官駿鳴,汪 虹

(黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院,安徽 黃山 245021)

計(jì)算機(jī)專業(yè)《數(shù)字電路技術(shù)》課程教學(xué)改革探討

官駿鳴,汪 虹

(黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院,安徽 黃山 245021)

在分析了當(dāng)前 《數(shù)字電路技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了在課程內(nèi)容中引入EDA（Electronic Design Automation）設(shè)計(jì)技術(shù)以適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)發(fā)展需要，并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段等方面對課程的教學(xué)改革提出建議。

數(shù)字電路技術(shù)；EDA；教學(xué)改革

《數(shù)字電路技術(shù)》是計(jì)算機(jī)專業(yè)深入學(xué)習(xí)專業(yè)課程的橋梁學(xué)科之一，同時(shí)也是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。其先導(dǎo)課程為《電路與模擬電子技術(shù)》，后續(xù)課程有 《計(jì)算機(jī)組成原理》、《微機(jī)接口與技術(shù)》、《單片機(jī)原理與實(shí)踐》等。本課程的任務(wù)就是傳授數(shù)字設(shè)計(jì)中應(yīng)具備的基本理論、基本分析與設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析與設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)能力，為將來從事研究開發(fā)工作打下必要的基礎(chǔ)。

1 《數(shù)字電路技術(shù)》課程教學(xué)的現(xiàn)狀及問題

隨著數(shù)字電路技術(shù)飛速發(fā)展，與之對應(yīng)課程的教學(xué)內(nèi)容、體系以及教學(xué)方法也應(yīng)隨之改革，同時(shí)需體現(xiàn)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的特征，以滿足大眾化的教育需求。然而，當(dāng)前我們《數(shù)字電路技術(shù)》課程的內(nèi)容設(shè)置、實(shí)踐環(huán)節(jié)依然采用學(xué)科型體系，過于注重理論深度與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這種傳統(tǒng)教學(xué)模式下的教學(xué)存在以下問題。

1.教材內(nèi)容滯后。數(shù)字電路技術(shù)起始于開關(guān)邏輯，半導(dǎo)體技術(shù)推動(dòng)了電子技術(shù)理論體系的快速成長，逐漸形成了以邏輯代數(shù)和離散數(shù)學(xué)為兩條主線的數(shù)字電路體系。而后出現(xiàn)的中小規(guī)模集成電路對電路研究的基本理論并未產(chǎn)生沖擊，它強(qiáng)調(diào)以標(biāo)準(zhǔn)元器件為核心的分析與設(shè)計(jì)方法。但是，近年來隨著可編程器件的發(fā)展與電路的集成程度不斷提高，以及EDA工具軟件與FPGA、CPLD的高度融合，這些都改變了數(shù)字電路的研究方向。傳統(tǒng)的自底向上的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，已無法滿足現(xiàn)在高度集成的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.教學(xué)方式重教輕學(xué)。現(xiàn)有教材所包含的課程內(nèi)容多為精英教育設(shè)計(jì)，教學(xué)內(nèi)容理論深度要求較高，故而教師多采用“填鴨式”組織教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生疲于接受知識(shí)，缺乏從數(shù)字系統(tǒng)層次觀察電路的能力，從而使得綜合知識(shí)的應(yīng)用和實(shí)踐能力沒有得到很好的訓(xùn)練。

3.實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容陳舊。傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐多以驗(yàn)證集成芯片功能為主，數(shù)字邏輯器件每隔5年淘汰40%，不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)提升了實(shí)踐教學(xué)難度。而現(xiàn)在的實(shí)踐教學(xué)依然承襲著如何利用中小規(guī)模集成元器件采用自底向上的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，依次經(jīng)歷著書面設(shè)計(jì)、硬件搭建、樣機(jī)制作三個(gè)階段。[1]一旦系統(tǒng)復(fù)雜程度提高，存在著芯片品種較多、搭試難度高等問題，而且設(shè)計(jì)結(jié)果只有在實(shí)驗(yàn)連線之后才能知曉，導(dǎo)致實(shí)踐成功率很難保證。EDA技術(shù)改變了數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，它借助硬件描述語言描述電路行為，能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行調(diào)試與分析，利用軟件仿真來驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，這樣就有效地提高了設(shè)計(jì)速度與電路可靠性，降低了設(shè)計(jì)成本。

2 《數(shù)字電路技術(shù)》的教學(xué)改革方案

2.1 結(jié)合學(xué)科發(fā)展優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 合理安排課程內(nèi)容

如前所述，當(dāng)前《數(shù)字電路技術(shù)》課程教學(xué)主要圍繞標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件展開，而實(shí)際上電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化已經(jīng)在工業(yè)界廣泛實(shí)施，所以，對應(yīng)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，在確保課程內(nèi)容連續(xù)性和系統(tǒng)性的前提下，實(shí)施教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，適當(dāng)增減授課內(nèi)容。對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生而言，以“必須”和“夠用”為度。[2]所謂“必須”意味著該部分內(nèi)容對于學(xué)生硬件知識(shí)的獲取必不可少。如基本的開關(guān)理論知識(shí)以及卡諾圖的應(yīng)用等，這些內(nèi)容要在課堂上做詳細(xì)的講解。而“夠用”原則，即針對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生而言，應(yīng)側(cè)重元器件的功能和應(yīng)用，適當(dāng)控制元器件內(nèi)部物理構(gòu)造和工作原理的分量和深度。如在集成邏輯門章節(jié)，應(yīng)盡量減少描述推導(dǎo)過程，以節(jié)省相應(yīng)課時(shí)，適當(dāng)刪減中規(guī)模元器件結(jié)構(gòu)和功能內(nèi)容，只需教會(huì)學(xué)生讀懂器件規(guī)范。

2.1.2 引入EDA技術(shù)，拓展課程內(nèi)容

EDA技術(shù)憑借其強(qiáng)大的功能，使得人們可以方便地借助可編程器件進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，在調(diào)整《數(shù)字電路技術(shù)》授課內(nèi)容時(shí)，應(yīng)引入EDA設(shè)計(jì)方法，講述硬件設(shè)計(jì)語言和FPGA的應(yīng)用，使學(xué)生掌握學(xué)會(huì)使用數(shù)字設(shè)計(jì)的自動(dòng)化方法。[3]在內(nèi)容設(shè)置上，合理結(jié)合組合邏輯、時(shí)序邏輯以及硬件設(shè)計(jì)語言 VHDL （VeryHighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language），將 VHDL 語言及其應(yīng)用分散貫穿與整個(gè)授課內(nèi)容中，實(shí)現(xiàn)它們的合理穿插，這樣就大大提高了學(xué)習(xí)內(nèi)容的先進(jìn)性，使學(xué)生能夠熟悉FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法，從而能夠適應(yīng)社會(huì)需求。

2.2 正確處理該課程與先導(dǎo)課程的關(guān)系

計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生往往對《數(shù)字電路技術(shù)》等電路課程興趣不大，這與它的前導(dǎo)課程《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》的內(nèi)容難度較大有一定關(guān)系，很多學(xué)生的電路知識(shí)薄弱，導(dǎo)致學(xué)習(xí)力不從心，這大大影響了該課程的教學(xué)效果，因此，教師在授課過程中應(yīng)當(dāng)正確處理好該課程與先導(dǎo)課程的關(guān)系。一般認(rèn)為《數(shù)字電路技術(shù)》的儲(chǔ)備知識(shí)應(yīng)包括二極管、三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理以及電路反饋等，然而實(shí)際上數(shù)字電路技術(shù)更為關(guān)注功能級器件的內(nèi)容，應(yīng)重點(diǎn)研究元器件的功能真值表和時(shí)序圖等，對芯片內(nèi)部電氣特性可以忽略。所以說該課程中這些前導(dǎo)知識(shí)的應(yīng)用很少，可以在課程學(xué)習(xí)鼓勵(lì)學(xué)生，使他們明白前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)結(jié)果并不能制約本課程的學(xué)習(xí)，從而提高他們學(xué)習(xí)《數(shù)字電路技術(shù)》的積極性。

2.3 課堂理論教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合

該課程最大的特點(diǎn)為應(yīng)用性和工程實(shí)踐性較強(qiáng)，是從事電子設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性學(xué)科，在課堂理論教學(xué)過程中應(yīng)積極引入實(shí)例以提高學(xué)生的認(rèn)知和實(shí)踐能力。在授課過程中，教師不應(yīng)將內(nèi)容局限于課本上，可以利用開發(fā)板向?qū)W生展示工程實(shí)例，給學(xué)生灌輸工程設(shè)計(jì)思想，使學(xué)生理解“學(xué)以致用”的真正內(nèi)涵，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，比如可以在開發(fā)板上設(shè)計(jì)電子秒表，通過鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入，LED顯示來展現(xiàn)數(shù)字設(shè)計(jì)的魅力。這樣學(xué)生對PS/2協(xié)議，鍵盤掃描碼、數(shù)碼管的知識(shí)有了直觀上的感受，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。[4]

2.4 課堂教學(xué)引入仿真工具軟件

《數(shù)字電路技術(shù)》課程的特點(diǎn)是電路圖復(fù)雜龐大，信息豐富，因此教師在課堂上應(yīng)借助EDA軟件，利用其仿真功能描述那些不易用語言和文字表達(dá)的電路狀態(tài)變化過程，通過對電路進(jìn)行模擬演示說明電路功能以及對應(yīng)的時(shí)序波形。這樣就能使教學(xué)內(nèi)容形象化、動(dòng)態(tài)化，有利于學(xué)生提高課堂注意力，既讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有深刻了解，也有助于他們對EDA技術(shù)的掌握，拓寬了學(xué)生知識(shí)面，提高學(xué)習(xí)效率。

2.5 改革實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

改變利用中小規(guī)模元器件手工連線的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑捎肰HDL與FPGA聯(lián)合進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。[5]在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革上，應(yīng)將大部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，突出課程的工程性和實(shí)踐性。要求學(xué)生學(xué)會(huì)利用EDA軟件設(shè)計(jì)、仿真、下載，這有助于學(xué)生掌握電路設(shè)計(jì)的先進(jìn)方法。同時(shí)改革實(shí)驗(yàn)考核方式，注重技能考核，實(shí)驗(yàn)考試內(nèi)容要求完成一個(gè)難度中等的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，合理分配平時(shí)成績與考試成績的比例，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，更好地與社會(huì)需求接軌。

3結(jié) 語

現(xiàn)代電子技術(shù)飛速發(fā)展，要求《數(shù)字電路技術(shù)》課程教學(xué)過程中不僅注重理論知識(shí)的傳授，還要了解技術(shù)發(fā)展前沿知識(shí)和趨勢，使學(xué)生掌握利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及手段的改革勢在必行，只有這樣，才能更好地為社會(huì)培養(yǎng)出高素質(zhì)的人才。

[1]王艷春.數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的實(shí)踐[J].中國電力教育,2010,(1)：168-169.

[2]鄒云海,高勝東.《脈沖與數(shù)字電路》課程教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2006,5(1):71-74.

[3]徐魯雄.數(shù)字電路課程建設(shè)的新觀點(diǎn)[J].計(jì)算機(jī)教育,2007,(8):35-37.

[4]林明權(quán).VHDL數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)范例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003：84-114.

[5]張薇,黃耀庭，等.數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中ISP技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)模式[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(6):71-72.

The Exploration of Course Reform in Digital Circuit Technology for Computer Majors

Guan Junming，Wang Hong
(School of Information and Engineering,Huangshan University,Huangshan 245021,China)

Based on a comprehensive analysis of the insufficiency existing in the teaching of digital circuit technology at present,the paper suggests that EDA design technique should be introduced into the course in order to meet the need of the teaching development.The corresponding reform measures are proposed from the aspects of teaching contents,teaching methods,etc.

digital circuit technology;electronic design automation;teaching reform

G642.0；TN710

A

1672-447X（2011）03-0108-003

2010-10-23

黃山學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2009SYQ02）；黃山學(xué)院公共教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2009JXTD18）

官駿鳴（1979-），安徽休寧人，黃山學(xué)院信息工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)教育;汪虹（1951-），江西婺源人，黃山學(xué)院信息工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)檐浖こ獭⒂?jì)算機(jī)教育。

胡德明