新工科建設下地方普通高校數(shù)字電子技術課程的實驗教學改革探究

張克聲，饒文貴，程星晶

（1.貴州理工學院 電氣與信息工程學院，貴州 貴陽 550003；2.中南民族大學 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074）

新工科建設是一項涉及面廣、影響面寬、具有中國特色的復雜系統(tǒng)工程，其內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享為主要途徑，設置和建設服務國家戰(zhàn)略、滿足產業(yè)需求、面向未來發(fā)展的工程學科與專業(yè)，進而培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質的各類交叉復合型卓越工程科技人才［1-3］.當前工程教育從單純追求學術表現(xiàn)回歸到實踐的應用，要從工程中發(fā)現(xiàn)科學問題，并能運用科學原理解決工程難題，強化實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力［2］.新工科的“新”可以體現(xiàn)在人才培養(yǎng)全過程中的主要環(huán)節(jié)的改革、變化和發(fā)展，亦可體現(xiàn)在針對傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的工科專業(yè)通過信息化、智能化或其他學科的滲透而轉型、改造和升級“更新”而成［3］.對于地方普通高校而言，新工科實踐的重點應該在應用型工程技術人才培養(yǎng)上［1］.數(shù)字電子技術（以下簡稱數(shù)電）課程是電氣專業(yè)與電子信息專業(yè)基礎必修課程以及部分非電類專業(yè)在電子技術方面的入門基礎課程，對于培養(yǎng)能夠運用數(shù)字電子技術的基礎概念、理論和分析、設計方法來解決較復雜數(shù)字系統(tǒng)相關問題的新型工程人才方面起著重要的作用［4］.數(shù)字電路的集成度每1-2年便翻一番，同時數(shù)字電子新產品的開發(fā)速度日益加快，對電子設計自動化（EDA）提出了更高的要求.這使得此課程具有技術更新快、實踐性強和EDA軟件依賴性高的發(fā)展趨勢［5-6］.

地方普通高校受限于教師隊伍、實驗室軟硬件和經費等條件，數(shù)電課程的理論教學、特別是實踐教學和實驗教學平臺改革普遍進展緩慢，往往以手工數(shù)字電子設計技術作為核心，講授組合/時序電路的分析與設計，并作為書面考核的主要內容，不注重實際技術，偏重于原理驗證.新工科建設需要將學科前沿知識和相關學科交叉知識、原理和方法融入到專業(yè)課程，以開拓學生的視野，培養(yǎng)學生的未來能力，需要將源自真實工程世界的實踐項目建設成為學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、動態(tài)適應能力、終身學習能力培養(yǎng)的平臺［2，7，8］.所以，數(shù)電課程如果僅保持傳統(tǒng)數(shù)字電子技術的實驗內容，就會導致只強調“書面實踐”性，偏離真正的教學目標和要求.再者，傳統(tǒng)數(shù)字電路實驗平臺，其設計理念已經過時，難以滿足綜合和創(chuàng)新設計的要求，已不能適應新工科建設下對新型人才培養(yǎng)的需要.可見，對于數(shù)電這門實踐性要求高的課程教學改革必先行于實驗教學平臺的改革.

為促進新工科建設在地方普通高校的落地，首先，基于FPGA（可編程的邏輯列陣）完成了數(shù)電課程傳統(tǒng)實驗教學平臺的升級改造，以滿足新工科建設中對人才培養(yǎng)的靈活多樣的創(chuàng)新實踐需求.其次，對實驗教學學時和內容進行了相應的調整，引導學生完成更為貼近現(xiàn)代數(shù)字技術發(fā)展趨勢的工程項目設計.反饋和實踐結果表明：基于新實驗平臺的項目化教學方式可提高學生的學習積極性，提升其對專業(yè)知識的理解程度和工程綜合應用能力.

1 地方普通高校的實驗教學情況

在部分地方普通高校，數(shù)電課程的基本教學內容和實驗模式幾乎停留在30年前，仍以那個年代的手工數(shù)字電子設計技術為核心作為教學與考核內容.學生往往只是“學以致考”，實驗內容脫離實際工程項目所需，通常只涉及以下幾部分內容，即：中小規(guī)模TTL集成邏輯門的邏輯功能與參數(shù)測試，組合邏輯電路的設計與測試，譯碼器、觸發(fā)器、時基電路以及計數(shù)器的功能測試和初級應用.

然而，一方面，在過去的30 年中，隨著DSP（數(shù)字信號處理）技術、SOC（片上系統(tǒng)）設計、EDA技術、嵌入式系統(tǒng)、微電子技術和硬件描述語言等大量新技術的紛紛涌現(xiàn)，以及集成電路的速度和集成度的快速提高，數(shù)字電路的設計實踐經歷了非常大的轉變，例如：當今一塊芯片可以包含幾千萬個晶體管且可利用硬件描述語言編程的方式構建片上系統(tǒng)，然而過去要實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，需要用幾百個包含了上百萬的單個門電路和觸發(fā)器的分立芯片來構造；當前成功的產品開發(fā)更多地受限于設計團隊正確、完整地定義產品詳細功能的能力，而不是受限于團隊將需要的所有電路集成到一個電路板或芯片上的能力.另一方面，作為核心教學內容與考核內容的傳統(tǒng)數(shù)字電路手工設計的許多觀念、方法和思路，它們對于現(xiàn)代數(shù)字技術而言，卻是不恰當、低效，甚至是錯誤的.這不僅浪費了大量的教學資源，還會導致學習者花費更多額外的時間去糾正這些失當?shù)睦砟?，并以過低的起點去面對以此為基礎的許多后續(xù)課程和將來就業(yè)崗位的技術要求.例如［8］：傳統(tǒng)的邏輯電路分析技術往往只分析邏輯功能而不分析時序特性，這本質上是一種低速系統(tǒng)的設計理念，而現(xiàn)代數(shù)字電子技術是把設計對象看成是一個高速網絡來分析，特別注重時序特性；過于強調化簡，事實上現(xiàn)代數(shù)字設計技術中已無化簡這個概念，而正確的概念是優(yōu)化；學生在傳統(tǒng)數(shù)字電路的實驗環(huán)節(jié)完成的僅是一些數(shù)十個邏輯門規(guī)模的簡單電路設計，而許多國外大學本科一年級學生就能完成數(shù)十萬門邏輯規(guī)模的自主設計項目；對于現(xiàn)代數(shù)字電路設計中的重要內容，諸如：A/D（模-數(shù)）和D/A（數(shù)-模）的邏輯電路控制、存儲器和PLD（可編程邏輯器件），僅停留在結構原理的介紹而非工程應用，使得它們與主干內容呈游離狀態(tài).

目前，國內清華大學、東南大學、華中科技大學、電子科技大學和桂林電子科技大學等一些工科重點大學和其他一些在電子專業(yè)方面具有特色的高校中已進行了數(shù)電課程的理論教學和實踐教學平臺的改革，并取得了很好的效果.但是，由于教師隊伍素質和經費問題等各種主客觀原因，在普通地方高校中數(shù)電課程教學，特別是實踐和實驗教學改革都進展緩慢.如果數(shù)電課程的實踐教學設置不能與新經濟形勢下的“新工科”知識相融合、陳舊的內容不能及時調整，便會造成所培養(yǎng)的學生知識結構老化、適應能力不強，將得不到市場的接受和認可，更不能滿足具有新時代競爭力的“新工科”人才的要求［9］.所以，在新工科建設大背景下，對于部分普通地方高校而言，數(shù)電課程的實驗教學改革刻不容緩.

2 實驗教學平臺的升級改造

2.1 傳統(tǒng)實驗平臺

傳統(tǒng)的數(shù)電課程實驗平臺（如圖1 所示）基本上由DIP（雙列直插封裝）芯片插座和接線孔構成，搭接電路復雜，不易排查故障.在做實驗的過程中，容易造成學生專注于意義不大的繁瑣接線中，而非電路本身的原理和設計.同時，這些中小規(guī)模的邏輯門芯片的數(shù)字電路設計目前已經被淘汰，已在電子市場上很難買到.這種過時的數(shù)字電子技術實驗平臺不僅不能滿足現(xiàn)代數(shù)字電子技術的設計和發(fā)展需求，而且更難以達到當前新工科建設背景下對數(shù)字電路綜合實驗和創(chuàng)新教學活動的要求.

2.2 新型實驗平臺

目前市面上新的數(shù)字電路實驗平臺不僅價格高，而且外設不多，功能不全，往往僅能夠滿足傳統(tǒng)數(shù)字電路的實驗教學，難以滿足綜合性、創(chuàng)新性項目設計的要求.因此，以現(xiàn)代數(shù)字電子技術理念為指導，基于FPGA 對實驗平臺的設計進行了升級改造（設計框圖如圖2 所示，實物照片如圖3所示）.新的實驗平臺在能夠進行少量傳統(tǒng)數(shù)字電路實驗的同時，還能夠進行綜合數(shù)字邏輯電路和片上系統(tǒng)設計，并能通過擴展豐富的外部接口完成高速數(shù)字電路設計，從而滿足新型人才培養(yǎng)所需的靈活多樣的創(chuàng)新實踐需求.

由于傳統(tǒng)的數(shù)字電路設計方法是現(xiàn)代數(shù)字電路的基礎，為使學生加深對數(shù)字電路設計理念轉變的理解，同時也使該實驗平臺能夠對傳統(tǒng)數(shù)電實驗教學起到一定的過渡和緩沖作用，所設計的實踐教學平臺保留了少量傳統(tǒng)的中小規(guī)模數(shù)字電路設計實驗.新設計的數(shù)字電子技術實驗平臺具備如下電路和模塊：

（1）傳統(tǒng)數(shù)字電路實驗模塊：a）7段數(shù)碼管3 個（其中2 個具有獨立的譯碼電路）；b）DIP芯片插座14、16腳各2個；c）提供1 Hz時鐘和單次手動時鐘；d）12 路撥碼開關輸入，并用發(fā)光二極管指示輸入高低電平；e）8路數(shù)據(jù)輸出并用接發(fā)光二極管指示輸出高低電平.

圖1 傳統(tǒng)數(shù)電課程實驗平臺

圖2 新型數(shù)電課程實驗平臺設計框圖

圖3 新型數(shù)電課程實驗平臺

（2）FPGA 的數(shù)字電路設計模塊：a）Altera Cyclone 系列FPGA 芯片EP1C6Q144T；b）FPGA 配置芯片、電源電路、24 MHz 時鐘；c）外部擴展按鍵12個、7段數(shù)碼管3個；d）外部擴展IO管腳16個，并有發(fā)光二極管指示；e）外部擴展IO管腳80個，用排針引出（方便進行創(chuàng)新活動項目擴展），方便為ADC、DAC等外圍電路提供接口.

在新平臺的設計過程中，避免了從FPGA核心板直接引線作為輸入輸出，從而保證核心板能夠單獨使用，方便進行創(chuàng)新實驗和擴展實驗；核心板與底板通過2 mm的排插相連，在底板上通過大的插孔與FPGA相連，方便學生接線；提供1 Hz時鐘和24 MHz的兩種單次時鐘，方便學生調試電路，觀察狀態(tài)，從而滿足不同需求；供電采用小功率5 V的便攜電源，整個實驗平臺的所有電路都采用3.3 V供電，從而減小電路板的體積和質量.相對于傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗平臺，新設計的實驗平臺具有以下優(yōu)點：1）只需接少量用于輸入和輸出指示導線，數(shù)字邏輯電路設計在核心板的FPGA中完成；2）能夠完成傳統(tǒng)74系列的數(shù)電實驗，方便接插的接線孔，并用不同顏色區(qū)分插孔，方便學生接線，不易出錯；3）FPGA的管腳通過底板引出，并在底板絲印層做了管腳標記，方便管腳配置，而且接口采用標準的大號接線孔，既方便接線，又不會因為反復實驗損壞FPGA核心板；4）提供豐富的時鐘，包括單次時鐘，1 Hz 時鐘，24 MHz 時鐘，方便時序邏輯電路設計和測試；5）FPGA 核心板提供豐富的管腳，便于進行開放性擴展實驗，核心板也可單獨使用.6）采用本實驗平臺和QuartusII軟件，學生可以高效地完成數(shù)字邏輯電路工程項目的軟硬件設計.

3 實驗教學內容調整和項目化教學

3.1 實驗教學內容調整

為了配合新型實驗平臺的使用，需要在傳統(tǒng)教學內容以外，對學生進行10學時的硬件描述語言和EDA軟件的理論教學：可編程邏輯器件的歷史、發(fā)展和基本知識為2學時，Verilog HDL硬件描述語言語法為8學時.Verilog HDL教學內容包括：1）模塊，端口和基本描述方式，基本語法規(guī)則，算數(shù)和邏輯運算符，運算順序，關鍵字.2）用Verilog HDL描述組合邏輯電路：門級描述（簡單）、信號流描述（簡單）和行為描述（重點）；if，case語句的用法；編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器，現(xiàn)實譯碼器的行為描述.3）用Verilog HDL描述時序邏輯電路：賦值語句：阻塞和非阻塞賦值語句的應用，狀態(tài)機設計，計數(shù)器設計.另外需在新設計的實驗平臺上完成6個實驗，共需18個學時，這6個實驗分別是：1）邏輯門測試與SSI 設計（傳統(tǒng)74 系列）；2）中規(guī)模組合邏輯電路設計（傳統(tǒng)74 系列：數(shù)據(jù)選擇器和3-8 譯碼器應用電路設計、產品等級指示電路、開鎖報警電路）；3）Quartus Ⅱ軟件的使用：畫原理圖的方式（結合SSI 設計和3-8 譯碼器應用設計）、硬件描述語言方式（結合SSI 設計和MSI 設計）、原理圖文件設計，編譯，管腳分配，下載；4）數(shù)據(jù)選擇器、顯示譯碼器的硬件描述語言設計（Verilog HDL）；5）移位寄存器和計數(shù)器設計（傳統(tǒng)74 系列+Verilog HDL）；6）555 定時器應用（Verilog HDL）.圖4 和圖5分別是在新實驗平臺上進行計數(shù)器的硬件描述語言和Quartus Ⅱ軟件原理圖設計的實驗例程.

圖4 十進制計數(shù)器硬件描述語言設計

圖5 100進制計數(shù)器混合設計原理圖

3.2 項目化實驗教學

在新型實驗平臺上進行實驗教學的基礎上，將利用其逐漸開展項目化的實驗教學.項目教學法是指將傳統(tǒng)的學科體系中的知識內容轉化為若干個貼近實際工程的教學項目，教學活動圍繞項目組織和展開的一種教學方法.具體而言，就是以完成項目的形式，指導學生進行理論相關內容的學習，然后引導學生進行項目的開發(fā)，由學生進行理論知識的匯總、方案的設計、項目制作及最終評價［4，10］.

下面以一個成功開展的搶答器項目為例，來說明項目化教學的實施情況.表1是三人搶答器項目設計的示例說明.搶答器在各類競賽性質的場合得到了廣泛的應用，它消除了由于人眼的誤差而未能正確判斷最先搶答的人的情況.搶答器的原理如下：首先主持人設置一個搶答允許標志位，目的就是為了允許或者禁止搶答者按按鈕；如果搶答允許位有效，那么第一個搶答者按下的按鈕就將其清除，同時記錄按鈕的序號，也就是對應的按按鈕的人，這樣做的目的是為了禁止后面再有人按下按鈕的情況.搶答器的實現(xiàn)的核心就是在搶答允許位有效后，第一個按下按鈕的人將其清除以禁止再有按鈕按下，同時記錄清楚搶答允許位的按鈕的序號并顯示出來.若采用傳統(tǒng)門電路方法，則需要較多的觸發(fā)器和繁瑣的電路連接.但是其邏輯十分清晰，對初學者來說特別容易理解，若采用FPGA 方式實現(xiàn)，則只需要理清楚搶答過程的邏輯關系即可方便采用case語句，if-else if語句，再加上適當?shù)臉擞浳患纯赏瓿删哂袑嶋H應用的搶答器產品.

表1 三人搶答器項目設計示例

教學目標下達后，老師給學生講解搶答器的背景和設計關鍵知識點，然后學生自行查找資料，給出設計方案和程序設計.老師審核后，學生便可到實驗室預約登記，最后到實驗室完成仿真和下載驗證.這種教學法可以提高學生對教學過程的參與度，讓學生有興趣去分析問題，綜合和系統(tǒng)性地應用所學的知識去解決問題，從而提高學生解決實際問題的能力，真正體現(xiàn)了“以學生為主體”的教學理念［10，11］.特別是，項目教學過程中由于使用了EDA工具，學生可以直接看到項目的電路設計、連接和調試的過程與結果，不僅加強了學生對傳統(tǒng)教學中知識點的理解，還可以使其加深對現(xiàn)代數(shù)字電子技術的設計理念的理解.EDA工具還具有不受到實驗設備、經費、場地的限制的優(yōu)點，學生可利用其進行自由探索學習，使得創(chuàng)造能力得到充分發(fā)展［11，12］.當然，由于采用基于FPGA的新實驗平臺進行數(shù)字電子技術實驗，除了上述搶答器設計外，還可以根據(jù)學生掌握的實際情況進行一些其它綜合性更強的項目內容，如：數(shù)字鐘，PWM波形發(fā)生器，脈沖信號參數(shù)測量等.

數(shù)字電路是一門實踐性很強的課程，實驗教學的改革是課程改革的重要部分，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、提高學生動手能力和解決實際問題的能力至關重要.項目化的實驗教學方法，可應用在數(shù)字電子技術課程的課帶實驗、獨立實驗、課程設計以及課外科技活動的開發(fā)性實驗之中.從授課后學生反饋的意見來看，大部分學生認為項目教學可以提高他們的學習主動性和積極性、提升他們對專業(yè)知識的理解和應用能力，并且希望在實驗教學中能加入更多的項目.近年來，中南民族大學電子信息工程學院學生在全國電子設計大賽、智能車競賽中，獲得了國家級獎勵20多項和省級獎勵60多項，畢業(yè)生專業(yè)能力和綜合素質也得到用人單位的肯定.這說明基于新型實驗平臺的項目實踐對于提升學生綜合電子設計能力起到了很好的作用.

4 結束語

通過將DIP芯片插座和接線孔所構成的傳統(tǒng)數(shù)電課程的實驗平臺升級改造為基于FPGA的新型實驗平臺，并調整相應的實驗教學學時和內容，逐漸將數(shù)電課程的教學方式從“學科導向”轉為“項目導向”，把學生的學習目的由“學以致考”變?yōu)椤皩W以致用”.學生可通過改造后的新型實驗平臺完成更為貼近現(xiàn)實工程世界的項目設計，能夠將學到的知識融會貫通，并提升自身專業(yè)知識和工程技術的完備性和系統(tǒng)性，從而具備更好的適應未來工作環(huán)境和技術發(fā)展變化的能力.相對傳統(tǒng)基于中小規(guī)模的數(shù)字電路實驗，基于新型實驗平臺的實驗教學使學生掌握了基于FPGA 的現(xiàn)代數(shù)字電子設計方法，并能夠進行一些綜合性的設計.但受學時的限制，課內實驗中的綜合設計還是偏少；且由于實驗平臺資源有限，課內實驗主要還是訓練學生基本數(shù)字邏輯電路設計能力及其FPGA實現(xiàn)，仍然難以開展大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)設計.為加強學生的數(shù)字電子技術綜合設計能力，提高學生的創(chuàng)新應用能力，我們將持續(xù)進行教學改革，爭取更多的教改項目支持，并進一步加強課程項目實踐，設計包含AD/DA變換、多位數(shù)碼管、光電傳感器、溫度等傳感器等常用硬件資源的便攜式FPGA開發(fā)板，并購置下載調試器.課內實驗結束后，可將便攜式開發(fā)板直接提供給學有余力的同學，以便其開展更完整和實用的數(shù)字系統(tǒng)設計，比如：數(shù)字電壓表，數(shù)字頻率計，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)等.

基于新型實驗平臺的項目化教學方式與新工科建設的主要目標，即培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質的交叉復合型卓越工程科技人才相符合，從而可促進新工科建設在普通高校數(shù)電課程的具體化落地.新工科的“新”可以是對傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的學科進行轉型、改造和升級，包括對內涵的拓展、培養(yǎng)目標和標準的轉變或提高、培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新［1］.所以，此次數(shù)電課程的實驗教學改革探索，對于地方普通高校如何在類似課程的實驗教學中推進新工科建設的落地，具有一定的借鑒意義.