李東勤，徐勇，常郝

（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，蚌埠 233030）

0 引言

人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、社會(huì)服務(wù)、文化傳承創(chuàng)新、國(guó)際交流與合作是高等教育五大基本功能，但人才培養(yǎng)是最基礎(chǔ)、最核心、最根本的任務(wù)。我們要堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為根本任務(wù)，要把立德樹(shù)人的成效作為檢驗(yàn)學(xué)校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)代的發(fā)展與變化催生了新技術(shù)加速興起，人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、基因工程、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算正在引領(lǐng)科技、應(yīng)用和社會(huì)進(jìn)入智能時(shí)代。時(shí)代的發(fā)展對(duì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，能夠掌握計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同工作機(jī)制和基本運(yùn)行原理，具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層面的認(rèn)知與設(shè)計(jì)能力，能站在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高度來(lái)考慮問(wèn)題和解決問(wèn)題，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力[1-3]。

為了推動(dòng)國(guó)內(nèi)高校在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的教學(xué)改革，2010年教育部計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“教指委”）專(zhuān)門(mén)成立了“計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)”研究項(xiàng)目組。在教指委的指導(dǎo)和推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)許多高校開(kāi)始重視計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面的教學(xué)，積極探索和實(shí)踐系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式[4-6]。

我校于2018年5月入選教指委高等院校系統(tǒng)能力培養(yǎng)第三批試點(diǎn)校。作為一所省屬高校，我們也在積極探索具有特色的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)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(diǎn)介紹《數(shù)字電子技術(shù)》課程的改革思路和成效，重點(diǎn)考慮與后續(xù)課程（例如計(jì)算機(jī)組成原理）的銜接和關(guān)聯(lián)。

1 數(shù)字電子技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置

我校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式中，硬件類(lèi)課程群建設(shè)主要涉及數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)和編譯原理等五門(mén)硬件類(lèi)核心課程。《數(shù)字電子技術(shù)》課程在整個(gè)硬件類(lèi)課程群中位于最底層，是基礎(chǔ)核心內(nèi)容，具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和工程性，可以為后續(xù)課程提供很強(qiáng)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)[7-8]。

自從我校實(shí)行大類(lèi)招生以來(lái)，《數(shù)字電子技術(shù)》是計(jì)算機(jī)類(lèi)學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，它是學(xué)生學(xué)習(xí)后面硬件類(lèi)課程的基礎(chǔ)。我?！稊?shù)字電子技術(shù)》課程包括理論54學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)18學(xué)時(shí)。通過(guò)學(xué)習(xí)《數(shù)字電子技術(shù)》課程，學(xué)生可以掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最底層的硬件設(shè)計(jì)，從元器件、電路到功能部件，同時(shí)設(shè)計(jì)的功能部件，例如全加器、寄存器、存儲(chǔ)器等還可以直接用到后續(xù)的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中。

2 數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)改革

針對(duì)《數(shù)字電子技術(shù)》課程只注重課程本身的完整性，缺乏從系統(tǒng)能力培養(yǎng)的角度整體優(yōu)化課程的問(wèn)題，在學(xué)習(xí)其他高校教改經(jīng)驗(yàn)后，我們因地制宜構(gòu)建具有我校特色的課程體系。改革之前《數(shù)字電子技術(shù)》課程忽略了與后續(xù)課程（例如計(jì)算機(jī)組成原理）之間的銜接，很多知識(shí)點(diǎn)在兩門(mén)課程中是重復(fù)講解。這樣既造成了時(shí)間上的浪費(fèi)，更是無(wú)法幫助學(xué)生建立完整的系統(tǒng)觀；同時(shí)我校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)沒(méi)有開(kāi)設(shè)硬件描述語(yǔ)言課程，所以學(xué)生對(duì)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)概念不是很強(qiáng)，沒(méi)有這個(gè)意識(shí)。我們?cè)凇稊?shù)字電子技術(shù)》課程開(kāi)設(shè)的同時(shí)，增開(kāi)Verilog HDL語(yǔ)言課程，目前該課程已經(jīng)由開(kāi)始的公選課變成了現(xiàn)在的必修課。通過(guò)Verilog語(yǔ)言，讓學(xué)生理解數(shù)字電路的設(shè)計(jì)原理和方法，用軟件的思路解決硬件的問(wèn)題。

在具體講解的知識(shí)點(diǎn)方面，我們根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，以《計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)規(guī)范》為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮課程銜接和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)模與難度，研究數(shù)字邏輯課程所涉及的知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)以及與后續(xù)課程之間的關(guān)系，最終建立符合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的主要知識(shí)體系。與現(xiàn)有的《數(shù)字電子技術(shù)》課程知識(shí)體系相比，更加深入講解寄存器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、有限狀態(tài)機(jī)、存儲(chǔ)器等與后續(xù)課程相關(guān)的知識(shí)模塊；同時(shí)，刪除集成電路傳輸特性、555定時(shí)器、數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。

在課堂講解過(guò)程中，通過(guò)引進(jìn)超星的“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)加強(qiáng)和學(xué)生的互動(dòng)，建立課外預(yù)習(xí)與課堂教學(xué)間橋梁，將課前-課上-課后的每一個(gè)環(huán)節(jié)都賦予全新的體驗(yàn)，最大限度地釋放教與學(xué)的能量。使用學(xué)習(xí)通，教師可以將帶有MOOC視頻、習(xí)題、語(yǔ)音的課前預(yù)習(xí)課件推送到學(xué)生手機(jī)，師生溝通及時(shí)反饋；課堂上實(shí)時(shí)答題、彈幕互動(dòng)、搶答、選人回答，為傳統(tǒng)課堂教學(xué)師生互動(dòng)提供了完美解決方案。學(xué)習(xí)通讓教與學(xué)更明了，保證教學(xué)生動(dòng)、加強(qiáng)師生間的互動(dòng)。在基本概念和原理講解的同時(shí)，我們更加注重通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)生活中的具體案例，提高學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用水平，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)合作精神。在案例選擇時(shí)，我們既考慮復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)實(shí)踐項(xiàng)目，即項(xiàng)目規(guī)模，又考慮學(xué)生的實(shí)際情況，不能打擊大二學(xué)生的積極性。

3 數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

按照我校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)考核等三個(gè)方面對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。其中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要對(duì)常用的芯片進(jìn)行功能性驗(yàn)證，主要包括基本門(mén)電路和觸發(fā)器，使學(xué)生更加理解和熟悉芯片的邏輯功能和各個(gè)引腳的作用；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要包括組合邏輯電路的設(shè)計(jì)和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)兩大塊，引導(dǎo)學(xué)生利用組合邏輯模塊與時(shí)序邏輯模塊進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)；綜合性實(shí)驗(yàn)放在學(xué)期最后，主要對(duì)課程所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的一個(gè)綜合運(yùn)用，具備一定的規(guī)模和難度。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從中獲得成就感和滿足感，更為重要的提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。我校數(shù)電實(shí)驗(yàn)課程合計(jì)18學(xué)時(shí)，共安排了八次實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)，最后一次進(jìn)行隨堂測(cè)驗(yàn)，用時(shí)2學(xué)時(shí)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

在進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于同一個(gè)設(shè)計(jì)要求，我們以探究方式引導(dǎo)學(xué)生從不同方向，利用不同芯片，給出多種設(shè)計(jì)方案。例如交通燈故障控制電路的設(shè)計(jì)，我們首先進(jìn)行項(xiàng)目的構(gòu)思。通過(guò)分析，我們從邏輯功能中抽象出三個(gè)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(gè)輸出變量Z，用1表示正常工作，用0表示出現(xiàn)了故障，需要通知維護(hù)人員前去維修。由此，得到相應(yīng)的真值表，如圖1所示。

圖1 真值表

由此可得到表達(dá)式：

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

接下來(lái)我們就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)表達(dá)式的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度考慮問(wèn)題，形成不同的設(shè)計(jì)方案。第一，利用基本的門(mén)電路實(shí)現(xiàn)，例如與或非門(mén)；第二，利用3:8譯碼器74LS138；第三，利用數(shù)據(jù)選擇器74LS153或者74LS151。對(duì)比這三種設(shè)計(jì)方案，我們發(fā)現(xiàn)第三種方案最簡(jiǎn)單，使用的芯片最少。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱上，要求學(xué)生選擇芯片進(jìn)行電路的連接和測(cè)試，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)于上面的三種設(shè)計(jì)方案，同時(shí)要求學(xué)生在EDA（Electronic Design Automation）軟件工具Xilinx的Vivado中利用Verilog語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)Xilinx的FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教改中，《數(shù)字電子技術(shù)》課程是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件系列課程的基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和工程性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生基本素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力具有舉足輕重的作用。以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)為最終目標(biāo)，根據(jù)《數(shù)字電子技術(shù)》課程特點(diǎn)以及與后續(xù)課程之間的聯(lián)系，對(duì)該課程進(jìn)行了理論教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，并取得了一定的成效。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革之路還很長(zhǎng)，也很難，但我們堅(jiān)信路雖遠(yuǎn)，行則將至；事雖難，做則必成！