“数字电子技术”课程实验教学改革探讨

宁改娣，金印彬，刘 涛，杨 爽

(西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

近十多年来，大量先进技术纷纷出现在高校的课程设置中，如DSP、SOPC、EDA技术、嵌入式系统、硬件描述语言、软件无线电技术和演化硬件技术等。这其中许多是未来电子技术的发展方向和市场应用的需求方向，也预示着良好的就业取向。所有这一切，把作为这一领域的专业基础课—“数字电子技术”的地位和重要性推到了前所未有的高度。对该课程的教学和实验也提出了挑战。

1 国内外“数字电子技术”课程现状

目前，美国的很多著名高校，如MIT，Stanford和UC Berkeley[1]等不断跟进数字电子技术的发展，都在基于新型FPGA的实验系统上开展“数字电子技术”、“微处理器结构”和“嵌入式系统设计”等课程的教学和实验。文献[2]介绍了学生利用FPGA设计的一系列性能不断完善的机器人。

国内绝大多数重点高校由于政策导向导致对“数字电子技术”课程的教学不够重视，教学内容、教材和实验内容更新都比较慢。其主要体现在三个方面:①课程的核心内容未变，重点仍然放在中、小规模器件的组合和时序逻辑电路分析和设计上。②教材的基本结构安排未变，许多章节内容孤立，知识点连贯性差。整个教材中器件介绍占很大篇幅。③实验内容与实际应用距离越来越大，验证性实验居多，知识和实践要求梯度过低。

近几年来，有些高校已经意识到问题的严重性，对该课程在教学、实验内容和模式上开始进行大刀阔斧的教改。如何鼓励和激发学生的创新精神是当前“数字电子技术”教学和实验中需要重点考虑的内容。

2 课程实验教学改革思路

本文提出了一个循序渐进的改革方案并在本校开始试点:先进行实验内容和实验教材的教改建设，在此基础上再进行理论教学内容和教材的改革。

1)实验平台建设

很多学校都已致力于自主开发实验系统，对“数字逻辑电子技术”、“单片机原理”和“微型计算机原理”等课程分别开发了不同的实验平台。但是这些实验平台需要学生花费大量实验时间熟悉实验平台和软件系统，却不能提高学生对课程重点内容的关注度。我们主张采用专业公司开发的标准化和资源共享的实验平台。目前，很多的公司专门开发了基于FPGA的教学或研究平台，越来越得到教师、学生和工程师的认可。例如:Xilinx和Digilent公司推出的FPGA实验平台软硬件开源，全球流通，先进性和兼容性皆好，加之在同一实验平台上可以进行多门课程的实验，在国内外高校得到广泛应用[3-5]。此外，Xilinx公司还积极在我国高校推广非常适合本科生使用的Nexys3和Basys2实验平台。

2)实验内容建设

实验内容上要增强自主设计内容，注重实际应用。目前，我国很多高校都取得了成效，低年级的学生就能熟练使用EDA工具和HDL自主设计出各种极具创新特色的数字系统，如VGA图形或文字显示控制、数字音乐播放器、PS/2键盘及鼠标控制、数字电子琴、数字立体声驱动设计、机器人控制、嵌入式系统开发、彩色LCD驱动以及逻辑分析仪设计等。借鉴他们的成功经验，我校利用Nexys3和Basys2实验系统，以基础实验引导学生进入现代数字电路设计领域，减少验证性实验，增加实际数字系统中最常用器件AD/DA和存储器等的FPGA控制内容，增强自主设计和创新性实验。

数字电子技术实验内容建设还要逐步引入ALU、CPU、微代码和微处理器等概念，增加 FPGA实现CPU以及对AD/DA和存储器等常用接口的控制，并引导学生掌握将简单的可重用模块组成一个复杂实用系统的技能。

3)实验教学模式改革

对于现代数字电子电路设计，走进实验室进行基础验证性实验和使用FPGA实验系统验证任何现代数字设计结果是必须的。但是现代数字电子电路设计很大精力是花费在软件设计上。因此，现代数字电路设计的很多内容完全可以先借助于CAD软件在实验室之外进行，扩展的实验空间能解决实验学时有限的问题。Digilent公司的实验板也有利于推行“口袋实验室”，每个学生都可以拥有一套低成本的实验系统，可以随时随地将自己的设计或创意在系统上运行。

在实验室教学基础上，我们建议学有余力且对数字电子技术感兴趣的学生申请开放实验项目，申请本科生科研训练和实践创新基金项目，或申请国家级大学生创新训练项目。教师可以组织学生参加院级、校级和高校之间的竞赛活动。

我们通过考核方式强化实验预习环节，推荐理论教学和实验的流程为:讲课→主讲教师安排学生进行课后实验的预习→实验指导教师检查预习报告(传统实验还要检查电路连接)→进入实验室实验→提交实验报告→ 根据预习、做实验和写报告三部分成绩给出实验总成绩。同时，主讲教师应当负责一定数量的实验指导和创新实验开发工作，并负责理论教学和实验的配合问题，尽量做到讲课和实验紧密衔接。

3 结语

本教改方案已逐步在本校实施推广。学生通过教改试点，对数字电子技术设计兴趣明显提高。在实验教改逐步完善的过程中，今后将进一步提出实验教材内容的改革方案。

[1]Electrical Engineering and Computer Sciences University of California，Berkeley.EECS150-Digital Design:http://www-inst.eecs.berkeley.edu/～ cs150/

[2]Rafeh Hulays.Smart，Fast Trading Platforms Start with FPGAs.http://issuu.com/xcelljournal/docs/xcell79/28?mode=window＆background Color=%23222222(意大利)

[3]Xilinx FPGA入门教程、开发套件ISE、和实验资料网站http://china.xilinx.com/或 http://www.xilinx.com/

[4]Digilent中文网址:http://www.digilentchina.com/

[5]OpenHW-中国首个开放源码硬件社区 http://www.openhw.org/