xué)生共同努力，才能真正體現(xiàn)其開(kāi)設(shè)和存在的價(jià)值。

1.數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

從1947年半導(dǎo)體三極管的發(fā)明及真空管的誕生開(kāi)始，數(shù)字電子技術(shù)一路經(jīng)歷了電子管、半導(dǎo)體分立器件、集成電路；上世紀(jì)六十年代的集成電路以雙極型（即TTL）工藝為主，從小規(guī)模邏輯器件發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件；七十年代以后，隨著硅材料的出現(xiàn)，數(shù)字集成器件開(kāi)始使用化合物半導(dǎo)體材料即COMS器件。隨著CMOS技術(shù)的成熟，TTL的主導(dǎo)地位已基本被替代。而近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA[2]的出現(xiàn)給數(shù)字技術(shù)帶來(lái)了質(zhì)的飛躍，這種器件將軟件和硬件相結(jié)合，運(yùn)用起來(lái)不僅靈活方便、速度快，而且功能更加完善，這為電子技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了新局面。

數(shù)字電子技術(shù)在不斷朝著高速、高集成度、多核等方向飛速發(fā)展[3]?，F(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)這條高速公路的建設(shè)越來(lái)越密集，數(shù)字電子技術(shù)在其中的作用越來(lái)越關(guān)鍵，越來(lái)越廣泛。使信號(hào)數(shù)字化、處理信號(hào)，完成信號(hào)的傳輸[4]等功能逐步將數(shù)字電子技術(shù)滲透到網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中。再如，現(xiàn)在單片機(jī)或PC機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它具有可靠性高、成本低、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)。幾乎各行各業(yè)都在應(yīng)用PC機(jī)作為前端的客戶(hù)機(jī)，如常見(jiàn)的快遞公司投放在居民小區(qū)、樓宇大廈的自助快件投遞機(jī)或銀行營(yíng)業(yè)廳里越來(lái)越多的自助設(shè)備，它們能夠很好地處理聯(lián)網(wǎng)通信、人機(jī)對(duì)話(huà)等問(wèn)題。良好的人機(jī)界面幾乎普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)，速度更快、精度更高地來(lái)處理我們的遠(yuǎn)程通訊及診斷等。數(shù)字電子技術(shù)在隨著人工智能的不斷發(fā)展給我們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)極大的便利，相信數(shù)字電子技術(shù)會(huì)走在信息技術(shù)的前沿。

2.技術(shù)進(jìn)步，課程依舊

近些年，數(shù)字電子技術(shù)以驚人的速度在發(fā)展，各個(gè)高校的課程設(shè)置也隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)生著翻天覆地的變化，許多幾十年前未曾見(jiàn)過(guò)的新興學(xué)科出現(xiàn)在我們的課堂上。如微電子技術(shù)、集成電路原理、現(xiàn)代DSP技術(shù)、EDA技術(shù)、數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、數(shù)字通信原理、無(wú)線(xiàn)通信原理、人工智能、SOPC等。這當(dāng)中的眾多學(xué)科都已經(jīng)成為當(dāng)今科技發(fā)展的核心，電子技術(shù)將沿著其軌跡迅猛發(fā)展，這也同時(shí)指引著高校的培養(yǎng)方向和就業(yè)取向。我們看到的這些領(lǐng)域、學(xué)科中，我們所熟知的將74系列器件依靠手工設(shè)計(jì)技術(shù)焊接在萬(wàn)用板上的技術(shù)早已被軟硬相結(jié)合的EDA技術(shù)所取代，這是板上系統(tǒng)到片上系統(tǒng)的跨；再如任何數(shù)字電子技術(shù)教材都會(huì)提到的“高電平”5V也已走進(jìn)了零點(diǎn)幾伏的芯核電壓；現(xiàn)在以nm為標(biāo)志性尺寸的SOC系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地將過(guò)去的小規(guī)模邏輯器件甩在身后；而曾經(jīng)CPU主頻也已經(jīng)由幾MHz提到幾GHz。所有這些技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，都離不開(kāi)它們公共的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課——數(shù)字邏輯電路，這一課程的重要性和地位也被提高到前所未有的高度，這就對(duì)這一課程尤其是其實(shí)踐內(nèi)容提出了極大改革需求。

可惜的是，我國(guó)很多高校的所采用的教材以及授課的基本內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、方式基本還是幾十年前的模式，仍然以手工設(shè)計(jì)技術(shù)為核心內(nèi)容和考核方式。重心仍然是對(duì)低速中小規(guī)模器件的組合和時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)；知識(shí)點(diǎn)連貫性相對(duì)較差計(jì)，章節(jié)之間內(nèi)容零散、孤立；實(shí)驗(yàn)更是與實(shí)際應(yīng)用相去甚遠(yuǎn)，內(nèi)容上仍以驗(yàn)證性為主[5]，對(duì)現(xiàn)已非常成熟的應(yīng)用型器件如A/D、FPGA等僅停留在概念上。這樣的實(shí)驗(yàn)及課程安排極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，同時(shí)也不利于提高學(xué)生對(duì)數(shù)字電路的學(xué)習(xí)興趣，遏制了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造力。

3.大刀闊斧，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展

顯然，數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)是呵護(hù)和激發(fā)創(chuàng)新精神的源頭。這個(gè)領(lǐng)域不需要習(xí)題集，也永遠(yuǎn)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，它提倡個(gè)性、鼓勵(lì)想象、適應(yīng)變革、力行實(shí)踐！

數(shù)字邏輯電路課程作為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干必修課，它既是許多涉及高新技術(shù)的重要后續(xù)課程的基礎(chǔ)課，同時(shí)又理應(yīng)成為培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)踐、勇于探索、積極創(chuàng)新等優(yōu)良素質(zhì)的學(xué)科。就如前面我們所講，現(xiàn)在大量的相關(guān)課程如雨后春筍般涌現(xiàn)（如SOC、嵌入式系統(tǒng)、DSP等），數(shù)字電子技術(shù)課程是這些擴(kuò)展課程的敲門(mén)磚，該課程已成為許多后續(xù)課程必不可少的基礎(chǔ)課。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)進(jìn)程是將該課程安排在第5或第6學(xué)期，而接下來(lái)的第7、8學(xué)期學(xué)生基本進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計(jì)或?qū)嵙?xí)階段，這樣的教學(xué)安排導(dǎo)致余下的時(shí)間（基本不足1年）難以滿(mǎn)足大量基于此技術(shù)的后續(xù)課程，它們也需要有效的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`來(lái)掌握和消化，時(shí)間就顯得更加緊迫了，而這些層次更深的課程又是就業(yè)或深造時(shí)被用人單位或深造機(jī)構(gòu)看中的。正如有的畢業(yè)生所說(shuō)：我覺(jué)得什么都學(xué)了，但還是什么都不會(huì)。為適應(yīng)數(shù)字電子技術(shù)快速發(fā)展的需要，對(duì)數(shù)字電路的教學(xué)提出了更高的要求。

對(duì)于目前在數(shù)字電路教學(xué)方面存在的問(wèn)題，提出以下改革方案：

(1)在傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容。所謂自動(dòng)化設(shè)計(jì)，即EDA 技術(shù)(英文全稱(chēng)為“Electronic Design Automation”)，它以計(jì)算機(jī)作為工作平臺(tái)，依托EDA的相關(guān)軟件為開(kāi)開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用PLD可編程邏輯器件來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具體的電路系統(tǒng)[6]。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外許多高校通過(guò)增加EDA教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生的科技創(chuàng)新能力得到了極大的提高，他們?cè)谶M(jìn)入大學(xué)的一二年后就可以熟練使用EDA軟硬件工具自主設(shè)計(jì)出各種極具創(chuàng)新特色的數(shù)字系統(tǒng)，如數(shù)字電子琴、VGA圖形或文字顯示、數(shù)字音樂(lè)播放器、貪吃蛇游戲、數(shù)字立體聲驅(qū)動(dòng)、出租車(chē)計(jì)價(jià)器、PS/2鍵盤(pán)及鼠標(biāo)控制、波形產(chǎn)生、嵌入式系統(tǒng)、彩色LCD驅(qū)動(dòng)、邏輯分析儀等。

(2)縮短理論授課課時(shí)并增加實(shí)驗(yàn)課課時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上避免學(xué)生照貓畫(huà)虎，生搬硬套，增加學(xué)生自主設(shè)計(jì)的內(nèi)容，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)梯度，注重實(shí)際應(yīng)用。按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作方式，實(shí)驗(yàn)越復(fù)雜需要的連線(xiàn)就越多，無(wú)論是插接的方式還是焊接的方式都容易出錯(cuò)，而且大量的連線(xiàn)對(duì)信號(hào)也有一定的衰減，也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。故而要以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)中最常用器件ADC、DAC、存儲(chǔ)器等的FPGA控制內(nèi)容[7]，同時(shí)增加自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、思考和創(chuàng)新的興趣。走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和最后使用FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證任何現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計(jì)都是必須的。但是，現(xiàn)代數(shù)字電子電路設(shè)計(jì)需花費(fèi)很大精力在軟件設(shè)計(jì)上，因此，現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)的很多內(nèi)容完全可以先借助于各種軟件進(jìn)行。比如，熟悉軟件、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真等，包括熟悉硬件平臺(tái)、學(xué)習(xí)HDL、進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容都可以在實(shí)驗(yàn)室之外進(jìn)行。這不僅解決了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限的問(wèn)題，也擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)空間。

(3)盡量提早數(shù)字邏輯電路的授課時(shí)間，通過(guò)課程內(nèi)容的調(diào)整，可以將其安排在入校的第一或第二學(xué)期，這樣安排是有重要意義的。就如前面提到的，諸多相關(guān)的后續(xù)課程在這門(mén)基礎(chǔ)課結(jié)束后就可以馬上開(kāi)課，從而優(yōu)化了專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置，學(xué)有余力的學(xué)生基本在第二學(xué)期結(jié)束就可以在相關(guān)指導(dǎo)老師的幫助下進(jìn)入相關(guān)實(shí)驗(yàn)室或?qū)W生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開(kāi)始自主性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，或能盡早參加各種課外科技活動(dòng)，為校內(nèi)外大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽如“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等的培訓(xùn)做準(zhǔn)備[8]，通過(guò)不斷的培訓(xùn)和參賽提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。即讓學(xué)生提前進(jìn)入理論與工程實(shí)際相結(jié)合的訓(xùn)練階段；提前激發(fā)創(chuàng)造欲望；提前具備能力迅速過(guò)渡驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而進(jìn)入自主設(shè)計(jì)性空間；提前為未來(lái)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐打開(kāi)充裕的時(shí)間空間、自主學(xué)習(xí)空間和就業(yè)準(zhǔn)備空間。

4.結(jié)束語(yǔ)

時(shí)代在進(jìn)步，技術(shù)在發(fā)展，作為為社會(huì)輸送人才的高等學(xué)校，不能讓我們的思維停滯，遵循所謂“以不變應(yīng)萬(wàn)變”的道理來(lái)懶惰自己、搪塞學(xué)生。知識(shí)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)督促知識(shí)更新。讓數(shù)字電子技術(shù)更快、更迅猛地發(fā)展，使我們的生活更智能、更便捷。

[1]潘松，陳龍，黃繼業(yè).數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].科學(xué)出版社，2014，08.

[2]楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32(3):714-727.

[3]朱旭花.從企業(yè)需求探析電子技術(shù)課程改革[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，16(S1):10-12.

[4]林玉臣.針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用[J].科技致富向?qū)В?014(21):167-167.

[5]王軍紅，劉明忠，謝麗娟.試論數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)途徑和內(nèi)容變革[J].中國(guó)電子商務(wù)，2014(22):135-135.

[6]譚偉.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2014，14：51-51.

[7]孟祥揚(yáng).基于FPGA的數(shù)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)層次設(shè)計(jì)[J].信息系統(tǒng)工程，2014(4):156-157.

[8]晉春，李峰張，尤賽，張佳.基于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用和創(chuàng)新能力的“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科技視界，2015(17):38-39.