精品课程“数字电路与系统设计”教学体系

孙万蓉,任爱峰,初秀琴,邓 成

(西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安 710071)

随着集成电路工艺的发展,数字集成器件已从小规模集成电路发展到大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。相应地,数字电路和数字系统的设计方法及设计手段也在不断演变和发展。因此,对“数字电路及系统设计”课程的教学内容、教学方法、教学手段及其教材也提出了新的要求。2004年我校“数字电路与系统设计”课程被评为国家级精品课程后,教学团队教师根据电子信息技术、计算机和网络技术等领域的最新发展,在该课程的教学体系、方法和手段等方面开展了改革与创新。

1 三种教学体系的创新与实施

“数字电路与系统设计”课程是我校通信、电子、计算机、电气、控制、仪表、信息和生物医学工程等专业的重要技术基础课,也是我校其他专业的必修课。我们对该课程及其EDA实验课程的教学体系进行改革,提出多种各具特色的教学模式的设计与实践,形成更为完善的、系统的综合性三种教学体系。

(1)该课程教学体系普遍采用46学时基础课程教学模式。

(2)该课程双语教学体系主要针对本硕班、教改班、留学生班和英语水平较好的普通班学生实施的,有46学时。

(3)46学时基础课程+14学时的EDA课程教学体系,在打好基础的前提下,增加了可编程器件技术、VHDL语言及设计技术等教学内容。

这种教学体系从2007年以来,已在20多个班实施。这一新的教改模式注重学生学习新知识、掌握新方法、培养新技能和解决新问题。因此,学生的学习积极性比较高。

2 EDA课程的建设与改革

在外国高校的教学中,将EDA技术和现代数字系统设计方法学与数字系统设计课程结合已经相当普遍,相应的教材已经有很多[1,2]。

2007年以前,我校引入EDA课程时是把“数字电路与系统设计”和EDA课程分属于两门互相独立的课程。EDA课程为任选课,是在先修“数字电路与系统设计”课程的基础上,才讲授现代EDA工具及数字系统设计方法。经过几年的EDA实验教学实践发现,作为任选课学生的重视程度不够,使得学生对现代数字系统设计方法的理解不够深入。“数字电路与系统设计”基础课程与EDA实验课程分离的结果使学生或重基础而忽视现代新的数字系统设计方法,或重现代而忽视基础,这些都是课程改革中亟待解决的现状问题。

2007年,我们修改了本院所有专业的“数字电路与系统设计”课程的教学培养方案,采用了“数字电路与系统设计”46学时基础课程+14学时EDA课程必修教学(60学时)体系,并在2009年初出版了相应的“十一五”规划教材《数字电子技术基础》[3]。

EDA课程的课堂教学主要介绍VHDL的基本结构、语法及其主要描述语句、VHDL的有限状态机的设计、组合电路和时序电路的描述方法和基于VHDL的数字系统设计。EDA课程的实验采用开放式实验模式[4],学生在EDA实验室完成综合设计和系统硬件下载与测试。教师针对电子设计竞赛学生中暴露的数字电路课程与实验教学中的问题,增加了科研实际中的数字系统电路的介绍。

通过三届学生对第三种教学体系的教学实践,教学效果明显比两门课程独立的授课好,第三种教学体系已在我校的三个学院推广。目前,EDA课程的实施对象既有参加第三种教学体系的必修学生,也有选修EDA课程的学生。这种必修加选修的新模式为更多的学生提供了根据兴趣、爱好和今后职业发展的规划,实现选择学习的机会。

3 重新建立一种新的双语教学模式

我们通过对2003年开始的三届普通班的“数字电路与系统设计”课程实施双语教学过程的总结[5],发现普通班学生的英语水平参差不齐,双语教学对一部分学生难度较大,达不到双语教学的效果。2005年以后,我们对该课程双语教学的授课对象主要安排在本硕班、教改班和留学生班中,鼓励英语水平较好的普通班学生自愿参加双语课程的学习。对参与双语教学课程的学生,我们采用“数字电路与系统设计”46学时基础课程+14学时EDA课程教学体系进行教学实践。我们选用原版教材《Introduction to Logic Design》[6],采用自行开发的英文CAI课件,引用电子设计自动化模拟仿真软件Quartus II和workbench进行数字电路的模拟和课堂演示,以说明电路的功能和时序电路的时序波形。

2009年,本教学团队的教师承担了巴基斯坦留学生班的“数字电路与系统设计”课程英语教学,针对他们基础较差、英语口语流利及课堂活跃的特点,我们采用专题讲座和加大互动和讨论的方法进行教学。在教学的过程中鼓励英语好的中国学生参与留学生班的学习。这种新的双语教学模式可以增加学生的国际交流机会,收到了良好的双语教学效果。

4 精品课程网站与多媒体课件建设

我校的“数字电路与系统设计”精品课程网站主要由13个模块构成。其中的电子教案模块提供了本教学团队教师研制的“数字电路与系统设计”三种教学模式的多媒体课件下载,如数字电路基础CAI课件、VHDL设计初步课件和《Introductiong to Logic Design》(英语)课件;2007年完成的授课录像,为学生提供了网络在线学习的全课程内容。在网页的设计方面,为了便于操作,网站在超链接的基础上增加了控制台界面。

图1 精品课程网站控制台界面

5 结语

“数字电路及系统设计”是我校国家电工电子教学基地的平台主课之一,通过不断改革与创新所形成的“数字电路与系统设计”课程的三种教学体系,为我校不同层次的学生提供了可选择和多方位的学习平台。

三种教学体系的设计特点体现在:①课程内容的选取上,立足打好基础,在确保基本理论、基本概念和基本方法教学的前提下,及时反映当前数字技术的新发展;②内容的次序安排上,注意既要使教师便于组织教学,又要便于学生理解和学习,力求做到深入浅出,突出重点,前后照应;③教学方法灵活多样,努力做到因材施教,积极运用多媒体教学等现代教育技术手段;④注重本课程与相关课程的联系以及延伸,在实施本课程的同时与虚拟实验与系统仿真工具软件配合;⑤EDA课程的设置为学生进一步的学习和知识的扩展、提高实际动手能力提供了高层次的实验条件。

[1] John F.Wakerly.Digital Design Principles and Practices(T hird Edition)(数字设计—原理与实践)[M].北京:高等教育出版社,Pearson Education出版集团,2001

[2] Stephen Brown,Zvonko Vranesic.Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design(数字逻辑基础与 Verilog设计)[M].北京:机械工业出版社,2007

[3] 杨颂华,冯毛官,孙万蓉等.数字电子技术基础[M].西安:西安电子科技大学出报社,2009

[4] 任爱峰,孙万蓉,石光明.EDA实验与数字电路联合教学模式改革与实践[J].北京:实验室技术与管理,2009,26(4):200-202

[5] 孙万蓉,任爱峰,初秀琴等,数字电子技术基础课程双语综合教学改革的探索与实践[J].西安:西安电子科技大学学报(社科版),2003,增刊:105-108

[6] Alan B.Marcovitz.Introduction to Logic Design[M] ,McGraw-Hill,2002