技术推动下的数字电子技术课程的改革

技术推动下的数字电子技术课程的改革

杨 柳 陈 龙 牛小燕 杭州电子科技大学电子信息学院

杭州电子科技大学2015年高等教育研究资助项目（课题名称：基于数字电子技术实践课程的学生科技创新能力的培养与研究，课题编号：YB201523）。

本文概要性地介绍了现代数字电子技术的发展历程和发展趋势，从技术的进步纵观大学课程的教学现状，提出了数字电子技术实践课程应随着现代电子技术的进步，在教学、实验内容和模式上进行大刀阔斧的改革，不断朝着大规模、软硬件相结合的方向发展，极大地提高学生的科技创新能力。

数字电子技术；电子设计自动化；科技创新能力

引言

在现代应用非常广泛的电子信息系统领域内，拥有重大社会价值和经济价值的自主创新项目多数产生于数字电子技术方面——即处处离不开处理离散信息的数字电路。如所有的数字计算机、数码产品、先进的通信系统、工业控制系统、交通控制系统及洗衣机、电视机等，无一不在设计过程中用到数字电子技术。而电子信息、通信系统等学科自然将数字电子技术作为其领域的重要基础课程之一，其相应的实验课程更是提高学生动手能力和发掘创新思维的重要手段。很多高校对其课程或所用教材[1]进行了或大或小的改革，但其能否跟随时代的发展，能否满足学生步入社会或参与实践的需求，不是简单说说就可以实现的，它需要学校、教师和学生共同努力，才能真正体现其开设和存在的价值。

1.数字电子技术的发展及应用

从1947年半导体三极管的发明及真空管的诞生开始，数字电子技术一路经历了电子管、半导体分立器件、集成电路；上世纪六十年代的集成电路以双极型（即TTL）工艺为主，从小规模逻辑器件发展到中规模逻辑器件；七十年代以后，随着硅材料的出现，数字集成器件开始使用化合物半导体材料即COMS器件。随着CMOS技术的成熟，TTL的主导地位已基本被替代。而近年来，现场可编程逻辑器件FPGA[2]的出现给数字技术带来了质的飞跃，这种器件将软件和硬件相结合，运用起来不仅灵活方便、速度快，而且功能更加完善，这为电子技术开创了新局面。

数字电子技术在不断朝着高速、高集成度、多核等方向飞速发展[3]。现今网络信息技术这条高速公路的建设越来越密集，数字电子技术在其中的作用越来越关键，越来越广泛。使信号数字化、处理信号，完成信号的传输[4]等功能逐步将数字电子技术渗透到网络发展中。再如，现在单片机或PC机的应用越来越广泛，它具有可靠性高、成本低、软硬件资源丰富等特点。几乎各行各业都在应用PC机作为前端的客户机，如常见的快递公司投放在居民小区、楼宇大厦的自助快件投递机或银行营业厅里越来越多的自助设备，它们能够很好地处理联网通信、人机对话等问题。良好的人机界面几乎普及到所有的数控系统，速度更快、精度更高地来处理我们的远程通讯及诊断等。数字电子技术在随着人工智能的不断发展给我们的生产、生活带来极大的便利，相信数字电子技术会走在信息技术的前沿。

2.技术进步，课程依旧

近些年，数字电子技术以惊人的速度在发展，各个高校的课程设置也随着技术的进步发生着翻天覆地的变化，许多几十年前未曾见过的新兴学科出现在我们的课堂上。如微电子技术、集成电路原理、现代DSP技术、EDA技术、数字集成电路设计、计算机组成原理、嵌入式系统、片上系统、数字通信原理、无线通信原理、人工智能、SOPC等。这当中的众多学科都已经成为当今科技发展的核心，电子技术将沿着其轨迹迅猛发展，这也同时指引着高校的培养方向和就业取向。我们看到的这些领域、学科中，我们所熟知的将74系列器件依靠手工设计技术焊接在万用板上的技术早已被软硬相结合的EDA技术所取代，这是板上系统到片上系统的跨；再如任何数字电子技术教材都会提到的“高电平”5V也已走进了零点几伏的芯核电压；现在以nm为标志性尺寸的SOC系统已经远远地将过去的小规模逻辑器件甩在身后；而曾经CPU主频也已经由几MHz提到几GHz。所有这些技术的进步和发展，都离不开它们公共的专业基础课——数字逻辑电路，这一课程的重要性和地位也被提高到前所未有的高度，这就对这一课程尤其是其实践内容提出了极大改革需求。

可惜的是，我国很多高校的所采用的教材以及授课的基本内容和实验的内容、方式基本还是几十年前的模式，仍然以手工设计技术为核心内容和考核方式。重心仍然是对低速中小规模器件的组合和时序逻辑电路的分析和设计；知识点连贯性相对较差计，章节之间内容零散、孤立；实验更是与实际应用相去甚远，内容上仍以验证性为主[5]，对现已非常成熟的应用型器件如A/D、FPGA等仅停留在概念上。这样的实验及课程安排极大地限制了学生的创造性思维，同时也不利于提高学生对数字电路的学习兴趣，遏制了学生的自主学习能力和创造力。

3.大刀阔斧，顺应时代发展

显然，数字电子技术的教学是呵护和激发创新精神的源头。这个领域不需要习题集，也永远没有标准答案，它提倡个性、鼓励想象、适应变革、力行实践！

数字逻辑电路课程作为电子信息类专业的一门主干必修课，它既是许多涉及高新技术的重要后续课程的基础课，同时又理应成为培养学生尊重实践、勇于探索、积极创新等优良素质的学科。就如前面我们所讲，现在大量的相关课程如雨后春笋般涌现（如SOC、嵌入式系统、DSP等），数字电子技术课程是这些扩展课程的敲门砖，该课程已成为许多后续课程必不可少的基础课。然而，传统的教学进程是将该课程安排在第5或第6学期，而接下来的第7、8学期学生基本进入毕业设计或实习阶段，这样的教学安排导致余下的时间（基本不足1年）难以满足大量基于此技术的后续课程，它们也需要有效的实验或实践来掌握和消化，时间就显得更加紧迫了，而这些层次更深的课程又是就业或深造时被用人单位或深造机构看中的。正如有的毕业生所说：我觉得什么都学了，但还是什么都不会。为适应数字电子技术快速发展的需要，对数字电路的教学提出了更高的要求。

对于目前在数字电路教学方面存在的问题，提出以下改革方案：

(1)在传统手工设计电路的基础上增加自动化设计的内容。所谓自动化设计，即EDA 技术(英文全称为“Electronic Design Automation”)，它以计算机作为工作平台，依托EDA的相关软件为开开发环境，利用PLD可编程逻辑器件来设计实现具体的电路系统[6]。现在，国内外许多高校通过增加EDA教学内容，学生的科技创新能力得到了极大的提高，他们在进入大学的一二年后就可以熟练使用EDA软硬件工具自主设计出各种极具创新特色的数字系统，如数字电子琴、VGA图形或文字显示、数字音乐播放器、贪吃蛇游戏、数字立体声驱动、出租车计价器、PS/2键盘及鼠标控制、波形产生、嵌入式系统、彩色LCD驱动、逻辑分析仪等。

(2)缩短理论授课课时并增加实验课课时，实验内容上避免学生照猫画虎，生搬硬套，增加学生自主设计的内容，扩大实验梯度，注重实际应用。按照传统的实验操作方式，实验越复杂需要的连线就越多，无论是插接的方式还是焊接的方式都容易出错，而且大量的连线对信号也有一定的衰减，也会影响实验结果。故而要以基础实验引导学生进入现代数字电路设计领域，减少验证性实验，增加实际数字系统中最常用器件ADC、DAC、存储器等的FPGA控制内容[7]，同时增加自主设计和创新性实验，激发学生分析、设计、思考和创新的兴趣。走进实验室进行基础验证性实验和最后使用FPGA实验系统验证任何现代数字设计都是必须的。但是，现代数字电子电路设计需花费很大精力在软件设计上，因此，现代数字电路设计的很多内容完全可以先借助于各种软件进行。比如，熟悉软件、进行系统设计和仿真等，包括熟悉硬件平台、学习HDL、进行传统实验设计等内容都可以在实验室之外进行。这不仅解决了实验学时有限的问题，也扩展了实验空间。

(3)尽量提早数字逻辑电路的授课时间，通过课程内容的调整，可以将其安排在入校的第一或第二学期，这样安排是有重要意义的。就如前面提到的，诸多相关的后续课程在这门基础课结束后就可以马上开课，从而优化了专业的课程设置，学有余力的学生基本在第二学期结束就可以在相关指导老师的帮助下进入相关实验室或学生创新团队开始自主性设计开发，或能尽早参加各种课外科技活动，为校内外大学生学科竞赛如“挑战杯”竞赛、电子设计竞赛等的培训做准备[8]，通过不断的培训和参赛提高学生的科技创新能力。即让学生提前进入理论与工程实际相结合的训练阶段；提前激发创造欲望；提前具备能力迅速过渡验证性实验而进入自主设计性空间；提前为未来的学习和实践打开充裕的时间空间、自主学习空间和就业准备空间。

4.结束语

时代在进步，技术在发展，作为为社会输送人才的高等学校，不能让我们的思维停滞，遵循所谓“以不变应万变”的道理来懒惰自己、搪塞学生。知识推动技术进步，技术督促知识更新。让数字电子技术更快、更迅猛地发展，使我们的生活更智能、更便捷。

[1]潘松，陈龙，黄继业.数字电子技术基础[M].科学出版社，2014，08.

[2]杨海钢，孙嘉斌，王慰.FPGA器件设计技术发展综述[J].电子与信息学报，2010，32(3):714-727.

[3]朱旭花.从企业需求探析电子技术课程改革[J].西安邮电学院学报，2011，16(S1):10-12.

[4]林玉臣.针对数字电子技术在网络中的运用[J].科技致富向导，2014(21):167-167.

[5]王军红，刘明忠，谢丽娟.试论数字电子技术的教学途径和内容变革[J].中国电子商务，2014(22):135-135.

[6]谭伟.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].中国信息技术教育，2014，14：51-51.

[7]孟祥扬.基于FPGA的数电教学实验层次设计[J].信息系统工程，2014(4):156-157.

[8]晋春，李峰张，尤赛，张佳.基于培养学生应用和创新能力的“数字电子技术”课程的教学改革与实践[J].科技视界，2015(17):38-39.