張 峰

(西安石油大學 計算機學院,西安 710065)

“數(shù)字電子技術”課程是計算機和電子信息類專業(yè)重要的基礎課,學生從這門課程開始接觸計算機硬件邏輯思維,學習計算機硬件單元的結(jié)構(gòu)和工作原理[1]。“數(shù)字電子技術”(簡稱“數(shù)電”)具有較強的理論性、實踐性[2],與其他課程有很強的關聯(lián)性,起著承上啟下的作用[3]。

以培養(yǎng)面向“新工科”具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的人才為目標的數(shù)電教學改革,應該突出對學生創(chuàng)新意識[4]和實踐能力的培養(yǎng),不僅要強調(diào)知識的學習,以獲得寬厚的理論知識基礎,還要及時跟蹤現(xiàn)代電子技術發(fā)展的最新成果[5]。

目前數(shù)電教學中存在的一個重要問題是,由于課程屬于專業(yè)基礎課,部分教師認為很難將課程內(nèi)容與實際的創(chuàng)新活動結(jié)合起來,認為學生在學習后續(xù)更專業(yè)的課程后才能進行有效的創(chuàng)新,這就造成了學生學習能動性的降低。針對這種現(xiàn)象,西安石油大學計算機學院采取了線上線下混合式教學方法,針對數(shù)電課程的教學設計從五個方面進行了探索,取得了一些經(jīng)驗。

1 教學設計

1.1 突出重點、與時俱進組織教學內(nèi)容

選取了國內(nèi)外的五本教材進行對照分析,分別是:王毓銀的《數(shù)字電路邏輯設計》[6]、MANO M.Morris的《數(shù)字設計》[7]、楊頌華的《數(shù)字電子技術基礎》[8]、韓焱的《數(shù)字電子技術基礎》[9]以及康磊的《數(shù)字電路設計及Verilog HDL實現(xiàn)》[10]。這些教材各具特色,但均包含數(shù)值編碼、邏輯函數(shù)表達及化簡、組合邏輯分析及設計、時序邏輯分析及設計、可編程邏輯器件介紹等核心內(nèi)容。王毓銀的教材側(cè)重基本概念和方法,以中、小規(guī)模集成電路的基礎理論、基本電路和分析、設計方法為重點。同時考慮到數(shù)字技術的飛速發(fā)展,新增加了可編程邏輯器件(Program Logic Device,PLD)的內(nèi)容,主要介紹了PLD的工作原理和典型結(jié)構(gòu),并簡單介紹了應用這些器件進行數(shù)字設計的開發(fā)過程。楊頌華的教材與王毓銀相比,對數(shù)字邏輯門和觸發(fā)器僅介紹其外部特性,對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路的分析、計算做了大量精簡。為了與數(shù)字電路最新的設計手段接軌,增加了VHDL語言介紹和VHDL數(shù)字系統(tǒng)設計實例兩章內(nèi)容。MANO M.Morris的《數(shù)字設計》側(cè)重基本概念,但在邏輯電路設計部分增加了采用Verilog HDL語言設計電路的內(nèi)容,時序電路設計分為同步時序和異步時序電路設計。此外,該書還特別增加了20項以74系列集成電路為基礎的實驗內(nèi)容。韓焱的《數(shù)字電子技術基礎》弱化了門電路和觸發(fā)器級電路的分析和設計,強化了基于VHDL語言的數(shù)字電路分析和設計方法?？道诘摹稊?shù)字電路設計及Verilog HDL實現(xiàn)》以數(shù)字電路設計原理為主線,系統(tǒng)闡述了采用Verilog HDL語言設計電路的內(nèi)容。組合邏輯和時序邏輯部分,對采用分立元件、中規(guī)模集成電路和Verilog HDL語言進行電路設計的方法進行了對比和分析,同時還介紹了幾種基于Verilog HDL的典型數(shù)字系統(tǒng)設計實例。

西安石油大學計算機學院數(shù)電課程安排46個理論學時和10個實驗學時。為使學生能在有限的理論學時中較好地掌握課程基礎原理和設計方法,對教學內(nèi)容進行了系統(tǒng)分析,內(nèi)容組織突出基礎,強調(diào)實踐。在緒論部分重點講述數(shù)字信號、數(shù)制和編碼,要求學生重點掌握邏輯代數(shù)及化簡方法?？紤]到數(shù)字電路目前普遍采用硬件描述語言設計,為與時俱進,弱化了邏輯門電路底層原理的講述,將節(jié)省的學時用于介紹應用面更廣的Verilog HDL語言。組合邏輯和時序邏輯分析、設計為本教學重點,考慮到目前應用中板卡時鐘頻率可以做得很高,同步時序電路的分析和設計更為可靠和高效,因而在時序邏輯教學中僅講述同步時序邏輯分析及設計方法。為了使學生在學習完基礎理論后,能夠具有一定的數(shù)電開發(fā)能力,新增加了Quartus II開發(fā)簡介、現(xiàn)場可編程門陣列介紹等內(nèi)容。

1.2 調(diào)動學生學習興趣,開發(fā)教學演示教具

在“數(shù)字電子技術”課堂的教學中,為了提高學生的掌握程度,最好的辦法莫過于讓其“眼見為實,邊講邊練”。為此,針對1.1節(jié)部分的教學重點內(nèi)容,精心設計了14個演示程序,分別是:①二進制和BCD碼相互轉(zhuǎn)換演示;②二進制和循環(huán)碼相互轉(zhuǎn)換演示;③門電路演示;④全加器演示;⑤編碼器演示;⑥優(yōu)先級編碼器演示;⑦譯碼器演示;⑧數(shù)據(jù)選擇器演示;⑨數(shù)據(jù)分配器演示;⑩比較器演示;二進制轉(zhuǎn)換為7段數(shù)碼管顯示演示;狀態(tài)機演示;8位二進制計數(shù)器演示;分頻器演示。如圖1所示,是為數(shù)電教學所設計的部分演示教具,該系列教具采用面包板和教材[10]中所涉及的中規(guī)模集成電路(Medium Scale Integration,MSI)芯片,用充電寶供電,可在教室內(nèi)任意位置隨意演示,非常方便。MSI芯片是數(shù)電課程的重點內(nèi)容,也是研究生入學考試數(shù)電的考試重點,這部分內(nèi)容涉及多個MSI芯片,內(nèi)容較多且比較零散,使用MSI教具大大調(diào)動了學生的求知欲,顯著提高了教學效率。

圖1 數(shù)字電路教學中所使用的部分MSI教具

另外一組教具以FPGA芯片結(jié)合Verilog HDL硬件描述語言為表現(xiàn)形式,FGPA芯片采用EP4CE6,板上資源包含數(shù)字電路教學中使用的各種常見器件如按鍵、撥碼開關、LED燈、數(shù)碼管、蜂鳴器及ROM/RAM等。以門電路教學為例展示FPGA教具的使用。門電路屬于數(shù)電最基礎的內(nèi)容,也是學生最先接觸的教學內(nèi)容。這部分教學內(nèi)容,大部分學生都可以在課堂上掌握,此階段學生更關心如何實現(xiàn)這些功能。如果從晶體管底層原理講如何實現(xiàn)非門、與門,雖然部分學生可以更深入地了解電路底層的工作原理,但對大部分學生來講增加了理解的難度,可能會挫傷學生進一步學習的欲望。從頂層出發(fā),直接講述在Verilog HDL中如何實現(xiàn)這些門功能,并且通過演示程序直接讓學生看到這些門功能,同樣可以使學生理解門電路的邏輯功能,并且更為直觀。如圖2所示的Verilog HDL代碼實現(xiàn)了所有的常用門的功能,使用撥碼開關控制門電路輸入管腳的電平,門輸出的電平直接驅(qū)動LED指示燈。課堂演示中,在演示之前先在黑板上指定撥碼開關的狀態(tài),讓學生從邏輯上分析各個門的輸出電平。學生分析完成后,再使用演示教具設置撥碼開關狀態(tài),學生通過各個位置的LED狀態(tài)判斷自己之前的分析是否正確。這個演示程序總共設計了8種門,使用了4個撥碼開關,8個LED燈,涵蓋了門電路部分的所有教學內(nèi)容,演示時間僅需10 min左右。

圖2 門電路演示程序

1.3 課后作業(yè)和上機實驗結(jié)合,提高上機效率

大三學生課業(yè)負擔重,課余時間忙于準備各種實驗,完成各門課程的課外作業(yè),難免心力不足。導致的情況是,作業(yè)質(zhì)量不高,上機實驗前準備不足。實驗課機時一般為2～3個學時,部分學生難以在實驗機時內(nèi)完成實驗。因此,學院將課后作業(yè)與上機實驗相結(jié)合,提高了作業(yè)和實驗內(nèi)容的覆蓋率,使學生在完成作業(yè)的過程中即為實驗完成了理論分析或代碼設計。本文設計了4個實驗,分別是①密碼鎖設計(2學時);②病房呼叫系統(tǒng)(3學時);③代碼檢測器(3學時);④加減可控計數(shù)器設計(2學時)。其中,實驗①和實驗②涵蓋了組合電路設計的所有內(nèi)容,例如比較器、編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇分配器、七段數(shù)碼顯示器等。這些內(nèi)容在課后作業(yè)中都有涉及,不過是分散的,實驗其實就是一個綜合的課后作業(yè)。這樣學生在完成作業(yè)時就提高了興趣,因為作業(yè)的結(jié)果最終還要在實驗箱上驗證,也提高了上機效率,大部分的學生都可以在上機時間內(nèi)完成實驗設計。

1.4 課后作業(yè)量少次多,保證學習狀態(tài)不掉線

新冠疫情爆發(fā)后,各個機構(gòu)都在積極推廣線上教學平臺,這些平臺功能豐富且可以免費提供教師使用。學校的教務部門也在積極協(xié)調(diào)組織在線教學平臺的培訓活動,支持教師開展在線教學活動。趁此機遇,第一時間將之前積累的教學資源向超星學習通平臺(簡稱平臺)上轉(zhuǎn)移,完成了在平臺上數(shù)字電子技術課程建課工作。目前,數(shù)電課程已經(jīng)在學習通上線試運行兩年,期間選課學生有中國學生6個班,留學生1個班,總計175人。課程創(chuàng)建作業(yè)和試題總計538題(作業(yè)題目296題,試卷試題242題),累計創(chuàng)建作業(yè)24份。兩年間累計發(fā)布作業(yè)38次3267份(2020-2021學年發(fā)布1557份,2021-2022學年發(fā)布1710份),學生總計提交作業(yè)3154份(2020-2021學年提交1531份,2021-2022學年提交1623份),2020-2021學年作業(yè)平均成績85.50分,2021-2022學年作業(yè)平均成績88.32分;作業(yè)提交率為96.54%。

為了促進學生課前預習,在最終的成績評價中加入了對課前預習環(huán)節(jié)的考核。平臺中上傳了數(shù)電的教學參考資料,包括《數(shù)字電子技術》參考教材電子版、教學課件、Quartus及Multisim軟件安裝包及使用方法簡介、數(shù)電教學中涉及的MSI芯片手冊、數(shù)電實驗教案及指導書等共計76個。學生可在課前預習這部分內(nèi)容,平臺自動統(tǒng)計預習時長作為考核依據(jù)。學生在課程進行期間,始終在訪問平臺進行預習,尤其在每周兩次課前存在明顯的集中預習情況。兩年間學生總計在平臺進行章節(jié)預習次數(shù)18776次,平均每名學生在課程進行期間訪問平臺進行課前預習107次,每次平均訪問時長約15 min。

1.5 課程、課設、畢設、科研四位一體推進

數(shù)電作為核心基礎課程,如能采取系統(tǒng)性的教學設計必會取得事半功倍的效果。在教學過程中,除了上述環(huán)節(jié)的工作,還采用了項目導向(Problem Based Learning,PBL)教學法。以核心知識點計數(shù)器為例,在該知識點授課前在平臺發(fā)布了基于MSI計數(shù)芯片和面包板采取不同的設計方法設計計數(shù)器的線下設計任務。線下設計任務的完成情況由學生提交圖片或視頻給授課教師進行考核,考核結(jié)果計入課程平時成績。如圖3所示為學生在課后結(jié)合教材進行計數(shù)器電路設計、制作以及學生部分設計作品展示。作為數(shù)電的主講教師,同時又負責EDA技術和通信系統(tǒng)綜合兩門課程設計的指導工作,這就給數(shù)電課程教學提供了進一步深入探索的實踐機遇。在這兩門課設的題目設計中,有意識地增加了一部分數(shù)電課程的拓展內(nèi)容。①以數(shù)電的重點、難點為抓手,在課程設計里面加入了側(cè)重編碼、譯碼知識點的偽隨機碼發(fā)生器、漢明碼編碼器、Gold碼、循環(huán)冗余校驗電路設計等題目;②側(cè)重計數(shù)/分頻器知識點的頻率計、出租車計價器、電子表、萬年歷、電子琴設計等題目;③側(cè)重A/D轉(zhuǎn)換知識點的數(shù)字電壓表、數(shù)據(jù)采集模塊設計等題目;④側(cè)重D/A轉(zhuǎn)換和ROM存取知識點的信號發(fā)生器、樂曲演奏電路設計等題目。

圖3 學生進行計數(shù)器設計制作及部分作品展示

除課設外,畢設是本科生能夠集中投入時間最長的教學環(huán)節(jié)。因此,將A/D轉(zhuǎn)換、譯碼顯示、計數(shù)/分頻等知識點融合到畢設題目中,取得了良好的效果。以2013年前后PM2.5檢測這一熱點問題為例,連續(xù)三年設計了數(shù)個畢設題目以開展對這一熱點問題的研究。如圖4所示為針對這一問題的部分成果,第一屆學生完成了空氣PM2.5檢測和天然氣泄漏檢測原理樣機,第二屆學生自行設計了印制電路板,完成了第一代樣機,第三屆學生進一步優(yōu)化電路,完成了公交卡大小、自帶鋰電池、USB充電的便攜式空氣PM2.5檢測、天然氣及硫化氫泄漏檢測等系列作品。

圖4 空氣質(zhì)量檢測類畢設作品展示

另外,將科研項目的研究問題進行適當切分,結(jié)合課程的知識點設計相應的題目,也是一個可行的教學設計方案。這種方案更容易吸引感興趣的本科生參與完成。如圖5所示,第一行為科研項目中劃分出的一個題目,主要目標是完成阻抗測量,具體對應到“數(shù)字電子技術”課程的知識點主要為A/D采樣、正弦表格ROM存取、液晶顯示。參與該題目的學生首先開發(fā)了一個單通道的阻抗測量裝置原理樣機,然后進一步設計PCB,完成了第一代樣機的開發(fā)。第二行為來自油田生產(chǎn)中的一個技術問題,主要目標是測量油田注水中的溶解氧含量,具體對應到“數(shù)字電子技術”課程的知識點主要為計數(shù)/分頻、液晶顯示。參與該題目的學生首先開發(fā)了一個溶解氧測量裝置原理樣機,然后進一步設計PCB,完成了第一代樣機的開發(fā),該溶解氧測量方法和裝置已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。四位一體系統(tǒng)推進的教學設計不僅給學生創(chuàng)造了實踐機會,而且加深了學生對于“數(shù)字電子技術”課程核心知識點的理解,更為重要的是這些成果同時還為課程教學提供了第一手的珍貴素材。

圖5 結(jié)合科研項目進行知識點綜合應用及部分作品展示

2 教學評價

“數(shù)字電子技術”的教學過程,采取了系統(tǒng)的教學設計方法,這些方法既包括線下教學活動的設計,也包括最近兩年開始的線上平臺教學內(nèi)容的建設。對于上述教學環(huán)節(jié)的綜合評價,以西安石油大學高教研究與評估中心的學生評教進行簡單說明。學校高評中心一直非常關注教學運行情況,每學期都會組織學生對每門課程進行匿名評價,并向院系反饋學生評教結(jié)果。教學質(zhì)量評價包括教學內(nèi)容、方法、態(tài)度及效果4類共計13個問題。如表1所示,為“數(shù)字電子技術”課程以來歷年學生評教成績匯總。

表1 “數(shù)字電子技術”課程歷年學生評教成績

3 結(jié)語

通過在教學設計中精心組織教學內(nèi)容,設計配套演示教具,增強實驗教學針對性,少量多次布置課后作業(yè),突出過程評價以及四位一體系統(tǒng)推進,有效提高了教學效果。未來,還需在以上工作基礎上,進一步加強的綜合性,使“數(shù)字電子技術”、EDA課程設計、通信系統(tǒng)綜合課程設計以及畢業(yè)設計、科研活動形成一個綜合體系,更好地促進學生數(shù)字電路綜合設計能力的提高。