新工科理念下“數字電路”課程體系改革研究

摘 要：針對新工科建設的需求，文章分析了21世紀以來傳統(tǒng)“數字電路”課程相對于前沿技術的缺點，探討“數字電路”課程中引入硬件描述語言，并對傳統(tǒng)的“數字電路”課程體系進行改進，結合教學實踐，基于HDL構建新的“數字電路”課程體系。

關鍵詞：“數字電路”;硬件描述語言;課程體系

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

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

1 傳統(tǒng)“數字電路”課程的缺點

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

（1）部分課程內容嚴重過時，比如很多學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建電路。事實上，在30年前，工業(yè)界就已經普遍使用CPLD/FPGA等可編程邏輯器件構建電路，早就淘汰傳統(tǒng)的74系列芯片和相關設計方法，學生畢業(yè)后接觸生產實踐都很困惑，普遍反映學校學的內容無用，需要重新學習。

（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)基礎課不同，“數字電路”創(chuàng)立之初，就是來自于實踐。很多數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，在課堂上進行理論推導或通過PPT畫電路圖，會導致課程枯燥。

（3）沒有真正重視EDA軟件的應用，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，國內外眾多高校認識到傳統(tǒng)數字電路課程的缺陷，對此展開了相關教改研究。

徐紅等[3]探討基于EDA技術的“數字電路”課程教學;侯剛等[4]通過建立知識地圖將模擬電路和數字電路聯系起來，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計，探討跨學科的數字電路融合教學。絕大部分研究注重教學方法的改革，并沒有在課程內容上進一步探討，新時代和新知識要求對數字電路課程進行深層次的改革，以適應新工科建設需求。

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，逐漸成了數字電路描述和設計的主流工具，HDL同可編程器件結合起來，在生產實踐中得到了極其廣泛的應用。在大部分學校課程設置中，除了微電子等專業(yè)會在大三額外開課學習HDL語言外，其他專業(yè)在“數字電路”課程中是接觸不到HDL語言的。

為了配合新工科建設，體現以實踐為中心的教學理念，南京郵電大學相關教學中心對數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系列器件的內容，把verilog HDL語言的基本知識穿插到課程講述中，同時，結合EDA軟件，讓電路分析和設計變得更加直觀。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）邏輯基礎階段。主要介紹基本的數制和碼制、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)學習打下邏輯基礎。

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

（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，都提供了相應的語法支持。在“數字電路”課程有限的課時內，不可能介紹verilog HDL的所有概念。一方面，verilog HDL語言發(fā)明已經有40年歷史了，語言中的很多概念本身已經過時;另一方面，本課程學習HDL語言，是出于和工業(yè)界接軌，介紹現有的設計工具和設計理念。完全可以只掌握verilog HDL語言的一個子集，為“數字電路”后續(xù)課程的教學提供支持。

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

相比全部關鍵字，減少了70%以上，但這些關鍵字足以滿足后續(xù)學習的要求。

（4）概念融合階段。主要是熟悉數字電路設計常用到的主要功能子模塊（加法器、比較器、觸發(fā)器、計數器和序列信號發(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，要求學生主動采用verilog HDL語言來實現相應的子模塊，并在EDA軟件中進行編譯和仿真。通過EDA軟件和形象化的仿真波形，學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。主要引領學生進入復雜電路設計和分析的大門，介紹復雜時序電路的分析方法，掌握電路圖—狀態(tài)圖的轉換，介紹采用HDL語言描述較復雜的時序電路設計方法，包括狀態(tài)圖分析和三段式狀態(tài)機、HDL語言中Testbench的編寫和仿真。

3 結語

本文介紹了一種新的“數字電路”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)界前沿進展，真正做到讓學生學有所用，學能所用;其次，一切以實踐為出發(fā)點，引導學生通過EDA工具來培養(yǎng)知識的系統(tǒng)性;立足于把“數字電路”課程的教學方式從老師講述為主改變成以學生探索為主，發(fā)揮學生的主觀能動性。

基金項目：南京郵電大學電子科學與技術國家級實驗教學示范中心項目資助;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，電路設計。

[參考文獻]

[1]戢守璽，王偉.“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下的跨學科課程體系建設構想[J].高等農業(yè)教育，2017（6）：3-7.

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

[3]徐紅，賈立新，吳根忠.基于EDA技術的“數字電路”課程教學實踐[J].電氣電子教學學報，2019（1）：36-39.

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

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

[6]陳彥，徐利梅.“新工科”背景下“數字電路”課程的跨學科教學模式改革探索[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