系統能力培養背景下《數字電子技術》課程改革

李東勤，徐勇，常郝

（安徽財經大學管理科學與工程學院，蚌埠 233030）

0 引言

人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承創新、國際交流與合作是高等教育五大基本功能，但人才培養是最基礎、最核心、最根本的任務。我們要堅持把立德樹人作為根本任務，要把立德樹人的成效作為檢驗學校一切工作的根本標準。時代的發展與變化催生了新技術加速興起，人工智能、虛擬現實、基因工程、物聯網、大數據、云計算正在引領科技、應用和社會進入智能時代。時代的發展對高等學校計算機專業人才培養提出了更高的要求，能夠掌握計算機軟硬件協同工作機制和基本運行原理，具備計算機系統層面的認知與設計能力，能站在計算機系統的高度來考慮問題和解決問題，即計算機系統能力[1-3]。

為了推動國內高校在計算機系統能力培養方面的教學改革，2010年教育部計算機類專業教學指導委員會（以下簡稱“教指委”）專門成立了“計算機類專業系統能力培養”研究項目組。在教指委的指導和推動下，國內許多高校開始重視計算機系統方面的教學，積極探索和實踐系統能力培養模式[4-6]。

我校于2018年5月入選教指委高等院校系統能力培養第三批試點校。作為一所省屬高校，我們也在積極探索具有特色的計算機系統能力培養模式，初步確定了硬件系列核心課程群的教改思路。本文將重點介紹《數字電子技術》課程的改革思路和成效，重點考慮與后續課程（例如計算機組成原理）的銜接和關聯。

1 數字電子技術在計算機系統中的位置

我校計算機系統能力培養模式中，硬件類課程群建設主要涉及數字電子技術、計算機組成原理、微機原理與接口技術、操作系統和編譯原理等五門硬件類核心課程。《數字電子技術》課程在整個硬件類課程群中位于最底層，是基礎核心內容，具有很強的理論性、實踐性和工程性，可以為后續課程提供很強的理論和實踐基礎[7-8]。

自從我校實行大類招生以來，《數字電子技術》是計算機類學生必修的一門專業基礎課程，它是學生學習后面硬件類課程的基礎。我校《數字電子技術》課程包括理論54學時和實驗18學時。通過學習《數字電子技術》課程，學生可以掌握計算機系統最底層的硬件設計，從元器件、電路到功能部件，同時設計的功能部件，例如全加器、寄存器、存儲器等還可以直接用到后續的《計算機組成原理》課程中。

2 數字電子技術理論教學改革

針對《數字電子技術》課程只注重課程本身的完整性，缺乏從系統能力培養的角度整體優化課程的問題，在學習其他高校教改經驗后，我們因地制宜構建具有我校特色的課程體系。改革之前《數字電子技術》課程忽略了與后續課程（例如計算機組成原理）之間的銜接，很多知識點在兩門課程中是重復講解。這樣既造成了時間上的浪費，更是無法幫助學生建立完整的系統觀；同時我校計算機專業沒有開設硬件描述語言課程，所以學生對數字電路的設計概念不是很強，沒有這個意識。我們在《數字電子技術》課程開設的同時，增開Verilog HDL語言課程，目前該課程已經由開始的公選課變成了現在的必修課。通過Verilog語言，讓學生理解數字電路的設計原理和方法，用軟件的思路解決硬件的問題。

在具體講解的知識點方面，我們根據計算機系統能力培養的要求，以《計算機科學與技術本科專業規范》為基礎，同時考慮課程銜接和實驗項目規模與難度，研究數字邏輯課程所涉及的知識領域、知識單元、知識點以及與后續課程之間的關系，最終建立符合計算機系統設計所需要的主要知識體系。與現有的《數字電子技術》課程知識體系相比，更加深入講解寄存器、計數器、譯碼器、有限狀態機、存儲器等與后續課程相關的知識模塊；同時，刪除集成電路傳輸特性、555定時器、數-模和模-數轉換等內容。

在課堂講解過程中，通過引進超星的“學習通”平臺加強和學生的互動，建立課外預習與課堂教學間橋梁，將課前-課上-課后的每一個環節都賦予全新的體驗，最大限度地釋放教與學的能量。使用學習通，教師可以將帶有MOOC視頻、習題、語音的課前預習課件推送到學生手機，師生溝通及時反饋；課堂上實時答題、彈幕互動、搶答、選人回答，為傳統課堂教學師生互動提供了完美解決方案。學習通讓教與學更明了，保證教學生動、加強師生間的互動。在基本概念和原理講解的同時，我們更加注重通過實際生產生活中的具體案例，提高學生理論知識的應用水平，增強學生的工程實踐能力、培養創新意識和創新能力以及團隊合作精神。在案例選擇時，我們既考慮復雜數字系統實踐項目，即項目規模，又考慮學生的實際情況，不能打擊大二學生的積極性。

3 數字電子技術實驗教學改革

按照我校計算機系統能力培養的目標，從實驗內容、實驗方式和實驗考核等三個方面對數字電子技術實驗課程進行改革。實驗內容分為驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。其中，驗證性實驗主要對常用的芯片進行功能性驗證，主要包括基本門電路和觸發器，使學生更加理解和熟悉芯片的邏輯功能和各個引腳的作用；設計性實驗主要包括組合邏輯電路的設計和時序邏輯電路的設計兩大塊，引導學生利用組合邏輯模塊與時序邏輯模塊進行數字電路設計；綜合性實驗放在學期最后，主要對課程所學知識點的一個綜合運用，具備一定的規模和難度。設計性實驗和綜合性實驗可以激發學生的學習興趣，通過實驗使學生從中獲得成就感和滿足感，更為重要的提高學生的動手實踐能力，培養他們的創新能力和團隊合作意識。我校數電實驗課程合計18學時，共安排了八次實驗，每個實驗2學時，最后一次進行隨堂測驗，用時2學時。具體實驗內容如表1所示。

表1 實驗規劃

在進行設計性實驗時，對于同一個設計要求，我們以探究方式引導學生從不同方向，利用不同芯片，給出多種設計方案。例如交通燈故障控制電路的設計，我們首先進行項目的構思。通過分析，我們從邏輯功能中抽象出三個邏輯變量R、A、G表示三盞燈，用1表示等亮，用0表示燈滅；抽象出1個輸出變量Z，用1表示正常工作，用0表示出現了故障，需要通知維護人員前去維修。由此，得到相應的真值表，如圖1所示。

圖1 真值表

由此可得到表達式：

Z=R'A'G'+R'AG+RA'G+RAG'+RAG

接下來我們就是實現這個表達式的過程，引導學生從不同的角度考慮問題，形成不同的設計方案。第一，利用基本的門電路實現，例如與或非門；第二，利用3:8譯碼器74LS138；第三，利用數據選擇器74LS153或者74LS151。對比這三種設計方案，我們發現第三種方案最簡單，使用的芯片最少。在傳統的實驗箱上，要求學生選擇芯片進行電路的連接和測試，觀察實驗結果。

對于上面的三種設計方案，同時要求學生在EDA（Electronic Design Automation）軟件工具Xilinx的Vivado中利用Verilog語言進行設計，并通過Xilinx的FPGA開發板進行驗證。

4 結語

在計算機系統能力培養教改中，《數字電子技術》課程是學習計算機硬件系列課程的基礎，具有較強的理論性、實踐性和工程性，對培養學生基本素質、實踐能力和創新能力具有舉足輕重的作用。以計算機系統能力培養為最終目標，根據《數字電子技術》課程特點以及與后續課程之間的聯系，對該課程進行了理論教學改革和實驗教學改革，并取得了一定的成效。計算機系統能力培養改革之路還很長，也很難，但我們堅信路雖遠，行則將至；事雖難，做則必成！