技術推動下的數字電子技術課程的改革

技術推動下的數字電子技術課程的改革

楊 柳 陳 龍 牛小燕 杭州電子科技大學電子信息學院

杭州電子科技大學2015年高等教育研究資助項目（課題名稱：基于數字電子技術實踐課程的學生科技創新能力的培養與研究，課題編號：YB201523）。

本文概要性地介紹了現代數字電子技術的發展歷程和發展趨勢，從技術的進步縱觀大學課程的教學現狀，提出了數字電子技術實踐課程應隨著現代電子技術的進步，在教學、實驗內容和模式上進行大刀闊斧的改革，不斷朝著大規模、軟硬件相結合的方向發展，極大地提高學生的科技創新能力。

數字電子技術；電子設計自動化；科技創新能力

引言

在現代應用非常廣泛的電子信息系統領域內，擁有重大社會價值和經濟價值的自主創新項目多數產生于數字電子技術方面——即處處離不開處理離散信息的數字電路。如所有的數字計算機、數碼產品、先進的通信系統、工業控制系統、交通控制系統及洗衣機、電視機等，無一不在設計過程中用到數字電子技術。而電子信息、通信系統等學科自然將數字電子技術作為其領域的重要基礎課程之一，其相應的實驗課程更是提高學生動手能力和發掘創新思維的重要手段。很多高校對其課程或所用教材[1]進行了或大或小的改革，但其能否跟隨時代的發展，能否滿足學生步入社會或參與實踐的需求，不是簡單說說就可以實現的，它需要學校、教師和學生共同努力，才能真正體現其開設和存在的價值。

1.數字電子技術的發展及應用

從1947年半導體三極管的發明及真空管的誕生開始，數字電子技術一路經歷了電子管、半導體分立器件、集成電路；上世紀六十年代的集成電路以雙極型（即TTL）工藝為主，從小規模邏輯器件發展到中規模邏輯器件；七十年代以后，隨著硅材料的出現，數字集成器件開始使用化合物半導體材料即COMS器件。隨著CMOS技術的成熟，TTL的主導地位已基本被替代。而近年來，現場可編程邏輯器件FPGA[2]的出現給數字技術帶來了質的飛躍，這種器件將軟件和硬件相結合，運用起來不僅靈活方便、速度快，而且功能更加完善，這為電子技術開創了新局面。

數字電子技術在不斷朝著高速、高集成度、多核等方向飛速發展[3]。現今網絡信息技術這條高速公路的建設越來越密集，數字電子技術在其中的作用越來越關鍵，越來越廣泛。使信號數字化、處理信號，完成信號的傳輸[4]等功能逐步將數字電子技術滲透到網絡發展中。再如，現在單片機或PC機的應用越來越廣泛，它具有可靠性高、成本低、軟硬件資源豐富等特點。幾乎各行各業都在應用PC機作為前端的客戶機，如常見的快遞公司投放在居民小區、樓宇大廈的自助快件投遞機或銀行營業廳里越來越多的自助設備，它們能夠很好地處理聯網通信、人機對話等問題。良好的人機界面幾乎普及到所有的數控系統，速度更快、精度更高地來處理我們的遠程通訊及診斷等。數字電子技術在隨著人工智能的不斷發展給我們的生產、生活帶來極大的便利，相信數字電子技術會走在信息技術的前沿。

2.技術進步，課程依舊

近些年，數字電子技術以驚人的速度在發展，各個高校的課程設置也隨著技術的進步發生著翻天覆地的變化，許多幾十年前未曾見過的新興學科出現在我們的課堂上。如微電子技術、集成電路原理、現代DSP技術、EDA技術、數字集成電路設計、計算機組成原理、嵌入式系統、片上系統、數字通信原理、無線通信原理、人工智能、SOPC等。這當中的眾多學科都已經成為當今科技發展的核心，電子技術將沿著其軌跡迅猛發展，這也同時指引著高校的培養方向和就業取向。我們看到的這些領域、學科中，我們所熟知的將74系列器件依靠手工設計技術焊接在萬用板上的技術早已被軟硬相結合的EDA技術所取代，這是板上系統到片上系統的跨；再如任何數字電子技術教材都會提到的“高電平”5V也已走進了零點幾伏的芯核電壓；現在以nm為標志性尺寸的SOC系統已經遠遠地將過去的小規模邏輯器件甩在身后；而曾經CPU主頻也已經由幾MHz提到幾GHz。所有這些技術的進步和發展，都離不開它們公共的專業基礎課——數字邏輯電路，這一課程的重要性和地位也被提高到前所未有的高度，這就對這一課程尤其是其實踐內容提出了極大改革需求。

可惜的是，我國很多高校的所采用的教材以及授課的基本內容和實驗的內容、方式基本還是幾十年前的模式，仍然以手工設計技術為核心內容和考核方式。重心仍然是對低速中小規模器件的組合和時序邏輯電路的分析和設計；知識點連貫性相對較差計，章節之間內容零散、孤立；實驗更是與實際應用相去甚遠，內容上仍以驗證性為主[5]，對現已非常成熟的應用型器件如A/D、FPGA等僅停留在概念上。這樣的實驗及課程安排極大地限制了學生的創造性思維，同時也不利于提高學生對數字電路的學習興趣，遏制了學生的自主學習能力和創造力。

3.大刀闊斧，順應時代發展

顯然，數字電子技術的教學是呵護和激發創新精神的源頭。這個領域不需要習題集，也永遠沒有標準答案，它提倡個性、鼓勵想象、適應變革、力行實踐！

數字邏輯電路課程作為電子信息類專業的一門主干必修課，它既是許多涉及高新技術的重要后續課程的基礎課，同時又理應成為培養學生尊重實踐、勇于探索、積極創新等優良素質的學科。就如前面我們所講，現在大量的相關課程如雨后春筍般涌現（如SOC、嵌入式系統、DSP等），數字電子技術課程是這些擴展課程的敲門磚，該課程已成為許多后續課程必不可少的基礎課。然而，傳統的教學進程是將該課程安排在第5或第6學期，而接下來的第7、8學期學生基本進入畢業設計或實習階段，這樣的教學安排導致余下的時間（基本不足1年）難以滿足大量基于此技術的后續課程，它們也需要有效的實驗或實踐來掌握和消化，時間就顯得更加緊迫了，而這些層次更深的課程又是就業或深造時被用人單位或深造機構看中的。正如有的畢業生所說：我覺得什么都學了，但還是什么都不會。為適應數字電子技術快速發展的需要，對數字電路的教學提出了更高的要求。

對于目前在數字電路教學方面存在的問題，提出以下改革方案：

(1)在傳統手工設計電路的基礎上增加自動化設計的內容。所謂自動化設計，即EDA 技術(英文全稱為“Electronic Design Automation”)，它以計算機作為工作平臺，依托EDA的相關軟件為開開發環境，利用PLD可編程邏輯器件來設計實現具體的電路系統[6]。現在，國內外許多高校通過增加EDA教學內容，學生的科技創新能力得到了極大的提高，他們在進入大學的一二年后就可以熟練使用EDA軟硬件工具自主設計出各種極具創新特色的數字系統，如數字電子琴、VGA圖形或文字顯示、數字音樂播放器、貪吃蛇游戲、數字立體聲驅動、出租車計價器、PS/2鍵盤及鼠標控制、波形產生、嵌入式系統、彩色LCD驅動、邏輯分析儀等。

(2)縮短理論授課課時并增加實驗課課時，實驗內容上避免學生照貓畫虎，生搬硬套，增加學生自主設計的內容，擴大實驗梯度，注重實際應用。按照傳統的實驗操作方式，實驗越復雜需要的連線就越多，無論是插接的方式還是焊接的方式都容易出錯，而且大量的連線對信號也有一定的衰減，也會影響實驗結果。故而要以基礎實驗引導學生進入現代數字電路設計領域，減少驗證性實驗，增加實際數字系統中最常用器件ADC、DAC、存儲器等的FPGA控制內容[7]，同時增加自主設計和創新性實驗，激發學生分析、設計、思考和創新的興趣。走進實驗室進行基礎驗證性實驗和最后使用FPGA實驗系統驗證任何現代數字設計都是必須的。但是，現代數字電子電路設計需花費很大精力在軟件設計上，因此，現代數字電路設計的很多內容完全可以先借助于各種軟件進行。比如，熟悉軟件、進行系統設計和仿真等，包括熟悉硬件平臺、學習HDL、進行傳統實驗設計等內容都可以在實驗室之外進行。這不僅解決了實驗學時有限的問題，也擴展了實驗空間。

(3)盡量提早數字邏輯電路的授課時間，通過課程內容的調整，可以將其安排在入校的第一或第二學期，這樣安排是有重要意義的。就如前面提到的，諸多相關的后續課程在這門基礎課結束后就可以馬上開課，從而優化了專業的課程設置，學有余力的學生基本在第二學期結束就可以在相關指導老師的幫助下進入相關實驗室或學生創新團隊開始自主性設計開發，或能盡早參加各種課外科技活動，為校內外大學生學科競賽如“挑戰杯”競賽、電子設計競賽等的培訓做準備[8]，通過不斷的培訓和參賽提高學生的科技創新能力。即讓學生提前進入理論與工程實際相結合的訓練階段；提前激發創造欲望；提前具備能力迅速過渡驗證性實驗而進入自主設計性空間；提前為未來的學習和實踐打開充裕的時間空間、自主學習空間和就業準備空間。

4.結束語

時代在進步，技術在發展，作為為社會輸送人才的高等學校，不能讓我們的思維停滯，遵循所謂“以不變應萬變”的道理來懶惰自己、搪塞學生。知識推動技術進步，技術督促知識更新。讓數字電子技術更快、更迅猛地發展，使我們的生活更智能、更便捷。

[1]潘松，陳龍，黃繼業.數字電子技術基礎[M].科學出版社，2014，08.

[2]楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設計技術發展綜述[J].電子與信息學報，2010，32(3):714-727.

[3]朱旭花.從企業需求探析電子技術課程改革[J].西安郵電學院學報，2011，16(S1):10-12.

[4]林玉臣.針對數字電子技術在網絡中的運用[J].科技致富向導，2014(21):167-167.

[5]王軍紅，劉明忠，謝麗娟.試論數字電子技術的教學途徑和內容變革[J].中國電子商務，2014(22):135-135.

[6]譚偉.EDA技術在數字電子技術實驗中的應用[J].中國信息技術教育，2014，14：51-51.

[7]孟祥揚.基于FPGA的數電教學實驗層次設計[J].信息系統工程，2014(4):156-157.

[8]晉春，李峰張，尤賽，張佳.基于培養學生應用和創新能力的“數字電子技術”課程的教學改革與實踐[J].科技視界，2015(17):38-39.