邊學(xué)邊干的數(shù)字系統(tǒng)課程教學(xué)

陳 微，譚春嬌，唐玉華，吳明飛，王志英

（1.國(guó)防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.國(guó)防科技大學(xué) 教務(wù)處，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引 言

數(shù)字系統(tǒng)作為電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)硬件課程系列的專(zhuān)業(yè)核心課程。當(dāng)前，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力成為各院校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)，培養(yǎng)具有系統(tǒng)觀、能夠進(jìn)行軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的軟硬件貫通人才成為后PC 時(shí)代計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的關(guān)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(shí)的掌握和少量課程大作業(yè)的實(shí)踐，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)體系和有效的實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理。學(xué)生難以將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)手開(kāi)發(fā)能力沒(méi)有得到有效的鍛煉。作為實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，在邊學(xué)邊干中展開(kāi)教學(xué)，數(shù)字系統(tǒng)課程才能真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的教學(xué)目的。

1 課程的地位與特點(diǎn)

數(shù)字系統(tǒng)課程與其他課程間的關(guān)系如圖1 所示。課程在電路與模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子與數(shù)字邏輯、程序設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)講解，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程，如嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、VLSI 設(shè)計(jì)等打下必要的基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)字系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程體系中的地位

課程的教學(xué)目標(biāo)是要從基礎(chǔ)知識(shí)的角度講解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)概念、基本原理，從方法學(xué)的角度闡述數(shù)字系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的有關(guān)概念，使學(xué)生了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程、主要指導(dǎo)原則及關(guān)鍵技術(shù)，并輔以相關(guān)實(shí)例，從而建立全局、整體的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念。另一方面，課程重在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，即實(shí)際設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的能力，因此該課程涉及的知識(shí)面廣、內(nèi)容多、實(shí)踐要求高。

貫徹“邊學(xué)邊干”的教學(xué)理念，基于課程的教學(xué)目標(biāo)和重點(diǎn)，科學(xué)系統(tǒng)地設(shè)置理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，采用有效新穎的教學(xué)手段和教學(xué)管理模式，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的能力，是該課程教學(xué)中探索的主要方面。

2 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

數(shù)字系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容一般包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上需要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)：①掌握基礎(chǔ)理論，理解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法與流程；②邊學(xué)邊干，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力，能夠自主設(shè)計(jì)一定規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)；③滿(mǎn)足不同學(xué)生知識(shí)與實(shí)踐層次的學(xué)習(xí)需求。

2.1 理論教學(xué)設(shè)計(jì)

課程內(nèi)容應(yīng)由淺入深、由底向上，覆蓋數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多個(gè)層面如表1 所示。

表1 理論教學(xué)內(nèi)容

理論教學(xué)首先概述數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、主流技術(shù)等，使學(xué)生建立起對(duì)現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要技術(shù)和手段的基本認(rèn)識(shí)。硬件描述語(yǔ)言主要介紹Verilog 硬件描述語(yǔ)言的基本概念、語(yǔ)法和規(guī)則，以及如何使用EDA 工具進(jìn)行現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)而掌握一般數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟。可編程邏輯器件部分主要介紹可編程邏輯器件的分類(lèi)、原理和應(yīng)用等。數(shù)字系統(tǒng)的建模與結(jié)構(gòu)主要討論數(shù)字系統(tǒng)模型概念、模型與結(jié)構(gòu)的關(guān)系、典型數(shù)字系統(tǒng)計(jì)算模型及其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中常用的衍生方式等。在掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和一般步驟的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進(jìn)階了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中典型的故障檢測(cè)方法和可測(cè)性設(shè)計(jì)。通過(guò)理論課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以系統(tǒng)地了解數(shù)字系統(tǒng)的相關(guān)概念、設(shè)計(jì)方法和流程。

2.2 實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)踐教學(xué)對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)課程而言極其重要，在理論教學(xué)之外，課程每周安排2 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)講解課以及2 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)課，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容由與課程授課進(jìn)度配套的課堂實(shí)驗(yàn)和最后的綜合實(shí)驗(yàn)兩部分組成。

2.2.1 課堂實(shí)驗(yàn)

目前，本課程共設(shè)計(jì)12 個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)，分為示范性實(shí)驗(yàn)、觀察性實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)3 個(gè)層次，與理論教學(xué)相配合，讓學(xué)生邊學(xué)邊干，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的結(jié)合。每章所配套的課堂實(shí)驗(yàn)數(shù)量見(jiàn)表1。表2 給出了這些課堂實(shí)驗(yàn)與各知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 課堂實(shí)驗(yàn)安排

實(shí)驗(yàn)1 為示范性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，初步掌握EDA 工具的使用方法與步驟。實(shí)驗(yàn)2 至實(shí)驗(yàn)6 為觀察性實(shí)驗(yàn)，配合第二章“硬件描述語(yǔ)言”展開(kāi)。實(shí)驗(yàn)7 至實(shí)驗(yàn)11 為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生根據(jù)理論課程中所學(xué)的方法，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的組合邏輯或時(shí)序邏輯電路，用硬件描述語(yǔ)言描述，通過(guò)仿真驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上下載實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)7 至實(shí)驗(yàn)11 的實(shí)驗(yàn)案例，都是較為典型的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。實(shí)驗(yàn)12 也是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，與第四章“可編程邏輯器件”相配合。前序?qū)嶒?yàn)中，學(xué)生用硬件描述語(yǔ)言描述數(shù)字系統(tǒng)，驗(yàn)證通過(guò)后編程下載至實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本身提供了許多現(xiàn)成的IP核（如算術(shù)功能單元、時(shí)鐘模塊、I/O 接口模塊、存儲(chǔ)器模塊等）供集成在各類(lèi)數(shù)字系統(tǒng)中。IP 核的使用可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用，縮短數(shù)字系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)12，學(xué)生能進(jìn)一步掌握IP 核集成等數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方法。

12 個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)，由淺入深、由簡(jiǎn)到難，內(nèi)容上環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，前面的實(shí)驗(yàn)為后面的實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)。例如，通過(guò)數(shù)碼管譯碼器實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了數(shù)碼管的顯示控制方法；在計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在數(shù)碼管顯示的基礎(chǔ)上擴(kuò)展，加入計(jì)時(shí)控制部分，從而實(shí)現(xiàn)按一定的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)；通過(guò)交通燈實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握多個(gè)數(shù)碼管的輪流或分時(shí)顯示；前序?qū)嶒?yàn)的完成分解了數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)的難度，而課堂實(shí)驗(yàn)的完成也為后續(xù)綜合實(shí)驗(yàn)的完成提供了保障。

2.2.2 綜合實(shí)驗(yàn)

在理論課程和課堂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)全面考查和提升學(xué)生的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。綜合實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用課后時(shí)間在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有一定難度和規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上調(diào)試通過(guò)。

為了提高學(xué)生的興趣，課程可以提供2 個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生選擇，如數(shù)字萬(wàn)年歷、貪吃蛇游戲。為了滿(mǎn)足對(duì)學(xué)生不同能力水平的考核，綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中明確給出不同成績(jī)等級(jí)所要求實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)功能。在課程提供的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之外，學(xué)生也可以自己命題，自主設(shè)計(jì)難度和規(guī)模相當(dāng)?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(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中，教師給出實(shí)驗(yàn)功能要求、注意事項(xiàng)以及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。理論課程第5 章—第7 章中介紹的方法與技術(shù)，也被要求靈活運(yùn)用在綜合實(shí)驗(yàn)中。學(xué)生根據(jù)所選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體要求進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及模塊設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行硬件代碼的開(kāi)發(fā)、調(diào)試和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。最后要求學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)作業(yè)包括實(shí)驗(yàn)源代碼以及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括需求分析、總體設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、運(yùn)行結(jié)果、難點(diǎn)和問(wèn)題分析、總結(jié)等內(nèi)容。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

雖然理論教學(xué)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，但課程的重點(diǎn)在于基于EDA 工具和硬件描述語(yǔ)言的數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。因此，課程實(shí)驗(yàn)均在基于可編程邏輯器件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上展開(kāi)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇的依據(jù)有：①采用主流廠(chǎng)商的可編程邏輯器件，支持主流商用的EDA 開(kāi)發(fā)工具；②滿(mǎn)足課堂配套實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)的需求；③自帶豐富的接口，便于各種趣味實(shí)驗(yàn)的展開(kāi)，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供資源保證；④提供可擴(kuò)展口，用于后續(xù)外接其他模塊和設(shè)備進(jìn)行平臺(tái)擴(kuò)展，滿(mǎn)足后續(xù)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的需求；⑤具有較高的性?xún)r(jià)比，保證每個(gè)學(xué)生都能有一套口袋實(shí)驗(yàn)室隨時(shí)進(jìn)行實(shí)踐鍛煉。基于上述要求，課程選用一款入門(mén)級(jí)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，如圖2 和圖3 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板外觀

圖3 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板主要模塊與接口

該實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板選用Xilinx 公司的Spartan6系列的XC6SLX9，同時(shí)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(shí)驗(yàn)板載的基本資源。該實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板支持多種層次的實(shí)驗(yàn)需要，本課程所有的課堂配套實(shí)驗(yàn)以及綜合實(shí)驗(yàn)均在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成。作為入門(mén)級(jí)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，與此開(kāi)發(fā)板功能類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有很多可供選擇，性?xún)r(jià)比都較高，適合供學(xué)生人手一塊進(jìn)行課堂和課后練習(xí)。

表3 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板資源

3 課程管理與考核

很多教師抱怨學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課不重視，抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，實(shí)踐教學(xué)效果不理想。部分學(xué)生的學(xué)風(fēng)和學(xué)習(xí)態(tài)度固然存在一定問(wèn)題，但作為教師，應(yīng)該更多地從自身找問(wèn)題，從教學(xué)本身找原因。完善實(shí)驗(yàn)管理過(guò)程，完善課程考核機(jī)制，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[3]。

3.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理

實(shí)驗(yàn)系列教師缺乏、助教制度不完善是國(guó)內(nèi)院校普遍存在的問(wèn)題。不少課程的實(shí)驗(yàn)課都是交由助教講課或輔導(dǎo)，而不是由主講教師或是專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)教師承擔(dān)。很多助教都是研究生，沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的教學(xué)培訓(xùn)，缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。有的助教本身對(duì)所輔導(dǎo)的課程并不精通，更有甚者是抱著學(xué)習(xí)一門(mén)課的目的來(lái)當(dāng)助教。因此，實(shí)踐教學(xué)師資力量的薄弱，必然影響到實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。教師對(duì)實(shí)踐教學(xué)的不重視，必然導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)踐學(xué)習(xí)的不重視。

目前，本課程的實(shí)踐教學(xué)由主講教師親自擔(dān)任。課程主講教師在從事過(guò)大型工程開(kāi)發(fā)任務(wù)、具有豐富的數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的教師中選拔。另一方面，課程助教的人選嚴(yán)格把關(guān)，只選擇具有相關(guān)專(zhuān)業(yè)背景或具有相關(guān)工程開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的高年級(jí)研究生擔(dān)任，助教名單需主講教師進(jìn)行面試才能確定。從近兩年的教學(xué)效果來(lái)看，完善實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的師資力量，可以有效提高實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

3.2 完善課程考核機(jī)制

在課程考核上，堅(jiān)持“過(guò)程大于結(jié)果”的理念。本課程考核項(xiàng)目及比重為：理論考核占40%，課堂實(shí)驗(yàn)7 至實(shí)驗(yàn)11 各占5%（共計(jì)25%），綜合實(shí)驗(yàn)占30%，平時(shí)成績(jī)占5%，實(shí)驗(yàn)考核的比重大大增加。課程強(qiáng)化對(duì)學(xué)生的過(guò)程性評(píng)價(jià)，一方面增加對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)的考核，另一方面綜合實(shí)驗(yàn)考核明確給出成績(jī)等級(jí)。因?yàn)閷W(xué)生的能力彼此不同，有的學(xué)生難以完全獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。如果給學(xué)生單一的考核要求，那么這部分學(xué)生會(huì)因?yàn)槲冯y情緒而放棄動(dòng)手嘗試實(shí)驗(yàn)。因此，從簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)入手并考核，可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐嘗試，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的進(jìn)步也是鼓勵(lì)。

在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生相互討論和分享經(jīng)驗(yàn)。但討論之余必須獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)并參加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收由主講教師或助教與學(xué)生一對(duì)一開(kāi)展。驗(yàn)收過(guò)程中，學(xué)生要描述所設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的功能、解釋部分代碼。這種驗(yàn)收方式有效減少了抄襲現(xiàn)象。

4 教學(xué)效果

數(shù)字系統(tǒng)課程教改實(shí)施2 年以來(lái)，教學(xué)成效顯著：①學(xué)生實(shí)踐能力得到了較大的提高，課堂實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成率達(dá)到97%，綜合實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成率達(dá)到94%，各層次的學(xué)生在動(dòng)手能力培養(yǎng)方面都有收獲；②學(xué)生理論課成績(jī)大幅提高，經(jīng)過(guò)了大量實(shí)踐鍛煉，學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，由被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)思考問(wèn)題；③培養(yǎng)了一批硬件愛(ài)好者，在綜合實(shí)驗(yàn)部分，不少學(xué)生加入了自己的理解和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)也是奇思妙想、精彩紛呈。

5 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字系統(tǒng)課程的地位和特點(diǎn)決定了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在該課程中的重要性。邊學(xué)邊干將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，是提高教學(xué)質(zhì)量的有效手段。實(shí)踐證明，合理設(shè)置與理論課程緊密配合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生全面深入掌握課程內(nèi)容，積累工程經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識(shí)等方面都是非常有用的。后續(xù)的教學(xué)改革將繼續(xù)探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑绾我?guī)劃銜接好上下游課程之間的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是課程需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。