“数字电子技术”课程改革的探索与实践

晋春 张佳 李锋

摘    要：数字电子技术已渗透到现代信息技术的各个领域，是电子信息类学科一门重要的专业基础课。文章从“数电”课程教学现状出发，围绕“软件先行，以软带硬”的改革思路，提出了“数电”课程改革的实践策略。

关键词：数字电子技术;课程改革;策略

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2016）01-0051-02

“数字电子技术”（简称“数电”）课程以数字电路的基本概念、原理、方法为基础，注重数字逻辑电路的分析、设计和应用。随着集成数字电路技术的飞速发展，涌现出EDA、FPGA、DSP、嵌入式系统、集成电路等一批核心技术，形成一个以“数电”为基础和核心的课程群[1]。“数电”课程的教学质量直接关系到该课程群的培养目标，影响到相关专业的人才培养质量。本文结合江苏科技大学电子信息工程本科专业的2013人才培养修订方案，对“数电”课程的建设思路、课程设置、教学内容和教学方法等方面，做了几点改革，以求能更早地开展“数电”及其课程群的教学，更好地培养电子设计与应用人才。

一、“数电”课程教学现状

数字电子技术飞速发展，已涉及我们日常生活的诸多领域，其应用形式也很灵活，从早期的TTL、COMS、555定时器，到现在的CPLD、FPGA，正体现着本课程知识更新速度快、实践性强等特点[2-3]。国内外许多高校都根据自身情况进行了形式多样的教学改革，引入信息化、理实一体化、项目驱动式、案例式、启发式等教学方法和手段[4-5]，全面推动了本课程的建设和发展。

“数电”课程以逻辑代数为理论基础，注重数字电路的分析、设计和应用，不需要考虑电压、电流、功率等参数的计算，与“电路”、“模电”课程相关联，但是具有很大的独立性。特别是引入EDA技术之后，将电路设计与软件程序设计结合起来，通过硬件描述语言（HDL）就可以自动化地实现数字电路分析、设计。学生具有简单的C语言程序设计基础，就可进行任务实践，这大大降低了数字电子技术的学习门槛，更易激发学生的学习兴趣和创新动机。

但是，目前许多国内院校“数电”课程存在着开设时间晚、课程内容落后等问题。它普遍开设在第4/5学期，影响到“FPGA”、“单片机”、“嵌入式系统”等课程的学习时间，使学生的电子设计、应用能力和专业素养的培养起步太晚，没有充分打开学生自主学习和就业准备空间，不利于学生就业。另外在教学内容上，普遍仍然以卡诺图为核心对组合、时序逻辑电路进行手工地分析、设计，实验中仍以74系列等小规模器件为主要的应用工具。这种教学方式与时代发展相脱节，偏离了数字电子技术的工程实际，制约学生掌握最新知识和先进方法，不利于培养学生的应用和创新能力，进而影响了课程教学质量和专业培养质量。

为了解决这些问题，利用修订2013人才培养方案的机会，我们大胆地实行本次专业培养方案的改革，对“数电”及相关课程设置做了大幅度调整，对课程的教学内容进行了优化，以期将“数电”课程群的教学改革推向深入。

二、“数电”课程改革的思路

结合多年的教学经验，我们对新形势下“数电”课程进行了重新定位和认真的思考，重新构建课程教学体系，确立课程改革的基本思路和措施，以深化本课程的教学改革。

1.“软件先行，以软带硬”，这是本课程改革的基本思路。“软件先行”，就是利用QuartusⅡ软件和HDL语言，引导学生进行数字电路的分析设计、仿真验证，从而以程序设计形式带动对数字电路的硬件结构、功能和应用的初步掌握，达到“以软带硬”的目标，打破传统的以电路结构为主的教学模式。

2.打破传统，“数电”置前开设，提前开展学生自主学习。将“数电”课程开设在大学第二学期，置前于“电路”、“模电”，打破传统的课程群设置顺序，使学生更早地接触数字电子技术和工程训练，提前打开学生自主学习和就业准备的空间。

3.优化教学内容，采用多种手段提高学生的学习兴趣，启发和调动学生去积极探索、工程实践，为更多更好地培养电子设计与应用类人才而服务。

三、“数电”课程改革的实践策略

（一）优化课程设置

1. 调整开课时间。“数电”置前至大学第二学期，“电路”、“模电”随后，其他诸如 “工程认知实践”、“FPGA”、“微机原理与接口”、“单片机”、“嵌入式系统”和“DSP”等应用和实践性较强的课程，紧随其后安排在第3—5学期。这就使学生具备提前接触电子设计知识及工程训练活动的能力，在大学第二个暑假就可以参加全国大学生电子设计竞赛等科技活动。这种实践性能力的获得，比基于传统教学模式下至少提前2—3个学期，学生能提前为未来的学习和实习打开充裕的自主学习空间，为就业打下坚实的基础。

2.优化教学内容，将EDA/FPGA技术引入课程教

学。由于“数电”开设时间大幅度提前，需降低对“电路”和“模电”等课程知识的依赖。因此，首先精简逻辑门电路章节内容，去除复杂的CMOS、TTL门电路结构分析，只作逻辑门电路的功能、特点的简略讲解;淘汰555定时器相关内容，并将D/A与A/D转换器内容调整至“微机原理与接口”课程中;大量引入EDA技术和 Verilog VHDL语言，将Verilog VHDL 语言及其应用贯穿于组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路等章节，使Verilog VHDL语言的程序设计方法与数字电路的理论与应用密切衔接，实现“软件先行，以软带硬”的教学目标。

课程理论授课学时压缩至48学时，并开设24学时的实验课程。实验课程中，去除基于74系列器件的低层次设计内容，将FPGA 技术全面引入到数字电路实验教学中。总共安排13个实验项目，其中7个是基于FGPA的复杂数字系统的设计，对学生综合学习能力要求较高，能有效加强学生实践能力，培养创新能力。教材选取工程创新型电子信息类精品教材《实用数字电子技术基础》（潘松等编著），理论与EDA实践结合紧密，满足本课程改革的内容要求。

（二）改革教学方式和方法

1.实行模块化与理实一体化教学。将课程内容分成逻辑代数基础、组合逻辑电路和时序逻辑电路三个模块。第一部分突出逻辑代数基础知识的讲授，采用案例教学法，布置难易合适的习题，加强对基础知识的理解。而后两部分注重理实一体化，部分内容放在EDA实验室讲解，师生双方边教、边学、边做，全程构建素质和技能培养框架，提高教学质量;配置充分准备的实例，部分实例如组合电路中的编/译码器、选择器，以及时序电路中的计数器等内容，运用EDA 技术进行仿真、验证，并通过教师进行示范性操作等手段，使学生获得具体、清晰、生动、形象的感性知识，加深对书本知识的学习，增强学生的学习兴趣。学生边学、边练、边积极总结，达到事半功倍的教学效果。

2.将任务驱动式教学与“口袋实验室”相结合。在理论和实验课堂教学之外，还安排三个实践项目：智能抢答器、数字钟、电子密码锁，要求学生自行组织3—5人的小团队，根据任务要求完成项目的分析、方案的制订、EDA仿真，并在开发板上完成硬件调试，最终进行作品展示、成绩评价和经验交流。这里，我们提倡“口袋实验室”运行方式，让学生从实验室定期租借开发板或自购，进而解决实验时空局限性的问题，他们在宿舍就可以完成课程中的实例、实验训练以及自己的创意设计，充分打开自主学习空间，并激发个人学习兴趣。

3.推行第二课堂教学法。由于本课程教学知识点较多，而课堂教学课时较少，因此要拓展第一课堂，将部分教学知识点，如Verilog语法学习、建模设计方法、Quartus II软件使用等，利用课外时间，让学生自主学习，另外实验考核和课程考试包含这部分知识点，从而实现有效的督促作用。

4.改革考核方法，突出实践能力考核。为突出实践能力培养的严格要求，将理论与实验课程独立考核，并将以上三个任务驱动式项目的考核成绩纳入理论课程总成绩中。理论课程总成绩由项目成绩（占总成绩的30%）、平时作业成绩（占10%）、期末考试（只占60%）三部分组成。其中，项目成绩是上述三个实践项目成绩的加权和，体现每个项目准备、完成、评价等情况。

通过本课程改革实践，倡导“软件先行，以软带硬”的教学理念，注重EDA/FPGA技术的掌握和运用，以加强学生对数字电子技术的融会贯通。本次改革方案已经在个别班级进行了初步实践，取得了较好的教学效果。学生大多数能够独立完成课程要求，课程考核通过率达98%以上，实践考核100%通过。对本课程以及数字电子系统设计的兴趣明显提高，2014年加入学院电子协会的达80人以上，部分学生还积极参与了2014年全国大学生电子设计竞赛，实践和创新能力得到了很好的锻炼。本课程2014年总体评价优秀，很受学生欢迎，充分达到了课程能力培养的目标和各项要求。

参考文献：

[1]潘明，潘松.数字电子技术基础[M].北京：科学出版社，2008.

[2]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].北京：高等教育

出版社，2013.

[3]Thomas L.Floyd.Digital Fundamentals[M].China：

Pearson Education Asia LTD.and Science Press

LTD，2011.

[4]彭新光.数字电子技术教学方法研讨[J].高等工程教

育，1997，（6）.

[5]杨春玲，朱敏，张岩.数字电子技术基础研究性教学方法

的探索与实践[J].中国大学教学，2014，（2）.