新工科理念下“數(shù)字電路”課程體系改革研究

摘 要：針對新工科建設(shè)的需求，文章分析了21世紀(jì)以來傳統(tǒng)“數(shù)字電路”課程相對于前沿技術(shù)的缺點，探討“數(shù)字電路”課程中引入硬件描述語言，并對傳統(tǒng)的“數(shù)字電路”課程體系進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合教學(xué)實踐，基于HDL構(gòu)建新的“數(shù)字電路”課程體系。

關(guān)鍵詞：“數(shù)字電路”;硬件描述語言;課程體系

為了配合國家發(fā)展戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)向，2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，改革現(xiàn)行的培養(yǎng)方案和課程設(shè)置，培養(yǎng)具有跨學(xué)科、跨產(chǎn)業(yè)、跨界整合能力的復(fù)合型“新工科”人才[1]。新工科理念強(qiáng)調(diào)以產(chǎn)品的全生命周期出發(fā)考慮問題，如何在新工科形式下結(jié)合實踐，深刻反思和改革課程教學(xué)，成為高校教育工作者需要重視的命題。

“數(shù)字電路”是一門理工本科教育階段的學(xué)科基礎(chǔ)課，在諸多工科領(lǐng)域具有重要的地位。南京郵電大學(xué)作為一所以信息技術(shù)為主的高校，眾多專業(yè)都開設(shè)了“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程，并設(shè)有專門的電子電路教學(xué)中心和實驗中心，近年來，針對數(shù)字電路的課程改革做了大量的探索和研究。

1 傳統(tǒng)“數(shù)字電路”課程的缺點

不同于其他工科基礎(chǔ)課，21世紀(jì)以來，隨著前沿技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字電路傳統(tǒng)的課程體系逐漸過時，給理論和實驗教學(xué)帶來了很大不便。結(jié)合眾多老師的觀點，總結(jié)得出傳統(tǒng)的“數(shù)字電路”課程有著如下缺點[2]：

（1）部分課程內(nèi)容嚴(yán)重過時，比如很多學(xué)校的教材中還在大篇幅介紹傳統(tǒng)的74系列芯片（或4000系列芯片），74138，74161等，除了介紹芯片功能，還介紹如何用這些芯片構(gòu)建電路。事實上，在30年前，工業(yè)界就已經(jīng)普遍使用CPLD/FPGA等可編程邏輯器件構(gòu)建電路，早就淘汰傳統(tǒng)的74系列芯片和相關(guān)設(shè)計方法，學(xué)生畢業(yè)后接觸生產(chǎn)實踐都很困惑，普遍反映學(xué)校學(xué)的內(nèi)容無用，需要重新學(xué)習(xí)。

（2）以講授法為主的理論課程容易和實踐脫節(jié)。和其他專業(yè)基礎(chǔ)課不同，“數(shù)字電路”創(chuàng)立之初，就是來自于實踐。很多數(shù)字電路的概念是需要動態(tài)展示的，但如果按照傳統(tǒng)的方法，在課堂上進(jìn)行理論推導(dǎo)或通過PPT畫電路圖，會導(dǎo)致課程枯燥。

（3）沒有真正重視EDA軟件的應(yīng)用，只是簡單介紹EDA軟件的使用方法，沒有從整個課程體系的角度去看待EDA軟件的橋梁角色。

近年來，國內(nèi)外眾多高校認(rèn)識到傳統(tǒng)數(shù)字電路課程的缺陷，對此展開了相關(guān)教改研究。

徐紅等[3]探討基于EDA技術(shù)的“數(shù)字電路”課程教學(xué);侯剛等[4]通過建立知識地圖將模擬電路和數(shù)字電路聯(lián)系起來，并通過Proteus引入虛擬仿真實驗;邱澤敏等[5]提出一種虛擬實驗平臺;陳彥等[6]圍繞無人飛行器的設(shè)計，探討跨學(xué)科的數(shù)字電路融合教學(xué)。絕大部分研究注重教學(xué)方法的改革，并沒有在課程內(nèi)容上進(jìn)一步探討，新時代和新知識要求對數(shù)字電路課程進(jìn)行深層次的改革，以適應(yīng)新工科建設(shè)需求。

2 新課程體系研究

大約從40年前開始，硬件描述語言（Hardware description Language，HDL）被發(fā)明，逐漸成了數(shù)字電路描述和設(shè)計的主流工具，HDL同可編程器件結(jié)合起來，在生產(chǎn)實踐中得到了極其廣泛的應(yīng)用。在大部分學(xué)校課程設(shè)置中，除了微電子等專業(yè)會在大三額外開課學(xué)習(xí)HDL語言外，其他專業(yè)在“數(shù)字電路”課程中是接觸不到HDL語言的。

為了配合新工科建設(shè)，體現(xiàn)以實踐為中心的教學(xué)理念，南京郵電大學(xué)相關(guān)教學(xué)中心對數(shù)字電路課程體系做了若干改革，形成了新的課程模式。新課程體系的特點是大幅縮減74系列器件的內(nèi)容，把verilog HDL語言的基本知識穿插到課程講述中，同時，結(jié)合EDA軟件，讓電路分析和設(shè)計變得更加直觀。具體而言，新的課程體系包含如下幾個階段（見圖1）。

圖1 新的課程體系包含的階段

（1）邏輯基礎(chǔ)階段。主要介紹基本的數(shù)制和碼制、二值邏輯的基本概念、基本邏輯運算、邏輯規(guī)則以及邏輯表達(dá)式，一般性介紹公式法化簡，簡略介紹卡諾圖。目的是為后續(xù)學(xué)習(xí)打下邏輯基礎(chǔ)。

（2）電路感性階段。旨在介紹如何在電路上實現(xiàn)邏輯，簡略介紹早期的TTL電路如何實現(xiàn)邏輯運算，之后介紹CMOS電路如何實現(xiàn)邏輯，重點介紹可編程器件時代如何實現(xiàn)基本邏輯?；ㄙM少量課時介紹如何用基本門電路設(shè)計小規(guī)模組合電路、競爭和冒險的概念。本階段的目的是讓學(xué)生掌握邏輯概念和真實的物理硬件之間的聯(lián)系，為學(xué)習(xí)后續(xù)單片機(jī)等方面課程打好基礎(chǔ)。

（3）HDL語言入門階段。verilog HDL語言包含眾多的概念和語句，可以在多個層次進(jìn)行電路描述，從最低端的晶體管到高層次的系統(tǒng)級，都提供了相應(yīng)的語法支持。在“數(shù)字電路”課程有限的課時內(nèi)，不可能介紹verilog HDL的所有概念。一方面，verilog HDL語言發(fā)明已經(jīng)有40年歷史了，語言中的很多概念本身已經(jīng)過時;另一方面，本課程學(xué)習(xí)HDL語言，是出于和工業(yè)界接軌，介紹現(xiàn)有的設(shè)計工具和設(shè)計理念。完全可以只掌握verilog HDL語言的一個子集，為“數(shù)字電路”后續(xù)課程的教學(xué)提供支持。

在實踐中，對于底層管級語法和關(guān)鍵詞以及若干高層次抽象概念只做簡略介紹。重點掌握模塊結(jié)構(gòu)，運算符和常見語句。需要掌握的關(guān)鍵字如下：

相比全部關(guān)鍵字，減少了70%以上，但這些關(guān)鍵字足以滿足后續(xù)學(xué)習(xí)的要求。

（4）概念融合階段。主要是熟悉數(shù)字電路設(shè)計常用到的主要功能子模塊（加法器、比較器、觸發(fā)器、計數(shù)器和序列信號發(fā)生器等），但不同于傳統(tǒng)課程中的“電路圖”形式，新課程中在功能描述后，要求學(xué)生主動采用verilog HDL語言來實現(xiàn)相應(yīng)的子模塊，并在EDA軟件中進(jìn)行編譯和仿真。通過EDA軟件和形象化的仿真波形，學(xué)生不再是被動的知識接受者，而是更主動的知識挖掘者。

（5）能力提升階段。主要引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入復(fù)雜電路設(shè)計和分析的大門，介紹復(fù)雜時序電路的分析方法，掌握電路圖—狀態(tài)圖的轉(zhuǎn)換，介紹采用HDL語言描述較復(fù)雜的時序電路設(shè)計方法，包括狀態(tài)圖分析和三段式狀態(tài)機(jī)、HDL語言中Testbench的編寫和仿真。

3 結(jié)語

本文介紹了一種新的“數(shù)字電路”課程體系，具有傳統(tǒng)課程所不具備的優(yōu)點：首先，緊扣工業(yè)界前沿進(jìn)展，真正做到讓學(xué)生學(xué)有所用，學(xué)能所用;其次，一切以實踐為出發(fā)點，引導(dǎo)學(xué)生通過EDA工具來培養(yǎng)知識的系統(tǒng)性;立足于把“數(shù)字電路”課程的教學(xué)方式從老師講述為主改變成以學(xué)生探索為主，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

基金項目：南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心項目資助;項目編號：JG10619JX14。

作者簡介：方承志（1976— ），男，江蘇南京人，副教授，博士;研究方向：信號處理，電路設(shè)計。

[參考文獻(xiàn)]

[1]戢守璽，王偉.“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下的跨學(xué)科課程體系建設(shè)構(gòu)想[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2017（6）：3-7.

[2]王龍軍.基于可編程器件的數(shù)字電路實驗教學(xué)改革初探[J].專業(yè)與課程建設(shè)，2018（9）：53-56.

[3]徐紅，賈立新，吳根忠.基于EDA技術(shù)的“數(shù)字電路”課程教學(xué)實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2019（1）：36-39.

[4]侯剛，遲宗正，王潔，等.“模擬與數(shù)字電路”課程教學(xué)方法改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016（4）：92-95.

[5]邱澤敏，陳錦煌.課程體系重構(gòu)的數(shù)字電路教學(xué)改革研究[J].計算機(jī)教育，2019（1）：116-120.

[6]陳彥，徐利梅.“新工科”背景下“數(shù)字電路”課程的跨學(xué)科教學(xué)模式改革探索[J].工業(yè)和信息化教育，2018（12）：34-38.

Research on the reform of the curricula system for “Digital Circuit”

Fang Chengzhi

（College of Electronic and Optical Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract：In view of the demand of new engineering construction， this paper analyzes the shortcomings of the traditional “Digital Circuit” course compared with the frontier technology since the 21st century， probes into the introduction of hardware description language into the course of “Digital Circuit”， and improves the traditional course system of “Digital Circuit”. Combined with teaching practice， this paper constructs a new course system of “Digital Circuit” based on HDL.

Key words：“Digital Circuit”; hardware description language; curricula system