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

晉 春 李 峰 張尤賽 張 佳

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 前言

“數(shù)字電子技術(shù)”是電子類本科專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，它以數(shù)字電子技術(shù)的基本概念、原理、方法為基礎(chǔ)，注重?cái)?shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。隨著以集成技術(shù)為代表的電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新器件、新技術(shù)、新方法不斷出現(xiàn)，涌現(xiàn)許多基于“數(shù)電”的新課程，諸如DSP、FPGA、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它已成為許多后續(xù)課程必不可少的主干課[1]。國內(nèi)外知名高校都根據(jù)自身情況進(jìn)行了形式多樣的教學(xué)改革，在教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)踐，引入了項(xiàng)目驅(qū)動式、多元化、信息化、啟發(fā)式等方法和手段，全面推動該課程的建設(shè)和發(fā)展[2-3]。本文結(jié)合我校本科專業(yè)電子信息工程（下稱本專業(yè)）的2013人才培養(yǎng)修訂方案，從“數(shù)電”課程建設(shè)的基本思路、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革等方面，做了幾點(diǎn)探索，以求能更好地開展“數(shù)電”及后續(xù)課程的教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用人才。

1 課程改革的背景

傳統(tǒng)的電子類本科專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中，第三學(xué)期開設(shè)“電路分析”，第四學(xué)期開設(shè)“模擬電子技術(shù)”，和第五學(xué)期開設(shè)“數(shù)電”。這種傳統(tǒng)的教學(xué)體系實(shí)施了很多年，在培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識和實(shí)踐應(yīng)用能力方面具有很豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，由于教學(xué)計(jì)劃中“數(shù)電”課程學(xué)期時(shí)間上靠后的安排，導(dǎo)致后續(xù)FPGA、單片機(jī)等實(shí)踐性課程進(jìn)一步推后，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等專業(yè)性課程甚至安排到大四學(xué)期，而這些課程在當(dāng)前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)中占據(jù)越來越重要的地位。學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)起步太晚，專業(yè)知識又接觸太遲，使之沒有充分的時(shí)間學(xué)習(xí)電子系統(tǒng)和綜合應(yīng)用知識，導(dǎo)致學(xué)生“紙上談兵”、“一知半解”的現(xiàn)象普遍存在，對學(xué)生就業(yè)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，最終影響了專業(yè)教學(xué)效果和專業(yè)評價(jià)。這種現(xiàn)象，目前在很多高校普遍存在。

早期，我們已經(jīng)將“數(shù)電”課程前移到第四學(xué)期，與“模電”并列開設(shè)，使學(xué)生能較早地進(jìn)入電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，參與到全國電子設(shè)計(jì)大賽等相關(guān)活動中，大大拓展了學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間，取得了一定的成效，也為本次課程改革積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是在部分課程時(shí)間安排和內(nèi)容設(shè)置上還存在一些問題，教學(xué)方式和方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)，工程實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)還需加強(qiáng)。

為了解決這些問題，利用修訂2013人才培養(yǎng)方案的機(jī)會，我們大膽地實(shí)行本次專業(yè)培養(yǎng)方案的改革，對數(shù)字電子技術(shù)及相關(guān)課程設(shè)置做了大幅度調(diào)整，對相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，將數(shù)字電子技術(shù)課程群的教學(xué)改革推向深入。

2 課程改革的基本思路和目標(biāo)

2.1 可行性保障

“數(shù)電”課程注重?cái)?shù)字邏輯電路的分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，與“電路分析”、“模電”緊密銜接，又具有很大的獨(dú)立性。數(shù)字電路以邏輯代數(shù)為理論基礎(chǔ)，不需要考慮電壓、電流、功率等參數(shù)的計(jì)算，特別是引入EDA技術(shù)之后，將電路設(shè)計(jì)與軟件程序設(shè)計(jì)結(jié)合起來，通過硬件描述語言（HDL）編制程序來完成傳統(tǒng)的電路手工設(shè)計(jì)，方便、快捷、易懂，為我們將“數(shù)電”課程進(jìn)一步前移之第二學(xué)期，提供了有效的教學(xué)方式和方法。后續(xù)開設(shè)的“工程認(rèn)知實(shí)踐”、“FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)”將進(jìn)一步對此知識進(jìn)行吸收、鞏固、深化，有效保障教學(xué)質(zhì)量。

我們“數(shù)電”教研組成員有教授1人，副教授、高級實(shí)驗(yàn)師2人，講師4人，其中具有博士學(xué)位的4人，中青年結(jié)合，年齡結(jié)構(gòu)和學(xué)歷結(jié)構(gòu)都較合理。成員長期以來一直擔(dān)任該課程的主講和實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，編寫過多門課程的教學(xué)大綱、教案、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等教學(xué)資料。部分成員具有10年以上的教學(xué)工作經(jīng)驗(yàn)，并多人獲得該課程的校優(yōu)秀教學(xué)質(zhì)量獎，很受學(xué)生的歡迎。在理論的深層把握、實(shí)踐的動態(tài)驗(yàn)證以及相應(yīng)的技術(shù)等方面的支持上都有著可靠保證。

2.2 基本思路和目標(biāo)

結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們對本專業(yè)進(jìn)行了重新定位和認(rèn)真的思考，對“數(shù)電”課程教學(xué)體系重新構(gòu)建，確立了本課程改革的指導(dǎo)思路：

（1）如何有效的提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化課程設(shè)置，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，是本課程改革的重點(diǎn)和目標(biāo)。

（2）“軟件先行，以軟帶硬”，這是本課程改革的基本思路。將“數(shù)電”課程提前至大學(xué)第二學(xué)期開設(shè)，學(xué)生沒有先修 “電路分析”、“模電”，缺乏電路、器件等方面基本知識，如何有效地教與學(xué)對于學(xué)生和教師都是一種考驗(yàn)。我們著重引入EDA技術(shù)，脫離傳統(tǒng)的以電路結(jié)構(gòu)為主的模式，利用HDL語言和QuartusⅡ軟件加強(qiáng)學(xué)生對數(shù)電電路的基本概念和基本功能的學(xué)習(xí)。“軟實(shí)現(xiàn)”為主，“硬測試”作為一種輔助手段。

（3）優(yōu)化本課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，擴(kuò)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間，采用各種手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)和調(diào)動學(xué)生拓展思維、積極探索。

3 課程改革的實(shí)踐

3.1 課程群的開設(shè)時(shí)間設(shè)置

將“數(shù)電”提前至大學(xué)第二學(xué)期，構(gòu)建新的本專業(yè)教學(xué)體系，這是個全新的研究課題。我們將“數(shù)電”提前至第二學(xué)期開設(shè)，超前于“電路分析”和“模電”。諸如“電子認(rèn)知實(shí)習(xí)”、“微機(jī)原理與接口”、“單片機(jī)”、“FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“嵌入式系統(tǒng)”和“DSP”等應(yīng)用和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程也緊隨其后陸續(xù)開設(shè)。這就大大提前了培養(yǎng)學(xué)生電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力的時(shí)間，有望在第二學(xué)期結(jié)束的暑期，學(xué)生就能參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)等活動。這種實(shí)踐性能力的獲得，比基于傳統(tǒng)教學(xué)模式下至少提前2～3個學(xué)期，學(xué)生能提前為未來的學(xué)習(xí)和實(shí)習(xí)打開充裕的自主學(xué)習(xí)空間和就業(yè)準(zhǔn)備空間，其意義是重大的。

3.2 “數(shù)電”教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)置

由于“數(shù)電”開設(shè)時(shí)間大大提前，“數(shù)電”課程內(nèi)容須作調(diào)整。減少對前期電路基礎(chǔ)知識的依賴，將邏輯門電路相關(guān)內(nèi)容大大簡化，去除復(fù)雜的CMOS、TTL門電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，只作邏輯門電路的特點(diǎn)、性能、參數(shù)等概念性介紹；大量增加了利用HDL語言描述常用的組合邏輯電路、觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路等內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的方法；同時(shí)去除和調(diào)整了存儲器、555定時(shí)器、D/A與A/D轉(zhuǎn)換器等內(nèi)容；引入EDA和FPGA技術(shù)，弱化學(xué)生對電路基礎(chǔ)知識的依賴，充分利用HDL語言，實(shí)現(xiàn)常用數(shù)字電路的分析、設(shè)計(jì)，從而達(dá)到“軟件先行，以軟帶硬”目的，并有效提高學(xué)生動手實(shí)踐能力。

3.3 教學(xué)方式和方法的改革與創(chuàng)新

3.3.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將EDA/FPGA技術(shù)引入課程教學(xué)

在理論教學(xué)中注重?cái)?shù)字電路的基本理論、原理和應(yīng)用，同時(shí)積極地把EDA技術(shù)引入到課程教學(xué)中。引入Verilog VHDL硬件描述語言，將Verilog VHDL語言及其應(yīng)用貫穿于“組合邏輯電路”、“觸發(fā)器”、“時(shí)序邏輯電路”等章節(jié)，使Verilog VHDL語言的程序設(shè)計(jì)方法與數(shù)字電路理論與應(yīng)用密切銜接，實(shí)現(xiàn)“軟件先行，以軟帶硬”的教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)課程中，去除基于74系列器件的低層次簡單設(shè)計(jì)內(nèi)容，將FPGA技術(shù)全面引入到數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。總共安排13個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中7個是基于FGPA的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力要求較高，能有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

3.3.2 開放實(shí)驗(yàn)室與“口袋實(shí)驗(yàn)室”相結(jié)合

為培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)室實(shí)行開放式管理，對學(xué)生全天開放，實(shí)驗(yàn)教師定期實(shí)時(shí)指導(dǎo)。此外，推行“口袋實(shí)驗(yàn)室”，進(jìn)一步了擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)空間，解決了實(shí)驗(yàn)時(shí)空局限性的問題。學(xué)生可以租賃或自購便攜式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，隨時(shí)隨地將課程中的實(shí)例、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練以及自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)在系統(tǒng)上運(yùn)行，充分打開自主學(xué)習(xí)空間[4]。

3.3.3 第二課堂教學(xué)法

開辟第二課堂能對課內(nèi)內(nèi)容進(jìn)行深化總結(jié)。第二課堂以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心來組織教學(xué)內(nèi)容、開展教學(xué)活動，改變以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式。結(jié)合“口袋實(shí)驗(yàn)室”，教師根據(jù)教學(xué)需要布置課外實(shí)踐訓(xùn)練作業(yè)，要求學(xué)生以組為單位完成不同的設(shè)計(jì)型與創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)，演示最終結(jié)果并提交相關(guān)及實(shí)踐報(bào)告。教師則利用答疑時(shí)間給予原理和方法指導(dǎo)。

3.3.4 改革效果

本次改革方案已經(jīng)在12級本專業(yè)教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，初步取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)課程及數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣明顯提高，大多數(shù)能夠獨(dú)立完成課程要求，自主學(xué)習(xí)能力和動手實(shí)踐能力大幅度提高，課程考核通過率達(dá)98%以上，實(shí)踐考核100%通過，課程總體評價(jià)優(yōu)秀，很受學(xué)生歡迎。此外，學(xué)生參加興趣小組、創(chuàng)新計(jì)劃及各種電子設(shè)計(jì)競賽的積極性明顯提高，12級本專業(yè)學(xué)生加入我院電子協(xié)會的達(dá)80人數(shù)以上，并加入了教師組織的電子設(shè)計(jì)興趣小組，部分學(xué)生參與了2014年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽，取得了1個一等獎、3個二等獎的好成績，實(shí)踐和創(chuàng)新能力得到了很好的鍛煉。

4 結(jié)束語

為了更多更好地培養(yǎng)電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用類人才，通過“數(shù)電”課程建設(shè)實(shí)踐探索，倡導(dǎo)“軟件先行，以軟帶硬”教學(xué)方式，注重EDA/FPGA技術(shù)的掌握和運(yùn)用，加強(qiáng)學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)的融會貫通，使學(xué)生掌握數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，具備一定的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和就業(yè)實(shí)習(xí)打開充裕的自主學(xué)習(xí)空間和就業(yè)準(zhǔn)備空間。

［1］潘明,潘松,編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

［2］黃麗亞,楊恒新,張業(yè)榮.電子電路平臺課程的教學(xué)改革研究[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(3):29-30+33.

［3］寧改娣,金印彬,劉濤,等.“數(shù)字電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(4):102-103.

［4］Xilinx 大學(xué)計(jì)劃[DB/OL].http://china.xilinx.com/support/university/index.htm.