數字系統設計課程群改革探索

　　摘 要： 隨著電子技術的高速發展，數字系統設計的方法也向著電子設計自動化和FPGA/CPLD發展。重慶郵電大學成立數字系統設計課程群教學團隊，構建了系統的課程體系，采取多樣化的教學方法，提出“理論體系系統性、學科知識前沿性和工程實踐應用性”三個特性，同時將日常教學與科技活動結合起來，增強了課程教學效果。
　　關鍵詞： 數字系統設計課程群 教學改革 教學成效
　　現今的時代是信息化的時代，信息化的特征就是對所有信息進行數字化的處理，并由此構成數字系統。所謂數字系統，即對數字信息進行傳送、加工、處理的電子設備。一個數字系統既可能是一個小而簡單的，又可能是一個龐大而復雜的系統，如：數字鐘是一個數字系統，數據采集系統、信息網絡系統也是一個數字系統。隨著電子技術的高速發展，采用傳統設計手段完成復雜數字系統設計越來越力不從心。以FPGA/CPLD為代表的大規模集成可編程邏輯器件（PLD）和電子設計自動化（EDA Electronic Design Automation）設計方法，代表著現代數字系統設計的發展方向。
　　重慶郵電大學數字系統設計課程群教學團隊從培養能在通信與信息領域從事科學研究、工程設計、設備制造等高級工程技術人才的目的出發，經過多年的實踐和總結，提出了層次型的數字系統設計課程體系，完善了數字系統系列課程內容，理順了課程之間的銜接，提出了數字系統設計系列課程的建設要體現三個特性：理論體系的系統性、學科知識的前沿性和工程實踐的應用性，并已將課程改革寫入專業的培養方案，在2011年9月獲得重慶市優秀教學團隊的稱號。
　　1.構建系統的課程體系。
　　教學團隊以現代設計手段和方法為主線，重塑了教學課程體系，構建了以經典數字電路課程教學為基礎，以現代電子技術應用和設計課程教學為提升的理論和實踐教學課程相融合的體系結構，在經典數字電路教學中注重理論體系的邏輯性，在電子技術應用和數字系統設計中強調學科知識的前沿性和工程實踐的應用性。具體層次見圖1。
　　圖1 數字系統設計課程體系圖
　　1.1注重數字電路基礎教學，培養學生專業課程素養。
　　“數字電路與邏輯設計”是一門重要的專業基礎課，是關于數字系統經典電路的分析設計方法的課程，因此，課程的教學以構筑學生的知識結構為主線、訓練邏輯思維能力為主體。
　　針對不同專業培養要求，數電課程在理論和實驗教學上采取了不同教學方法和手段，如：通信與信息類專業側重系統級應用，實驗以綜合設計為主；計算機類側重外部邏輯關系和可編程PLD、淡化內部電路原理，實驗以應用為主；自動化類側重控制觀念和電氣特性，重視A/D、D/A內容，實驗以應用控制型為主。
　　針對我校通信學院和光電學院強化班學生的特點和教學要求，教學團隊開展了數電課程的雙語教學，旨在讓學生提前掌握專業詞匯，提高閱讀外文文獻和自學現代電子技術的能力。自2005年在光電學院強化班進行試點開始，至今已送出6屆1000多名學生。
　　1.2強化現代數字系統設計教學，培養學生工程實踐能力。
　　由“可編程邏輯器件與應用”、“單片機原理與應用”、“電子設計自動化”、“DSP原理與應用”、“嵌入式系統開發與設計”、“電子系統綜合設計與仿真”6門課程構成現代設計方法和理論層次。該層次以培養學生的工程實踐能力為目標，在課程內容的具體設置中，教學團隊提出開放的思路、打破單一課程限制。如：在數字電路實驗教學時間內，有步驟地推進FPGA初級應用訓練（原理圖的設計訓練）；在FPGA教學時間內，有目的地聯系數字信號處理、通信原理等專業背景課程，強化FPGA在數字系統、通信領域等各方面的應用能力。
　　其中，“電子系統綜合設計與仿真”為重點建設課程，課程涵蓋知識面廣泛，強調系統綜合性設計。特別根據電子競賽相關內容模塊，添加了電源設計、信號源設計等內容，培養學生綜合運用所學知識進行實用數字系統設計的能力。
　　2.采取多樣化的教學方法和手段，增強教學效果。
　　2.1形象、生動的理論教學方法。
　　通過長期的教學研討，團隊形成了案例教學法、比喻教學法、啟發教學法、思維訓練法等多種方法綜合使用的教學方法，極大地調動了學生的積極性和興趣。以“數字電路與邏輯設計”課程為例，談談各種教學方法。
　　2.1.1案例教學法。如數字電路課程教學中，學完組合邏輯與觸發器后，以三人搶答器為例，先從組合邏輯電路的設計入手，分析其功能，找出其缺陷，再添加觸發器，改進其功能，增強學生的學習興趣，引發學生設計電路和改進電路的意識和愿望；在講了組合邏輯電路的競爭冒險之后，以MULTISM為仿真軟件，演示組合邏輯電路競爭冒險的險象及消除方法，要求學生課后查找資料，提交仿真作業；在講完計數器后，以電子鐘設計為例，串講前面所講的譯碼器、計數器、數碼管，極大地調動了學生的興趣。
　　2.1.2比喻教學法。在講卡諾圖化簡時以“擒賊先擒王”來說明圈圈得越大越好；“不打落水狗”來說明保證每個圈中至少有一個小方格不被重復圈過。
　　2.1.3啟發教學法。觸發器的講解過程中，從RS觸發器入手，講其特點、優點，引導學生發現其電路的缺點，從而提出改進電路鐘控RS觸發器，再進一步分析其電路優點和缺點，進一步啟發學生提出改進電路，引出鐘控JK觸發器、鐘控D觸發器，進一步引出主從觸發器。隨著電路一步一步地改進，又會帶來新的問題，引發學生思考，提高學生的學習興趣。此時，再以人生哲理為例，引發學生從電子技術的改進過程中思考人生。
　　2.1.4思維訓練法。在講中規模計數器設計任意模值的計數器過程中，以畫狀態轉移圖為工具，引導學生從復位法、置位法及進位輸出置最小數、級聯等多種方法設計電路，實現學生設計電路的思維訓練，從而完成數字電路時序邏輯電路設計教學任務——任意模制的計數器均可實現。
　　2.2以自學為主的實驗教學方法。
　　為了加強學生系統設計能力以及工程實踐能力，團隊經過多年的摸索，對數字系統設計系列課程實驗教學進行了大力度的改革。
　　2.2.1加大實驗課時，調整理論、實驗課時所占比例。如數字電路與邏輯設計（56學時理論+24學時實驗）、可編程邏輯器件與應用（16學時理論+16學時實驗）、嵌入式系統（16學時理論+16學時實驗）、DSP原理與應用（20學時理論+20學時實驗）、電子系統綜合設計與仿真（30學時理論+26學時實驗）。
　　2.2.2從2006年開始我們通過中央與地方共建資金、學校撥款、企業捐助的方式，建立了基礎教學平臺和開放實驗教學基地兩級實驗教學平臺。實驗教學上采取傳統實驗與開放實驗相結合的形式。教師講授基礎入門知識，除必須完成的實驗項目外，學生可以根據自身學習情況自行安排實驗時間、實驗內容。
　　以“可編程邏輯器件與應用”課程為例，必做實驗包括：QUARTUSⅡ簡介與應用、帶使能端的計數器的設計、數控分頻器的設計等，采用傳統實驗方式，由教師講授基本原理和設計思路，學生按部就班完成。該部分實驗要求學生主動性較少，主要目的在于設計流程、軟件開發、硬件平臺的掌握。選作實驗包括：基于LPM-ROM的四位乘法器設計、序列檢測器的設計、數碼管掃描顯示電路、硬件電子琴設計、數字頻率計的設計等。學生還可以自行擬定題目，與教師商量后進行。該部分實驗采用開放實驗教學，以學生自主學習為主，強調學生的實踐精神和動手設計能力。
　　3.日常教學與科技活動有機融合
　　教學團隊把相關課程與各類課外創新活動結合起來，多渠道促進學生創新能力的培養。
　　首先，我們從課程學習中選擇優秀的學生進行進一步的培訓。建立系統化的現代數字系統設計課程教學體系和開放實驗教學，能夠提升多數學生創新能力和一定的電子設計和應用能力，具有參加各類科技活動最基本的素質。在此基礎上，選拔條件更加出眾的學生進行后續的集中培訓。
　　其次，根據各屆競賽的題目和要求修改課程教學內容。例如：在“EDA”、“可編程邏輯器件與應用”等課程會根據的新技術的發展增加相應的技術講座。“電子系統綜合設計與仿真”為新開設課程，重點在于系統性應用綜合知識，在基本模塊講完后，進行綜合性實際項目的設計，其中就包括精心選擇的各類電子競賽試題。各類科技活動對推動課程教學的各項改革起到了促進作用。
　　最后，我們與中國電子協會合作，進行全國電子設計工程師認證培訓。多渠道提升學習動力，營造科技氛圍。
　　4.建設高水平師資隊伍
　　我校通過引進、國內外進修培訓，以及采用“以科研促教學”、“以科技競賽促師資隊伍”、“理論實踐教學雙肩挑”的模式，加快教師隊伍的成長，形成了一支以中青年為主，職稱、學歷和知識結構合理的教師隊伍。教學團隊在特色專業建設，教學方法與手段改革，精品課程建設，教材建設（自編教材12本），自制實驗設備（自行研發設備6項），尤其是指導學生課外科技活動、組織和參加各種科技競賽等方面取得了很大的成績，具有較強的示范作用。
　　5.結語
　　數字系統設計系列課程的教學改革獲得了較大的成功，課堂教學成效得到了顯著的提升，尤其在課外科技競賽方面取得了豐碩的成果。2005年以來，教學團隊教師指導參加全國大學生電子設計競賽，獲得全國一等獎2項、二等獎2項，重慶市一等獎6項、二等獎5項。2008年以來，參加重慶市盛群單片機電子設計大賽，獲得創意獎1項、一等獎3項、二等獎7項、三等獎5項。2010年，參加“高教社&XILINX杯”重慶市大學生電子設計競賽本科組7人獲得二等獎、2人獲得三等獎；參加“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽，獲得全國二等獎2項、三等獎1項，重慶賽區一等獎2項。人才的培養是一項系統而艱巨的工程，我們仍需要不斷地探索，尋求如何不斷提升學生的綜合設計能力與實踐能力。
　　參考文獻：
　　［1］姜威，姚富安，劉勇，南新志.實用電子系統設計基礎［M］.北京：北京理工大學出版社，2008.1.
　　［2］潘松，黃繼業.EDA技術實用教程（第三版）［M］.北京：科學出版社，2006.9.
　　［3］鄒虹，賀麗芳等.數字電路與邏輯設計［M］.北京：人民郵電出版社，2008.3.
　　［4］張鵬，石鑫，應俊.HOLTEK HT46系列單片機C語言實例教程［M］.北京：北京郵電大學出版社，2010：61.
　　［5］黃俊.ARM嵌入式系統基礎及應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2010.9.
　　資助項目：重慶郵電大學2010年校級教育教改項目（XJG1004、XJG1005），重慶郵電大學2011年校級教育教改項目（XJG1105、XJG1129