電氣工程專業(yè)數(shù)字電路與微處理器合并課程教學(xué)探索及國(guó)外教材研究

寧改娣 羅先覺 楊旭 金印彬 張虹

摘要：“數(shù)字電子技術(shù)”與“微處理器”類課程的教學(xué)內(nèi)容發(fā)展和更新?lián)Q代快，同時(shí)在學(xué)時(shí)壓縮和雙一流建設(shè)的背景下，逐步有高校對(duì)這些課程進(jìn)行整合。探索和建立整合課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法十分重要。本文研究了國(guó)外同類課程教材并對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行分類，論述了國(guó)內(nèi)“微處理器”類課程教學(xué)存在的問題，簡(jiǎn)單介紹我院整合課程以實(shí)驗(yàn)為核心的教學(xué)及教材建設(shè)，總結(jié)了國(guó)外一部經(jīng)典教材的特色內(nèi)容。希望這些對(duì)國(guó)內(nèi)類似課程的教學(xué)有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：教學(xué)；教材；整合；教學(xué)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)為核心

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）33-0065-02

一、引言

電氣工程專業(yè)支撐我國(guó)能源、交通、制造等關(guān)鍵性行業(yè)，其人才培養(yǎng)模式的改革決定了我國(guó)在以上領(lǐng)域是否能夠滿足未來的高層次人才需求。作為本領(lǐng)域全國(guó)A+學(xué)科，探索和建立面向未來電氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)新模式，不僅是電氣工程領(lǐng)域的重要需求，也是雙一流建設(shè)的重要需求，迫切需要對(duì)原有課程進(jìn)行升級(jí)和改革。

電子技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”和“微處理器”類課程內(nèi)容顯然不能適應(yīng)培養(yǎng)需求，我院在2015年培養(yǎng)方案中整合設(shè)立了“數(shù)字電子技術(shù)和微處理器基礎(chǔ)”新課程（以下簡(jiǎn)稱整合課程），對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了探索與嘗試。為了進(jìn)一步完善課程教學(xué)，有必要了解國(guó)外的教學(xué)和教材。借助參與教育部的一個(gè)教改項(xiàng)目[1]，作者查找了國(guó)外類似課程的經(jīng)典教材并學(xué)習(xí)總結(jié)。下面首先簡(jiǎn)要介紹國(guó)外整合課程的教材內(nèi)容及分類，然后介紹我院整合課程的教學(xué)改革方法及課程教材，最后重點(diǎn)對(duì)一國(guó)外教材的特色進(jìn)行總結(jié)，吸取其精華。

二、國(guó)外類似課程的教材內(nèi)容分類

國(guó)外在21世紀(jì)初就有教材將“數(shù)字電子技術(shù)”和“微處理器”內(nèi)容一體化。根據(jù)專業(yè)方向是設(shè)計(jì)還是使用微處理器，國(guó)外這類教材內(nèi)容主要分為兩大類：一類是將數(shù)字電子技術(shù)與如何設(shè)計(jì)微處理器有效整合在一本教材中；第二類是將數(shù)字電子技術(shù)與微控制器應(yīng)用進(jìn)行整合。對(duì)應(yīng)第一類的典型教材是《Digital Design and Computer Architecture（Second Edition）》，其獨(dú)特之處在于從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)視角來學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)，內(nèi)容從基本的二進(jìn)制開始，直到引導(dǎo)學(xué)生完成MIPS處理器的設(shè)計(jì)。第二類的經(jīng)典教材是《Digital Electronics：A Practical Approach with VHDL （9th Edition）》（以下簡(jiǎn)稱《Digital Electronics》），本書涵蓋了數(shù)字電路和8051微控制器（MCU）兩大部分，這也是電氣工程專業(yè)需要的課程整合方式，本文后續(xù)重點(diǎn)介紹。該書作者William Kleitz教授的第八版教材有140多個(gè)學(xué)校使用。國(guó)內(nèi)整合課程及教材落后了十多年。

三、我院以實(shí)驗(yàn)為核心的教學(xué)試點(diǎn)及教材

作者主要的精力用于“數(shù)字電子技術(shù)”和“微處理器”一類課程的建設(shè)與教學(xué)工作中，十多年前提出過整合改革方案[2，3]，我院2015年培養(yǎng)方案中完成了課程整合。但微處理器的教學(xué)普遍針對(duì)某一型號(hào)MCU的硬件和編程，只見樹木不見森林。學(xué)生也像學(xué)習(xí)理論課程一樣，精讀教材，實(shí)驗(yàn)照著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書照貓畫虎，收獲甚微。近幾年，傳統(tǒng)的處理器教學(xué)方式已無法跟得上日新月異的技術(shù)變遷，讓我們不得不思考：“微處理器”類課程應(yīng)該講什么？怎么講？如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)？

作者在“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程中，進(jìn)行了近十年的教學(xué)試點(diǎn)，課堂上只講MCU軟、硬件共性概念，課程最開始就要引導(dǎo)學(xué)生從“用”MCU的角度出發(fā)學(xué)習(xí)。不提供MCU的詳細(xì)資料和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生從課程一開始就需要按照教師指點(diǎn)查資料、安裝軟件并完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證測(cè)試等。MCU課程取消筆試，成績(jī)完全由實(shí)驗(yàn)的方方面面確定。多年實(shí)踐的效果非常好。

配合整合課程，我們出版了兩部教材，見參考文獻(xiàn)[4]和[5]，在教材[4]中引入了微處理器的總線、譯碼、I/O接口等基礎(chǔ)概念。在教材[5]中，總結(jié)了微控制器軟、硬件共性概念（教師講），之后舉例說明幾個(gè)具體型號(hào)的MCU開發(fā)。教給學(xué)生以不變的方法應(yīng)對(duì)不斷涌現(xiàn)的微控制。

四、《Digital Electronics》教材的特色內(nèi)容

我院整合課程經(jīng)過近幾年的教學(xué)改革，教材和課堂教學(xué)方法有了自己的獨(dú)特之處，《Digital Electronics》的教學(xué)框架內(nèi)容基本與我院的整合課程類似，但相較我們的教材，《Digital Electronics》有以下主要介紹內(nèi)容可以借鑒。

1.每章內(nèi)容安排細(xì)致且習(xí)題類型多、題量大。每一章基本都以大綱、目標(biāo)和簡(jiǎn)介開始，以總結(jié)與回顧問題、術(shù)語(yǔ)表（詞匯表）、各種習(xí)題以及正文中各小節(jié)復(fù)習(xí)題的答案為結(jié)尾。章節(jié)內(nèi)容的前后呼應(yīng)更好地使學(xué)生掌握和理解目標(biāo)要求。每一章末尾的習(xí)題按章節(jié)編號(hào)組合在一起。主要包括基本問題（設(shè)計(jì)和故障排除問題）、原理圖解釋問題、MultiSIM電路仿真練習(xí)、FPGA實(shí)現(xiàn)問題等。這些問題迫使學(xué)生重新回到閱讀中，以發(fā)現(xiàn)自己是否已經(jīng)達(dá)到了本章開頭所給出的學(xué)習(xí)目標(biāo)。除了基本問題外，還有設(shè)計(jì)（D）、故障排除（T）和挑戰(zhàn)性（C）問題。每章之后各類習(xí)題總量一般都遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)教材的習(xí)題數(shù)量。

2.聯(lián)系實(shí)際的例子很多。教材附錄G中包含了4個(gè)實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)的原理圖。在每一章末尾的“原理圖解釋問題”中，讓學(xué)生結(jié)合附錄G回答本章的相應(yīng)內(nèi)容，來獲得真實(shí)世界的電路并觀察本章數(shù)字邏輯的應(yīng)用。介紹基本邏輯門時(shí)，強(qiáng)調(diào)時(shí)序圖以及用示波器和邏輯分析儀測(cè)量的好處，介紹故障排查技術(shù)，脈沖發(fā)生器和探頭的使用。介紹尖峰電流時(shí)引入輻射電磁干擾的概念，并給出解決方案。介紹了三種常用的傳感器和信號(hào)調(diào)理電路等實(shí)用問題。

3.微處理器概念簡(jiǎn)單清晰。教材將“數(shù)字電子技術(shù)”與“微處理器”兩部分內(nèi)容銜接和過渡得非常恰當(dāng)。第17章用簡(jiǎn)短的文字說明了微處理器特點(diǎn)及重要性。介紹了微處理器簡(jiǎn)單I/O操作的例子、三總線的概念、地址譯碼、芯片使能、指令執(zhí)行時(shí)序、流程圖和硬件接口等。三言兩語(yǔ)說清了匯編語(yǔ)言和機(jī)器代碼的概念。

五、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)內(nèi)容是課程的靈魂，微處理器課程的教學(xué)方法應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為核心，而且不建議提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。課程教材建設(shè)也十分重要。

《Digital Electronics》教材不僅注重理論知識(shí)的傳授，更注重學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)。多種實(shí)驗(yàn)形式呈現(xiàn)在教材中。很多章節(jié)添加了與實(shí)際生產(chǎn)生活息息相關(guān)的內(nèi)容，形象生動(dòng)，可以引起學(xué)生興趣。各種類型的習(xí)題豐富了教學(xué)內(nèi)容。以上這些值得我們?cè)诮窈蟮慕虒W(xué)和教材編寫時(shí)借鑒。

總而言之，國(guó)內(nèi)外教學(xué)方法與教材各有特點(diǎn)，大家要揚(yáng)長(zhǎng)避短，取其精華，提高教學(xué)效果，使學(xué)生獲得最大收獲。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅先覺，等.電子技術(shù)與電工學(xué)國(guó)內(nèi)外教材比較研究[Z].教育部教改項(xiàng)目.2017-06-28～2018-12-31

[2]寧改娣，楊爽，金印彬，等.“數(shù)字電子技術(shù)”與微處理器系列課程融合優(yōu)化的探索[D].第二屆（2015年）全國(guó)高校電氣類專業(yè)教學(xué)改革研討會(huì).

[3]楊拴科，寧改娣，申忠如.《數(shù)字電路》與《微機(jī)原理》課程整合之我見[J].華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，（S1）.

[4]寧改娣，金印彬，張虹.數(shù)字電子技術(shù)與微處理器基礎(chǔ)（上冊(cè)）——現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2015.

[5]寧改娣，張虹.DSP控制器原理及應(yīng)用（第三版）——微控制器的軟件和硬件[M].科學(xué)出版社，2018.