北京電子科技學(xué)院 張 磊 高獻(xiàn)偉 李 莉 武玉華

一、前言

行業(yè)院校是以某種特殊行業(yè)為背景，面向行業(yè)服務(wù)的特殊院校[1,2]。但是，隨著我國高等教育快速擴(kuò)張，原以行業(yè)院校為主開設(shè)面向行業(yè)服務(wù)的學(xué)科專業(yè)也在綜合性大學(xué)紛紛開設(shè)。而行業(yè)院校因不具備綜合性大學(xué)的綜合實(shí)力在引智和集聚其他優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源方面的優(yōu)勢，使行業(yè)院校面臨巨大挑戰(zhàn)。行業(yè)院校要提升核心競爭力，就必須擅于分析、發(fā)掘自身所具有的優(yōu)勢，擅于構(gòu)筑、強(qiáng)化別人難以模仿的自身特色。保持特色是行業(yè)院校的生存之本[3]。在課程體系上，應(yīng)建立起與行業(yè)緊密相關(guān)的互相促進(jìn)、互相補(bǔ)充、互為依托的課程群，形成有別于非行業(yè)院校的特有的教學(xué)內(nèi)容。為此，各行業(yè)院校紛紛開設(shè)獨(dú)具特色的專業(yè)課，以滿足行業(yè)需要。那么，作為基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課如何與特色結(jié)合，是行業(yè)院校需要研究的問題。通過多年的教學(xué)實(shí)踐，本文以《數(shù)字電子技術(shù)》為例，談?wù)勗趯I(yè)基礎(chǔ)課中特色內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

二、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)目標(biāo)

學(xué)院是以信息安全為特色的行業(yè)院校，在學(xué)科發(fā)展和教學(xué)內(nèi)容中以信息安全為重要依托?！稊?shù)字電子技術(shù)》是一門理論性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[4]，是高等學(xué)校電氣信息類專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是學(xué)習(xí)后續(xù)微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理、電子測量與儀器、EDA技術(shù)等與硬件密切相關(guān)課程的前導(dǎo)和橋梁課程。《數(shù)字電子技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容和知識點(diǎn)都相對成熟，從基本的門電路到組合邏輯電路，再到時(shí)序邏輯電路。要從更改教學(xué)內(nèi)容和知識點(diǎn)方面體現(xiàn)學(xué)院辦學(xué)特色相對困難。因此，只能從知識點(diǎn)的應(yīng)用著手，引入特色教學(xué)實(shí)例。

圖1 傳統(tǒng)講解方式中的例題

三、特色教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)

（一）移位寄存器特色教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)

移位寄存器是時(shí)序邏輯電路的一種重要器件。在傳統(tǒng)教學(xué)方式中，講解主要從普通寄存器開始，進(jìn)一步講解移位寄存器基本功能，再以74194為例介紹雙向移位寄存器，最后以《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》（閻石主編）教材中的例6.3.1為例介紹移位寄存器在數(shù)據(jù)運(yùn)算方面的應(yīng)用。例題中（如圖1）由4個(gè)移位寄存器和2個(gè)加法器，根據(jù)輸入波形求最終的輸出Y。這個(gè)題目中主要考核雙向移位寄存器控制端的功能，還考核右移一位相當(dāng)于數(shù)據(jù)乘2，最后考核加法器的概念。從考核各知識點(diǎn)的角度，這個(gè)例題是一個(gè)非常經(jīng)典的例題，在很多高校講解數(shù)字電子技術(shù)中都采用這個(gè)例題。

但是，這個(gè)例題中并不能突出移位寄存器在學(xué)院特色中的應(yīng)用。因此，從密碼學(xué)的角度設(shè)計(jì)了圖2中的例題，例題中由5個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器，將Q1與Q4的輸出通過異或門反饋到串行進(jìn)位輸入端，構(gòu)成了基于線性移位寄存器的m序列，特征多項(xiàng)式為p(x)=1+x+x4。通過這個(gè)例題將密碼學(xué)中m序列的概念引入到基礎(chǔ)課中，并且與移位寄存器相結(jié)合。讓學(xué)生將來學(xué)習(xí)密碼學(xué)課程時(shí)對這個(gè)設(shè)計(jì)有更深的理解。

（二）存儲(chǔ)器特色教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)

在數(shù)字電子技術(shù)課程中半導(dǎo)體存儲(chǔ)器章主要講解只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）的各種類型、工作原理和特點(diǎn)。此外，還講述存儲(chǔ)器擴(kuò)展存儲(chǔ)容量的連接方法和用存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)組合邏輯電路。教材中用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的例題為設(shè)計(jì)一個(gè)八段字符顯示的譯碼器，這個(gè)例題與學(xué)院特色也沒有聯(lián)系。通過研究專業(yè)課程體系，發(fā)現(xiàn)后續(xù)課程中涉及到DES（Data Encryption Standard）和AES（Advanced Encryption Standard）算法中的S盒與存儲(chǔ)器可以結(jié)合。

表1 serpent加密算法S盒

圖2 m序列例題設(shè)計(jì)

DES和AES算法屬于分組密碼算法，其中S盒是非線性結(jié)構(gòu)，是整個(gè)算法的安全性所在[5]。S盒的功能就是一種簡單的“代替”操作。一個(gè)n輸入、m輸出的S盒所實(shí)現(xiàn)的功能是從二元域GF(2)上的n維向量空間到二元域GF(2)上的m維向量空間的映射：GF(2)n—＞ GF(2)m，該映射被稱為S盒代替函數(shù)。S盒在實(shí)際硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)也往往使用存儲(chǔ)器或查找表的方式實(shí)現(xiàn)。因此，可以將S盒的設(shè)計(jì)引入到課堂教學(xué)中，利用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的功能，采用點(diǎn)陣圖的方式實(shí)現(xiàn)S盒，將數(shù)字電子技術(shù)中傳統(tǒng)的知識點(diǎn)與信息安全特色相結(jié)合。當(dāng)然，實(shí)用的S盒都是多位輸入多位輸出的，用點(diǎn)陣圖的方式描述會(huì)比較復(fù)雜。因此，在課堂上利用比較簡單的serpent加密算法的其中一個(gè)S盒舉例[6]（如表1）。

圖3 S盒的點(diǎn)陣圖

serpent加密算法采用的是4×4的S盒，根據(jù)S盒的替換功能，可以采用地址線為4、字線為16、位線為4、存儲(chǔ)量為64的存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)該S盒，用點(diǎn)陣圖表示為圖3。

當(dāng)然也可以用硬件描述語言來描述這個(gè)S盒，以Verilog HDL語言的case語句可描述為：

四、總結(jié)

以數(shù)字電子技術(shù)課程中寄存器和存儲(chǔ)器兩個(gè)傳統(tǒng)知識點(diǎn)為例，介紹了特色教學(xué)實(shí)例的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：1）將傳統(tǒng)的教學(xué)知識點(diǎn)與學(xué)院特色相結(jié)合，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，理解基礎(chǔ)課中的教學(xué)知識點(diǎn)；2）加強(qiáng)了專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課知識點(diǎn)之間的貫通，幫助學(xué)生了解后續(xù)專業(yè)課程中的教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)然，在其他專業(yè)基礎(chǔ)課中特色教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)的方法也有很多可以借鑒的地方，需要教師去做大量探討和研究。

[1]李文冰.行業(yè)特色院?？茖W(xué)發(fā)展的路徑選擇[N].光明日報(bào):理論版,2010-04-09.

[2]李文冰.行業(yè)特色院校立地服務(wù)能力研究[J].中國高教研究,2011(11):75-77.

[3]高樹仁.行業(yè)院校特色化發(fā)展態(tài)勢與戰(zhàn)略選擇[J].現(xiàn)代教育管理,2010(11):26-28.

[4]劉燁,鄭學(xué)恩.應(yīng)用型本科專業(yè)《數(shù)字電子技術(shù)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào),2011,3(7):194-195.

[5]李聲濤.分組密碼中S盒的設(shè)計(jì)與分析[D].長沙:國防科技大學(xué),2004.

[6]劉亞.分組密碼Serpent的差分分析[D].山東:山東大學(xué),2010.