邊學邊干的數(shù)字系統(tǒng)課程教學

陳 微，譚春嬌，唐玉華，吳明飛，王志英

（1.國防科技大學 計算機學院，湖南 長沙 410073；2.國防科技大學 教務處，湖南 長沙 410073）

0 引 言

數(shù)字系統(tǒng)作為電子計算機系統(tǒng)的基礎，是計算機硬件課程系列的專業(yè)核心課程。當前，培養(yǎng)計算機系統(tǒng)能力成為各院校計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的重要目標，培養(yǎng)具有系統(tǒng)觀、能夠進行軟、硬件協(xié)同設計的軟硬件貫通人才成為后PC 時代計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的關鍵[1-2]。因此，數(shù)字系統(tǒng)課程的重要性日益突出。

傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)課程往往局限于基本理論知識的掌握和少量課程大作業(yè)的實踐，缺乏科學系統(tǒng)的課程實驗體系和有效的實驗過程管理。學生難以將理論知識與實踐相結合，數(shù)字系統(tǒng)的實際動手開發(fā)能力沒有得到有效的鍛煉。作為實踐性很強的專業(yè)課程，在邊學邊干中展開教學，數(shù)字系統(tǒng)課程才能真正達到培養(yǎng)學生數(shù)字系統(tǒng)設計能力的教學目的。

1 課程的地位與特點

數(shù)字系統(tǒng)課程與其他課程間的關系如圖1 所示。課程在電路與模擬電子技術、數(shù)字電子與數(shù)字邏輯、程序設計以及計算機原理的基礎上，對數(shù)字系統(tǒng)設計的相關知識進行系統(tǒng)講解，為學習后續(xù)課程，如嵌入式系統(tǒng)、計算機體系結構、VLSI 設計等打下必要的基礎。

圖1 數(shù)字系統(tǒng)在計算機專業(yè)課程體系中的地位

課程的教學目標是要從基礎知識的角度講解數(shù)字系統(tǒng)設計的相關概念、基本原理，從方法學的角度闡述數(shù)字系統(tǒng)工程設計中的有關概念，使學生了解數(shù)字系統(tǒng)設計過程、主要指導原則及關鍵技術，并輔以相關實例，從而建立全局、整體的數(shù)字系統(tǒng)設計觀念。另一方面，課程重在培養(yǎng)學生的實踐能力，即實際設計和開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的能力，因此該課程涉及的知識面廣、內容多、實踐要求高。

貫徹“邊學邊干”的教學理念，基于課程的教學目標和重點，科學系統(tǒng)地設置理論教學和實踐教學內容，采用有效新穎的教學手段和教學管理模式，培養(yǎng)學生的數(shù)字系統(tǒng)設計和開發(fā)的能力，是該課程教學中探索的主要方面。

2 課程教學設計

數(shù)字系統(tǒng)課程教學內容一般包括理論教學和實踐教學兩部分。教學內容設計上需要達到的教學目標：①掌握基礎理論，理解數(shù)字系統(tǒng)設計的基本方法與流程；②邊學邊干，培養(yǎng)實踐動手能力，能夠自主設計一定規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)；③滿足不同學生知識與實踐層次的學習需求。

2.1 理論教學設計

課程內容應由淺入深、由底向上，覆蓋數(shù)字系統(tǒng)設計的多個層面如表1 所示。

表1 理論教學內容

理論教學首先概述數(shù)字系統(tǒng)設計的基本概念、主流技術等，使學生建立起對現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計主要技術和手段的基本認識。硬件描述語言主要介紹Verilog 硬件描述語言的基本概念、語法和規(guī)則，以及如何使用EDA 工具進行現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計。組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設計是數(shù)字系統(tǒng)設計的核心，學生在此基礎上進而掌握一般數(shù)字系統(tǒng)的設計方法和步驟?？删幊踢壿嬈骷糠种饕榻B可編程邏輯器件的分類、原理和應用等。數(shù)字系統(tǒng)的建模與結構主要討論數(shù)字系統(tǒng)模型概念、模型與結構的關系、典型數(shù)字系統(tǒng)計算模型及其在系統(tǒng)設計應用中常用的衍生方式等。在掌握數(shù)字系統(tǒng)設計方法和一般步驟的基礎上，學生可以進階了解數(shù)字系統(tǒng)設計中典型的故障檢測方法和可測性設計。通過理論課程的學習，學生可以系統(tǒng)地了解數(shù)字系統(tǒng)的相關概念、設計方法和流程。

2.2 實踐教學設計

實踐教學對于數(shù)字系統(tǒng)課程而言極其重要，在理論教學之外，課程每周安排2 學時實驗講解課以及2 學時實驗輔導課，實踐教學內容由與課程授課進度配套的課堂實驗和最后的綜合實驗兩部分組成。

2.2.1 課堂實驗

目前，本課程共設計12 個課堂實驗，分為示范性實驗、觀察性實驗以及設計性實驗3 個層次，與理論教學相配合，讓學生邊學邊干，實現(xiàn)理論和實踐的結合。每章所配套的課堂實驗數(shù)量見表1。表2 給出了這些課堂實驗與各知識點的對應關系。

表2 課堂實驗安排

實驗1 為示范性實驗，使學生熟悉實驗平臺，初步掌握EDA 工具的使用方法與步驟。實驗2 至實驗6 為觀察性實驗，配合第二章“硬件描述語言”展開。實驗7 至實驗11 為設計性實驗，要求學生根據(jù)理論課程中所學的方法，設計滿足實驗要求的組合邏輯或時序邏輯電路，用硬件描述語言描述，通過仿真驗證，在實驗平臺上下載實現(xiàn)。實驗7 至實驗11 的實驗案例，都是較為典型的組合邏輯電路和時序邏輯電路。實驗12 也是設計性實驗，與第四章“可編程邏輯器件”相配合。前序實驗中，學生用硬件描述語言描述數(shù)字系統(tǒng)，驗證通過后編程下載至實驗平臺上。事實上，實驗平臺本身提供了許多現(xiàn)成的IP核（如算術功能單元、時鐘模塊、I/O 接口模塊、存儲器模塊等）供集成在各類數(shù)字系統(tǒng)中。IP 核的使用可以實現(xiàn)設計重用，縮短數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)周期。因此，通過實驗12，學生能進一步掌握IP 核集成等數(shù)字系統(tǒng)設計的重要方法。

12 個課堂實驗，由淺入深、由簡到難，內容上環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，前面的實驗為后面的實驗打基礎。例如，通過數(shù)碼管譯碼器實驗，學生掌握了數(shù)碼管的顯示控制方法；在計數(shù)器實驗中，學生在數(shù)碼管顯示的基礎上擴展，加入計時控制部分，從而實現(xiàn)按一定的時間間隔計數(shù)；通過交通燈實驗，學生掌握多個數(shù)碼管的輪流或分時顯示；前序實驗的完成分解了數(shù)字鐘實驗的難度，而課堂實驗的完成也為后續(xù)綜合實驗的完成提供了保障。

2.2.2 綜合實驗

在理論課程和課堂實驗的基礎上，通過綜合實驗全面考查和提升學生的數(shù)字系統(tǒng)設計能力。綜合實驗要求學生利用課后時間在實驗平臺上設計實現(xiàn)一個具有一定難度和規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)，并在實驗平臺上調試通過。

為了提高學生的興趣，課程可以提供2 個綜合實驗項目供學生選擇，如數(shù)字萬年歷、貪吃蛇游戲。為了滿足對學生不同能力水平的考核，綜合實驗的實驗指導書中明確給出不同成績等級所要求實現(xiàn)的實驗功能。在課程提供的綜合實驗項目之外，學生也可以自己命題，自主設計難度和規(guī)模相當?shù)臄?shù)字系統(tǒng)，如用俄羅斯方塊游戲或吃豆人游戲代替貪吃蛇游戲等。

在綜合實驗的實驗指導書中，教師給出實驗功能要求、注意事項以及評分標準。理論課程第5 章—第7 章中介紹的方法與技術，也被要求靈活運用在綜合實驗中。學生根據(jù)所選實驗項目的具體要求進行系統(tǒng)總體設計以及模塊設計，然后進行硬件代碼的開發(fā)、調試和系統(tǒng)實現(xiàn)。最后要求學生提交的實驗作業(yè)包括實驗源代碼以及詳細的實驗報告。完整的實驗報告包括需求分析、總體設計、模塊設計、運行結果、難點和問題分析、總結等內容。

2.2.3 實驗平臺

雖然理論教學中涉及了基于中小規(guī)模邏輯器件的傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設計實現(xiàn)方法，但課程的重點在于基于EDA 工具和硬件描述語言的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)技術。因此，課程實驗均在基于可編程邏輯器件的實驗平臺上展開。實驗平臺選擇的依據(jù)有：①采用主流廠商的可編程邏輯器件，支持主流商用的EDA 開發(fā)工具；②滿足課堂配套實驗和綜合實驗的需求；③自帶豐富的接口，便于各種趣味實驗的展開，為學生自主設計實驗項目提供資源保證；④提供可擴展口，用于后續(xù)外接其他模塊和設備進行平臺擴展，滿足后續(xù)擴展實驗的需求；⑤具有較高的性價比，保證每個學生都能有一套口袋實驗室隨時進行實踐鍛煉。基于上述要求，課程選用一款入門級的實驗開發(fā)板，如圖2 和圖3 所示。

圖2 實驗開發(fā)板外觀

圖3 實驗開發(fā)板主要模塊與接口

該實驗開發(fā)板選用Xilinx 公司的Spartan6系列的XC6SLX9，同時配置64Mbit 的RAM 和32Mbit 的Flash 資源，以確保資源使用的裕度。表3 為實驗板載的基本資源。該實驗開發(fā)板支持多種層次的實驗需要，本課程所有的課堂配套實驗以及綜合實驗均在該實驗平臺上完成。作為入門級的實驗開發(fā)板，與此開發(fā)板功能類似的實驗平臺有很多可供選擇，性價比都較高，適合供學生人手一塊進行課堂和課后練習。

表3 實驗開發(fā)板資源

3 課程管理與考核

很多教師抱怨學生對實驗課不重視，抄襲現(xiàn)象嚴重，實踐教學效果不理想。部分學生的學風和學習態(tài)度固然存在一定問題，但作為教師，應該更多地從自身找問題，從教學本身找原因。完善實驗管理過程，完善課程考核機制，是提高學生學習積極性，提高教學質量的重要途徑[3]。

3.1 加強實驗過程管理

實驗系列教師缺乏、助教制度不完善是國內院校普遍存在的問題。不少課程的實驗課都是交由助教講課或輔導，而不是由主講教師或是專門的實驗教師承擔。很多助教都是研究生，沒有經(jīng)過專門的教學培訓，缺乏教學經(jīng)驗。有的助教本身對所輔導的課程并不精通，更有甚者是抱著學習一門課的目的來當助教。因此，實踐教學師資力量的薄弱，必然影響到實踐教學質量。教師對實踐教學的不重視，必然導致學生對實踐學習的不重視。

目前，本課程的實踐教學由主講教師親自擔任。課程主講教師在從事過大型工程開發(fā)任務、具有豐富的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的教師中選拔。另一方面，課程助教的人選嚴格把關，只選擇具有相關專業(yè)背景或具有相關工程開發(fā)經(jīng)驗的高年級研究生擔任，助教名單需主講教師進行面試才能確定。從近兩年的教學效果來看，完善實驗過程管理，加強實驗教學的師資力量，可以有效提高實踐教學的教學質量。

3.2 完善課程考核機制

在課程考核上，堅持“過程大于結果”的理念。本課程考核項目及比重為：理論考核占40%，課堂實驗7 至實驗11 各占5%（共計25%），綜合實驗占30%，平時成績占5%，實驗考核的比重大大增加。課程強化對學生的過程性評價，一方面增加對課堂實驗的考核，另一方面綜合實驗考核明確給出成績等級。因為學生的能力彼此不同，有的學生難以完全獨立設計實現(xiàn)功能復雜的數(shù)字系統(tǒng)。如果給學生單一的考核要求，那么這部分學生會因為畏難情緒而放棄動手嘗試實驗。因此，從簡單的實驗入手并考核，可以鼓勵學生進行實踐嘗試，對學生學習過程中的進步也是鼓勵。

在實驗實施過程中，鼓勵學生相互討論和分享經(jīng)驗。但討論之余必須獨立完成實驗并參加實驗驗收。實驗驗收由主講教師或助教與學生一對一開展。驗收過程中，學生要描述所設計數(shù)字系統(tǒng)的功能、解釋部分代碼。這種驗收方式有效減少了抄襲現(xiàn)象。

4 教學效果

數(shù)字系統(tǒng)課程教改實施2 年以來，教學成效顯著：①學生實踐能力得到了較大的提高，課堂實驗獨立完成率達到97%，綜合實驗獨立完成率達到94%，各層次的學生在動手能力培養(yǎng)方面都有收獲；②學生理論課成績大幅提高，經(jīng)過了大量實踐鍛煉，學生將理論與實踐相結合，由被動接受知識轉變?yōu)橹鲃铀伎紗栴}；③培養(yǎng)了一批硬件愛好者，在綜合實驗部分，不少學生加入了自己的理解和創(chuàng)新，設計的數(shù)字系統(tǒng)也是奇思妙想、精彩紛呈。

5 結 語

數(shù)字系統(tǒng)課程的地位和特點決定了實踐教學環(huán)節(jié)在該課程中的重要性。邊學邊干將理論教學和實踐教學相結合，是提高教學質量的有效手段。實踐證明，合理設置與理論課程緊密配合的實驗內容，對于學生全面深入掌握課程內容，積累工程經(jīng)驗，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力、培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識等方面都是非常有用的。后續(xù)的教學改革將繼續(xù)探索創(chuàng)新實驗內容和實驗模式，而如何規(guī)劃銜接好上下游課程之間的實驗內容和實驗平臺，也是課程需要重點考慮的問題。