陳 微，譚春嬌，唐玉華，吳明飛，王志英

（1.國防科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.國防科技大學(xué) 教務(wù)處，湖南 長沙 410073）

0 引 言

數(shù)字系統(tǒng)作為電子計算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是計算機(jī)硬件課程系列的專業(yè)核心課程。當(dāng)前，培養(yǎng)計算機(jī)系統(tǒng)能力成為各院校計算機(jī)專業(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)計的軟硬件貫通人才成為后PC 時代計算機(jī)專業(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的掌握和少量課程大作業(yè)的實踐，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的課程實驗體系和有效的實驗過程管理。學(xué)生難以將理論知識與實踐相結(jié)合，數(shù)字系統(tǒng)的實際動手開發(fā)能力沒有得到有效的鍛煉。作為實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，在邊學(xué)邊干中展開教學(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)計能力的教學(xué)目的。

1 課程的地位與特點

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)計以及計算機(jī)原理的基礎(chǔ)上，對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)知識進(jìn)行系統(tǒng)講解，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程，如嵌入式系統(tǒng)、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、VLSI 設(shè)計等打下必要的基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)字系統(tǒng)在計算機(jī)專業(yè)課程體系中的地位

課程的教學(xué)目標(biāo)是要從基礎(chǔ)知識的角度講解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的相關(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)計中的有關(guān)概念，使學(xué)生了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計過程、主要指導(dǎo)原則及關(guān)鍵技術(shù)，并輔以相關(guān)實例，從而建立全局、整體的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計觀念。另一方面，課程重在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，即實際設(shè)計和開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的能力，因此該課程涉及的知識面廣、內(nèi)容多、實踐要求高。

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，科學(xué)系統(tǒng)地設(shè)置理論教學(xué)和實踐教學(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)計和開發(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

數(shù)字系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容一般包括理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上需要達(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)計的基本方法與流程；②邊學(xué)邊干，培養(yǎng)實踐動手能力，能夠自主設(shè)計一定規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)；③滿足不同學(xué)生知識與實踐層次的學(xué)習(xí)需求。

2.1 理論教學(xué)設(shè)計

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)計的多個層面如表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)計的基本概念、主流技術(shù)等，使學(xué)生建立起對現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計主要技術(shù)和手段的基本認(rèn)識。硬件描述語言主要介紹Verilog 硬件描述語言的基本概念、語法和規(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。組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設(shè)計是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的核心，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、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)計算模型及其在系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中常用的衍生方式等。在掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計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)計中典型的故障檢測方法和可測性設(shè)計。通過理論課程的學(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)計方法和流程。

2.2 實踐教學(xué)設(shè)計

實踐教學(xué)對于數(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)時實驗講解課以及2 學(xué)時實驗輔導(dǎo)課，實踐教學(xué)內(nèi)容由與課程授課進(jìn)度配套的課堂實驗和最后的綜合實驗兩部分組成。

2.2.1 課堂實驗

目前，本課程共設(shè)計12 個課堂實驗，分為示范性實驗、觀察性實驗以及設(shè)計性實驗3 個層次，與理論教學(xué)相配合，讓學(xué)生邊學(xué)邊干，實現(xiàn)理論和實踐的結(jié)合。每章所配套的課堂實驗數(shù)量見表1。表2 給出了這些課堂實驗與各知識點的對應(yīng)關(guān)系。

表2 課堂實驗安排

實驗1 為示范性實驗，使學(xué)生熟悉實驗平臺，初步掌握EDA 工具的使用方法與步驟。實驗2 至實驗6 為觀察性實驗，配合第二章“硬件描述語言”展開。實驗7 至實驗11 為設(shè)計性實驗，要求學(xué)生根據(jù)理論課程中所學(xué)的方法，設(shè)計滿足實驗要求的組合邏輯或時序邏輯電路，用硬件描述語言描述，通過仿真驗證，在實驗平臺上下載實現(xiàn)。實驗7 至實驗11 的實驗案例，都是較為典型的組合邏輯電路和時序邏輯電路。實驗12 也是設(shè)計性實驗，與第四章“可編程邏輯器件”相配合。前序?qū)嶒炛校瑢W(xué)生用硬件描述語言描述數(shù)字系統(tǒng)，驗證通過后編程下載至實驗平臺上。事實上，實驗平臺本身提供了許多現(xiàn)成的IP核（如算術(shù)功能單元、時鐘模塊、I/O 接口模塊、存儲器模塊等）供集成在各類數(shù)字系統(tǒng)中。IP 核的使用可以實現(xiàn)設(shè)計重用，縮短數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)周期。因此，通過實驗12，學(xué)生能進(jìn)一步掌握IP 核集成等數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的重要方法。

12 個課堂實驗，由淺入深、由簡到難，內(nèi)容上環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，前面的實驗為后面的實驗打基礎(chǔ)。例如，通過數(shù)碼管譯碼器實驗，學(xué)生掌握了數(shù)碼管的顯示控制方法；在計數(shù)器實驗中，學(xué)生在數(shù)碼管顯示的基礎(chǔ)上擴(kuò)展，加入計時控制部分，從而實現(xiàn)按一定的時間間隔計數(shù)；通過交通燈實驗，學(xué)生掌握多個數(shù)碼管的輪流或分時顯示；前序?qū)嶒灥耐瓿煞纸饬藬?shù)字鐘實驗的難度，而課堂實驗的完成也為后續(xù)綜合實驗的完成提供了保障。

2.2.2 綜合實驗

在理論課程和課堂實驗的基礎(chǔ)上，通過綜合實驗全面考查和提升學(xué)生的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力。綜合實驗要求學(xué)生利用課后時間在實驗平臺上設(shè)計實現(xiàn)一個具有一定難度和規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)，并在實驗平臺上調(diào)試通過。

為了提高學(xué)生的興趣，課程可以提供2 個綜合實驗項目供學(xué)生選擇，如數(shù)字萬年歷、貪吃蛇游戲。為了滿足對學(xué)生不同能力水平的考核，綜合實驗的實驗指導(dǎo)書中明確給出不同成績等級所要求實現(xiàn)的實驗功能。在課程提供的綜合實驗項目之外，學(xué)生也可以自己命題，自主設(shè)計難度和規(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。

在綜合實驗的實驗指導(dǎo)書中，教師給出實驗功能要求、注意事項以及評分標(biāo)準(zhǔn)。理論課程第5 章—第7 章中介紹的方法與技術(shù)，也被要求靈活運用在綜合實驗中。學(xué)生根據(jù)所選實驗項目的具體要求進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計以及模塊設(shè)計，然后進(jìn)行硬件代碼的開發(fā)、調(diào)試和系統(tǒng)實現(xiàn)。最后要求學(xué)生提交的實驗作業(yè)包括實驗源代碼以及詳細(xì)的實驗報告。完整的實驗報告包括需求分析、總體設(shè)計、模塊設(shè)計、運行結(jié)果、難點和問題分析、總結(jié)等內(nèi)容。

2.2.3 實驗平臺

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)計實現(xiàn)方法，但課程的重點在于基于EDA 工具和硬件描述語言的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)技術(shù)。因此，課程實驗均在基于可編程邏輯器件的實驗平臺上展開。實驗平臺選擇的依據(jù)有：①采用主流廠商的可編程邏輯器件，支持主流商用的EDA 開發(fā)工具；②滿足課堂配套實驗和綜合實驗的需求；③自帶豐富的接口，便于各種趣味實驗的展開，為學(xué)生自主設(shè)計實驗項目提供資源保證；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)行平臺擴(kuò)展，滿足后續(xù)擴(kuò)展實驗的需求；⑤具有較高的性價比，保證每個學(xué)生都能有一套口袋實驗室隨時進(jìn)行實踐鍛煉?；谏鲜鲆?，課程選用一款入門級的實驗開發(fā)板，如圖2 和圖3 所示。

圖2 實驗開發(fā)板外觀

圖3 實驗開發(fā)板主要模塊與接口

該實驗開發(fā)板選用Xilinx 公司的Spartan6系列的XC6SLX9，同時配置64Mbit 的RAM 和32Mbit 的Flash 資源，以確保資源使用的裕度。表3 為實驗板載的基本資源。該實驗開發(fā)板支持多種層次的實驗需要，本課程所有的課堂配套實驗以及綜合實驗均在該實驗平臺上完成。作為入門級的實驗開發(fā)板，與此開發(fā)板功能類似的實驗平臺有很多可供選擇，性價比都較高，適合供學(xué)生人手一塊進(jìn)行課堂和課后練習(xí)。

表3 實驗開發(fā)板資源

3 課程管理與考核

很多教師抱怨學(xué)生對實驗課不重視，抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，實踐教學(xué)效果不理想。部分學(xué)生的學(xué)風(fēng)和學(xué)習(xí)態(tài)度固然存在一定問題，但作為教師，應(yīng)該更多地從自身找問題，從教學(xué)本身找原因。完善實驗管理過程，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)實驗過程管理

實驗系列教師缺乏、助教制度不完善是國內(nèi)院校普遍存在的問題。不少課程的實驗課都是交由助教講課或輔導(dǎo)，而不是由主講教師或是專門的實驗教師承擔(dān)。很多助教都是研究生，沒有經(jīng)過專門的教學(xué)培訓(xùn)，缺乏教學(xué)經(jīng)驗。有的助教本身對所輔導(dǎo)的課程并不精通，更有甚者是抱著學(xué)習(xí)一門課的目的來當(dāng)助教。因此，實踐教學(xué)師資力量的薄弱，必然影響到實踐教學(xué)質(zhì)量。教師對實踐教學(xué)的不重視，必然導(dǎo)致學(xué)生對實踐學(xué)習(xí)的不重視。

目前，本課程的實踐教學(xué)由主講教師親自擔(dān)任。課程主講教師在從事過大型工程開發(fā)任務(wù)、具有豐富的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的教師中選拔。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)專業(yè)背景或具有相關(guān)工程開發(fā)經(jīng)驗的高年級研究生擔(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)效果來看，完善實驗過程管理，加強(qiáng)實驗教學(xué)的師資力量，可以有效提高實踐教學(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，堅持“過程大于結(jié)果”的理念。本課程考核項目及比重為：理論考核占40%，課堂實驗7 至實驗11 各占5%（共計25%），綜合實驗占30%，平時成績占5%，實驗考核的比重大大增加。課程強(qiáng)化對學(xué)生的過程性評價，一方面增加對課堂實驗的考核，另一方面綜合實驗考核明確給出成績等級。因為學(xué)生的能力彼此不同，有的學(xué)生難以完全獨立設(shè)計實現(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)生會因為畏難情緒而放棄動手嘗試實驗。因此，從簡單的實驗入手并考核，可以鼓勵學(xué)生進(jìn)行實踐嘗試，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的進(jìn)步也是鼓勵。

在實驗實施過程中，鼓勵學(xué)生相互討論和分享經(jīng)驗。但討論之余必須獨立完成實驗并參加實驗驗收。實驗驗收由主講教師或助教與學(xué)生一對一開展。驗收過程中，學(xué)生要描述所設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的功能、解釋部分代碼。這種驗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)課程教改實施2 年以來，教學(xué)成效顯著：①學(xué)生實踐能力得到了較大的提高，課堂實驗獨立完成率達(dá)到97%，綜合實驗獨立完成率達(dá)到94%，各層次的學(xué)生在動手能力培養(yǎng)方面都有收獲；②學(xué)生理論課成績大幅提高，經(jīng)過了大量實踐鍛煉，學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，由被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀伎紗栴}；③培養(yǎng)了一批硬件愛好者，在綜合實驗部分，不少學(xué)生加入了自己的理解和創(chuàng)新，設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)也是奇思妙想、精彩紛呈。

5 結(jié) 語

數(shù)字系統(tǒng)課程的地位和特點決定了實踐教學(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)和實踐教學(xué)相結(jié)合，是提高教學(xué)質(zhì)量的有效手段。實踐證明，合理設(shè)置與理論課程緊密配合的實驗內(nèi)容，對于學(xué)生全面深入掌握課程內(nèi)容，積累工程經(jīng)驗，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力、培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識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)新實驗內(nèi)容和實驗?zāi)Ｊ剑绾我?guī)劃銜接好上下游課程之間的實驗內(nèi)容和實驗平臺，也是課程需要重點考慮的問題。