“数字电子技术”课程改革与建设的研究

方 星

(江南大学 物联网工程学院， 江苏 无锡 214122)

“数字电子技术”是自动化、电气与自动化工程、电子信息工程、通信工程等专业的一门重要的基础课。“数字电子技术”课程在整个大学课程体系中占据了一个承上启下的重要地位，它将前期课程中学习的“电路原理”等基础理论知识落实到实际的元器件和电子电路中，与此同时它将为“电力电子技术”“自动控制原理”和“运动控制系统”等专业课程打下坚实基础[1-2]。“数字电子技术”课程的逻辑性比较强，而且课程内容与硬件设备的结合比较紧密。因此，与纯理论类课程相比，该课程对学生来说具有一定的难度，更加考验学生的逻辑思维能力和实践能力[3]。

“数字电子技术”课程的教学内容主要分为课堂教学和实验教学两部分。在课堂教学中，教师们一般采用板书和多媒体相结合的教学方法向学生们传授专业知识。然而，大部分教师对多媒体的理解仅仅局限于对办公软件PowerPoint (PPT)的使用，其实多媒体技术还应包括动画、视频以及基于EDA技术的实物演示等众多环节[4]。对于实验教学，传统的实验课程一般都是根据某一具体的实验要求，学生们利用种类繁杂的零散元器件搭建一个具有一定功能的电子系统。绝大部分的传统实验课程都是验证性质的，当学生们想要自行设计某一些具有特定功能的电子电路时，可能会由于元器件的数目和种类受限制，从而导致电路无法实现的情形。这严重影响了学生学习的积极性，甚至会进一步制约学生创新能力的培养[5]。

此外，建立优良的教学质量评价体系，对提高“数字电子技术”课程的教学效果具有非常重要的意义。传统的课程考核手段主要是期末考试，由于其过于单一的考核方式，在一定程度上造成了学生平时上课不积极、做作业不认真等现象。因此，不合理的教学质量评价方式将会严重影响课程的教学效果。

基于“数字电子技术”课程，笔者从课堂教学、实验教学和教学质量评价等三个方面对该类课程的改革进行初步探索，以期为进一步提高教学质量做出一定的贡献。

1 课堂教学

1.1 体系化的教学方式

电子技术的发展非常迅速，电子电路从最早期的逻辑门、小规模逻辑电路等形式发展到了目前的大规模集成电路。但是，“数字电子技术”课程的教学应仍然以基础数字电子电路的分析与设计为主，力求将课程中的基本电路原理和设计思路讲授清楚。教师在教学过程中应通过举一反三的方式，引导学生对相对复杂的电路进行自主分析与设计，并最终为学生总结出通用的分析方法和设计思路。对于集成芯片的教学，教师应注重其外在特性和重要参数的解读，淡化其内部电路原理的分析与讲解，使学生掌握应用集成芯片进行电路设计的基本能力。

“数字电子技术”课程的知识点非常繁杂，学生不易理清各类知识点之间的关联性，从而无法将所有知识点形成一个相对完整的知识体系。因此，教师们在课堂教学中需特别注重体系化教学，笔者认为教师可以从以下几个方面进行针对性的工作。首先，在第一堂课的时候，将“数字电子技术”课程的主要知识脉络进行一个简要的整体介绍，使学生对该课程具备一个宏观的认识。同时，教师应适当结合学生较熟悉的案例，将课程中的知识点融入实例中进行讲解，从而使理论知识点不再抽象；对某些重要的知识点，教师应力求将该知识点与其他知识点之间的逻辑关系一并分析透彻，以明确知识点之间的关系。再者，每当讲解完一个章节时，教师需对章节内和各章节间的知识进行梳理，以逐渐建立知识体系；最后，在全部课程内容讲授完毕时，教师一定要将全部重要知识点进行重新梳理，帮助学生建立起一个牢固而完整的知识体系。

1.2 多元化的教学手段

多媒体技术的出现，使得教学手段变得更加丰富多样。教师可充分利用电子课件、动画、视频等多媒体手段，将抽象的理论知识点直观地展示给学生。尤其当介绍逻辑性较强的理论概念时，利用动画展示各要素之间的关系，能够帮助学生加深对基本概念的理解。除了传统的多媒体技术，对于实践性较强的“数字电子技术”课程，基于EDA技术，教师还应在课堂上对重要知识点进行实验验证，直接展示实验结果，从而使学生更直接地感受到知识的魅力。

此外，教师应鼓励学生通过包括慕课、微课、网络公开课等多种形式的网络教学资源进行自主学习，并与课堂教学进行充分融合，形成多维立体的学习环境。

2 实验教学

2.1 “移动实验室”介绍

传统的实验教学课程一般要求学生在固定的实验室内进行电子电路的设计、搭建以及调试等工作，这种实验教学方式在一定程度上限制了学生对课程内容进行深入实践探索的机会。近些年，我国部分高校提出了“移动实验室”的概念，即给每一位学生分发一块集成开发板。学生们不仅能够在实验教学课堂上进行实验练习，而且课后允许学生将开发板带出实验室，进行自主设计和开发。在此情形下，学生手中有一个完整的硬件实验平台，只需要在自己的个人电脑中安装相应的软件，就可以根据课堂教学内容的进度，随时自主地进行相应的实验。这能够在一定程度上激发学生的学习热情和培养学生的创新精神。目前，“移动实验室”已被清华大学、同济大学、东南大学等众多高校用于实验教学环节，并且取得了较好的实际效果。

江南大学自动化系引进了一批基于Basys3开发板的“移动实验室”。其中Basys3开发板是一款采用Xilinx Artix®-7 FPGA 芯片XC7A35T-1CPG236C搭建的入门级开发平台，他适用于从基本逻辑器件到复杂控制器件的各种主机电路。更重要的是，Basys3开发板可满足“数字电子技术”实验课程的所有教学要求。

一方面，Basys3开发板为FPGA和数字电路设计的用户提供了一个理想的电路设计平台[6]。Basys3开发板提供完整的硬件存取电路，可以完成从基本逻辑到复杂控制器的设计。开发板上集成了33 280个逻辑单元，90个DSP slices，1个片上模数转换器(XADC)等丰富资源，并且配备了一个1 800 Kbits快速RAM模块，同时配备了5个时钟管理单元，其内部时钟频率最高可达450 MHz。除此之外，开发板外围配备了16个拨键开关、16个LED、5个按键开关、4位7段数码管、3个Pmod连接口、12位的VGA输出接口，以及可连接鼠标键盘等的USB接口等资源和辅助设备。Basys3开发板具有完备的硬件资源、大量的IO设备，以及所有需要FPGA支持的电路等，更重要的是电子工程师操作。

另一方面，Xilinx公司于2012年推出了一款与Basys3开发板配套的核心软件Vivado，大有取代Xilinx的ISE设计套件的趋势。因为Vivado不仅具有更人性化和美观的设计界面，而且其给电子设计行业带来了全新的设计思路和设计手段。Vivado软件使得电子工程师不仅能够实现FPGA的所有数字系统功能，而且其编程实现相对比较简单。Vivado能够非常方便地运用 Verilog HDL 语言的编程开发流程，包括源程序的输入、编译、模拟仿真及程序下载等步骤。学生通过学习简单的 Verilog HDL 硬件描述语言，就能初步掌握FPGA的开发流程。因此，Basys3开发板不仅能够满足“数字电子技术”实验课程的教学要求，而且能够进行一系列课外扩展的FPGA设计实验。

2.2 基于“移动实验室”的实验教学

笔者以“数字电子技术”课程中最基本的一个实验“简单门电路的测试”作为案例，基于Basys3开发板对实验过程进行简单阐述。

现将以上6种基本逻辑门电路，以真值表为依据编写程序，并将其下载到Basys3开发板中。具体的实验步骤如下：

(1)打开Vivado软件，并进入新建工程向导，按照工程向导要求，建立一个名为Example1的新项目；(2)新建一个Verilog HDL文件，在文件中编写相应程序，并进行语法检查和编译；(3)进行时序仿真；(4)分配管脚；(5)将程序下载到Basys3开发板。

通过以上实验步骤，并运行Basys3开发板中的程序，即可得到相应的实验结果。由此可见，基于Basys3开发板的“数字电子技术”实验课程，不需要利用零散的元器件进行硬件电路的搭建，而只需通过编写程序语言对集成在开发板上的硬件资源进行再分配。因此，基于Basys3开发板的课程实验避免了繁杂的电路连接和调试工作，并且能够在一定程度上减小电子电路的故障发生几率，进一步提高实验的成功率。

Basys3开发板可用于设计更加复杂的实验，比如交通灯控制与显示电路设计、多功能数字钟设计、抢答器设计等。通过实验过程，能够充分锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力和工程实践能力。学生还可基于Basys3开发板自主设计课外电子作品，并参加电子设计竞赛，进一步锻炼他们的动手能力，激发他们的学习兴趣和热情。

3 教学质量评价

建立合理的教学质量评价体系，有助于进一步提高学生的学习兴趣和学习效率。传统的课程考核方式主要是期末考试，所谓的“一考定成绩”。由于课程成绩主要取决于期末的一次考试，导致学生平时上课不积极，经常出现迟到早退、上课玩手机等现象，甚至出现逃课的现象。因此，“数字电子技术”课程应该设置多元化的考核方式，综合运用课堂表现、课后作业以及期末考试等多种考核方式。

另一方面，对于实践性较强的“数字电子技术” 课程，还应包括一定的实验成绩，并且可适当增加其比重。对于实验成绩的考核，亦可采用多样化的考核方式，其基础实验成绩来源于那部分必须完成的特定的基础实验。更进一步，由于在实验教学中引入了“移动实验室”，因此学生可以根据所学的专业知识，进行电子电路的自主设计和开发，以完成一些难度相对较大的拓展性实验。依此情形，任课教师可以在一定范围内增加学生的附加实验成绩，进一步培养学生的创新精神。笔者认为通过以上各项举措，建立多样化的教学质量评价体系，能够在一定程度上改善教学效果，并有利于激发学生的学习兴趣。

4 结语

“数字电子技术”是自动化、电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术等专业的一门非常重要的专业基础课程。“数字电子技术”课程对于培养学生的创新思维能力、问题分析和解决能力具有非常重要的促进作用。笔者针对“数字电子技术”课程知识点繁杂、实践性强等特点，从课堂教学、实验教学两方面对课程改革进行了初步探索。在实验教学环节引入了“移动实验室”的概念，使得学生能够更灵活地进行课程实验的设计，从而有利于提高学生的动手能力。最后，通过建立合理的教学质量评价体系，以进一步提高学生的学习兴趣和积极性。通过以上初步的课程改革，力求将“数字电子技术”课程建设成为一门理论联系实际，并具有创新性的特色课程。