新工科系統能力培養視角下的數字邏輯設計教學研究

劉峰

【摘 要】 計算機類專業作為新工科的重要學科之一，為了適應信息產業的蓬勃發展，其人才培養由以往強調“程序性開發能力”轉化為更重要的“系統設計能力”。所謂系統能力是指在掌握計算系統基本原理的基礎上，構建以計算技術為核心的應用系統，其中包括系統知識和工程實踐兩方面內容。肩負著新型計算系統設計與開發的專業人員只有深入掌握了計算機系統內部的工作機制和原理，具備了更深入的系統級設計、實現和應用能力，才能更好地適應未來新經濟和智能時代的需求。因此，系統能力培養在理論和實踐上對未來計算機類專業學生的培養水平和質量具有重大意義和影響。

【關鍵詞】 新工科系統? 數字邏輯? 設計

1. 數字邏輯設計課程的現狀

1.1 理論教學內容陳舊，與產業密切相關的內容，如時序電路毛刺現象、狀態機的設計等，在教學中的比重微乎其微。

1.2 在科研為導向的考核體系下，任課教師對教學的重視程度不夠，導致學生在學習過程中 “重軟件，輕硬件”，對系統能力類課程地位認識不夠，缺乏系統概念。主要表現在學科競賽、科研訓練及畢業設計的選題上都偏向程序設計和應用開發類，而很少選擇軟/硬相結合的系統性開發項目。

2. 教學改革方案

2.1 加強思政建設，增強愛國情懷

深入挖掘課程中蘊含的思想政治資源，將思政教育始終貫穿于整個教學環節。在有形設計和無形熏陶中達到春風化雨、潤物無聲的教育效果。

在課堂教學中，以社會主義核心價值觀為主線，以相關專業知識為載體，以時事熱點為引入，增強學生的愛國情懷，培養學生正確的價值觀。講到電子芯片時，引導和鼓勵學生利用唯物主義辨證法，與摩爾定理比對，正確認識未來芯片發展的特點與發展趨勢。CPU芯片是計算機系統及各類電子設備的核心器件，目前低速芯片已經實現國產，但與高速芯片相關的許多核心技術及產品，如計算機系統、通信設備、通用電子系統及內存設備等仍主要依賴進口，導致信息系統的安全乃至國家安全也面臨威脅。2018年中美貿易摩擦加劇，中興及華為事件的爆發引發了我國對相關產業發展的思考，自主可控產業無疑成為國家未來發展的重點支持和資助方向，進一步加大了對具有較強系統能力人才的需求，此時應鼓勵和支持學生積極投入自主可控產業發展洪流中。

2.2 強化課程關聯，重構課程體系

合理調整與梳理本課程與前導課程計算機系統基礎及后續課程計算機組成與結構、接口技術之間理論知識的上下銜接及實踐體系的有機融合。

理論部分將歸整重復部分，如將數據的表示整合到計算機系統基礎，將算術運算部件中加法運算部件整合到數字邏輯設計，而將乘除法運算部件整合到計算機組成與結構。在實踐上，本課程為計算機組成與結構實驗提供部件基礎，兩個課程的實驗部分上下打通，由淺入深，統一設計。

接口技術是一門工程實踐性很強的課程，在計算機系統能力培養體系中占有重要的地位。但是很多學校一般將其設置為“選修課”，得不到學生應有的重視，面臨邊緣化的困擾。以DIGILENT Nexys A7-100T FPGA開發板為平臺，將接口技術的部分內容融入數字邏輯設計的理論與實踐教學中，將開發板外圍的一些接口，如數碼管、VGA接口、鍵盤、加速度傳感等，作為擴展實驗模塊，既豐富了教學內容，又大大提高了學生的實際動手能力。

2.3 精心安排和制定課程教學方案

2.3.1理論與實驗內容的設置。

整個教學過程遵循理論服務實踐的教學思想，理論部分圍繞構成CPU的邏輯部件，培養學生基本的邏輯思維能力，強調數字系統的設計方法，并將開發板外圍接口作為擴展內容，穿插于課程中。實驗部分采用Verilog HDL進行邏輯設計，以學生為中心，從培養學生的工程實踐能力出發，采用遞進式培養方案，包括基礎能力實驗和創新能力實驗兩個層級，二者各占50%。基礎能力實驗與理論知識相對應，包括數據選擇器、算術運算單元、桶形移位器、計數器等，是構成CPU的部件基礎;創新能力實驗要求學生利用FPGA開發板自帶各種接口或外接PMOD，設計與實現各種小型數字應用系統。

2.3.2 線上線下混合式教學模式。

線上線下混合式教學已成為高等教育中新的教育形態和新的人才培養范式。為了提高教學的效率，將傳統意義上的線下課堂教學與融合了“互聯網+”“智能+”技術的在線教學相結合。具體來說，課堂上采用“雨課堂”，通過發彈幕、課堂小問卷等互動方式實時了解學生的掌握情況，提高了學生學習的自主性，實現了教學管理的精準性。課后采用騰訊課堂，通過屏幕共享跟學生實時交互，進行在線答疑，對實驗教學起到了一定的補充作用。混合式教學模式完全滿足本課程的教學需要，在教學中發揮積極的作用。

2.3.3 遵循公平客觀的原則，改革評價機制。

實驗的成績評定是否公平客觀直接影響著學生學習的積極性。對學生進行分組，采取“小組互評，鼓勵競爭，獎勵加分，答辯驗收”的考核機制，激發實踐教學的內生動力。

結語

本著立德樹人的教學宗旨，積極挖掘課程中蘊含的思政元素，從課程定位、教學內容、教學方式及成績評定等方面進行了數字邏輯設計教學改革，調整以往“重理論、輕實踐”的教學模式，遵循以實踐為主線，理論服務實踐的原則，構建了課堂教學、科研訓練、學科競賽和產教融合“四元一體式”的人才培養體系，實現了學生從被動學習到主動創新的轉變，為后續進一步學習奠定了堅實基礎。

參考文獻

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