行業院校《數字電子技術》課程特色教學實例設計與探討

北京電子科技學院 張 磊 高獻偉 李 莉 武玉華

一、前言

行業院校是以某種特殊行業為背景，面向行業服務的特殊院校[1,2]。但是，隨著我國高等教育快速擴張，原以行業院校為主開設面向行業服務的學科專業也在綜合性大學紛紛開設。而行業院校因不具備綜合性大學的綜合實力在引智和集聚其他優質教學資源方面的優勢，使行業院校面臨巨大挑戰。行業院校要提升核心競爭力，就必須擅于分析、發掘自身所具有的優勢，擅于構筑、強化別人難以模仿的自身特色。保持特色是行業院校的生存之本[3]。在課程體系上，應建立起與行業緊密相關的互相促進、互相補充、互為依托的課程群，形成有別于非行業院校的特有的教學內容。為此，各行業院校紛紛開設獨具特色的專業課，以滿足行業需要。那么，作為基礎課或專業基礎課如何與特色結合，是行業院校需要研究的問題。通過多年的教學實踐，本文以《數字電子技術》為例，談談在專業基礎課中特色內容的設計。

二、教學內容設計目標

學院是以信息安全為特色的行業院校，在學科發展和教學內容中以信息安全為重要依托。《數字電子技術》是一門理論性、實踐性很強的課程[4]，是高等學校電氣信息類專業的主干專業基礎課程，也是學習后續微機原理與接口技術、單片機原理、電子測量與儀器、EDA技術等與硬件密切相關課程的前導和橋梁課程。《數字電子技術》教學內容和知識點都相對成熟，從基本的門電路到組合邏輯電路，再到時序邏輯電路。要從更改教學內容和知識點方面體現學院辦學特色相對困難。因此，只能從知識點的應用著手，引入特色教學實例。

圖1 傳統講解方式中的例題

三、特色教學實例設計

（一）移位寄存器特色教學實例設計

移位寄存器是時序邏輯電路的一種重要器件。在傳統教學方式中，講解主要從普通寄存器開始，進一步講解移位寄存器基本功能，再以74194為例介紹雙向移位寄存器，最后以《數字電子技術基礎》（閻石主編）教材中的例6.3.1為例介紹移位寄存器在數據運算方面的應用。例題中（如圖1）由4個移位寄存器和2個加法器，根據輸入波形求最終的輸出Y。這個題目中主要考核雙向移位寄存器控制端的功能，還考核右移一位相當于數據乘2，最后考核加法器的概念。從考核各知識點的角度，這個例題是一個非常經典的例題，在很多高校講解數字電子技術中都采用這個例題。

但是，這個例題中并不能突出移位寄存器在學院特色中的應用。因此，從密碼學的角度設計了圖2中的例題，例題中由5個D觸發器構成移位寄存器，將Q1與Q4的輸出通過異或門反饋到串行進位輸入端，構成了基于線性移位寄存器的m序列，特征多項式為p(x)=1+x+x4。通過這個例題將密碼學中m序列的概念引入到基礎課中，并且與移位寄存器相結合。讓學生將來學習密碼學課程時對這個設計有更深的理解。

（二）存儲器特色教學實例設計

在數字電子技術課程中半導體存儲器章主要講解只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）的各種類型、工作原理和特點。此外，還講述存儲器擴展存儲容量的連接方法和用存儲器設計組合邏輯電路。教材中用存儲器實現組合邏輯函數的例題為設計一個八段字符顯示的譯碼器，這個例題與學院特色也沒有聯系。通過研究專業課程體系，發現后續課程中涉及到DES（Data Encryption Standard）和AES（Advanced Encryption Standard）算法中的S盒與存儲器可以結合。

表1 serpent加密算法S盒

圖2 m序列例題設計

DES和AES算法屬于分組密碼算法，其中S盒是非線性結構，是整個算法的安全性所在[5]。S盒的功能就是一種簡單的“代替”操作。一個n輸入、m輸出的S盒所實現的功能是從二元域GF(2)上的n維向量空間到二元域GF(2)上的m維向量空間的映射：GF(2)n—＞ GF(2)m，該映射被稱為S盒代替函數。S盒在實際硬件實現時也往往使用存儲器或查找表的方式實現。因此，可以將S盒的設計引入到課堂教學中，利用存儲器實現組合邏輯函數的功能，采用點陣圖的方式實現S盒，將數字電子技術中傳統的知識點與信息安全特色相結合。當然，實用的S盒都是多位輸入多位輸出的，用點陣圖的方式描述會比較復雜。因此，在課堂上利用比較簡單的serpent加密算法的其中一個S盒舉例[6]（如表1）。

圖3 S盒的點陣圖

serpent加密算法采用的是4×4的S盒，根據S盒的替換功能，可以采用地址線為4、字線為16、位線為4、存儲量為64的存儲器實現該S盒，用點陣圖表示為圖3。

當然也可以用硬件描述語言來描述這個S盒，以Verilog HDL語言的case語句可描述為：

四、總結

以數字電子技術課程中寄存器和存儲器兩個傳統知識點為例，介紹了特色教學實例的設計。整個設計具有以下特點：1）將傳統的教學知識點與學院特色相結合，有利于激發學生學習興趣，理解基礎課中的教學知識點；2）加強了專業基礎課與專業課知識點之間的貫通，幫助學生了解后續專業課程中的教學內容。當然，在其他專業基礎課中特色教學實例設計的方法也有很多可以借鑒的地方，需要教師去做大量探討和研究。

[1]李文冰.行業特色院校科學發展的路徑選擇[N].光明日報:理論版,2010-04-09.

[2]李文冰.行業特色院校立地服務能力研究[J].中國高教研究,2011(11):75-77.

[3]高樹仁.行業院校特色化發展態勢與戰略選擇[J].現代教育管理,2010(11):26-28.

[4]劉燁,鄭學恩.應用型本科專業《數字電子技術》課程的教學改革與實踐[J].赤峰學院學報,2011,3(7):194-195.

[5]李聲濤.分組密碼中S盒的設計與分析[D].長沙:國防科技大學,2004.

[6]劉亞.分組密碼Serpent的差分分析[D].山東:山東大學,2010.