基于培养学生应用和创新能力的“数字电子技术”课程的教学改革与实践

晋 春 李 峰 张尤赛 张 佳

（江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江 212003）

0 前言

“数字电子技术”是电子类本科专业的一门重要的学科基础课程，它以数字电子技术的基本概念、原理、方法为基础，注重数字逻辑电路的设计和应用。随着以集成技术为代表的电子技术的飞速发展，新器件、新技术、新方法不断出现，涌现许多基于“数电”的新课程，诸如DSP、FPGA、嵌入式系统设计，它已成为许多后续课程必不可少的主干课[1]。国内外知名高校都根据自身情况进行了形式多样的教学改革，在教学模式、教学内容、教学方法等方面进行了创新实践，引入了项目驱动式、多元化、信息化、启发式等方法和手段，全面推动该课程的建设和发展[2-3]。本文结合我校本科专业电子信息工程（下称本专业）的2013人才培养修订方案，从“数电”课程建设的基本思路、教学内容和教学方法的改革等方面，做了几点探索，以求能更好地开展“数电”及后续课程的教学，提高教学质量，培养电子设计与应用人才。

1 课程改革的背景

传统的电子类本科专业教学计划中，第三学期开设“电路分析”，第四学期开设“模拟电子技术”，和第五学期开设“数电”。这种传统的教学体系实施了很多年，在培养学生的基础理论知识和实践应用能力方面具有很丰富的经验。但是，由于教学计划中“数电”课程学期时间上靠后的安排，导致后续FPGA、单片机等实践性课程进一步推后，嵌入式系统设计等专业性课程甚至安排到大四学期，而这些课程在当前电子系统设计与应用技术中占据越来越重要的地位。学生专业素养的培养起步太晚，专业知识又接触太迟，使之没有充分的时间学习电子系统和综合应用知识，导致学生“纸上谈兵”、“一知半解”的现象普遍存在，对学生就业产生很大的负面影响，最终影响了专业教学效果和专业评价。这种现象，目前在很多高校普遍存在。

早期，我们已经将“数电”课程前移到第四学期，与“模电”并列开设，使学生能较早地进入电子系统设计领域，参与到全国电子设计大赛等相关活动中，大大拓展了学生自主学习空间，取得了一定的成效，也为本次课程改革积累了丰富的经验。但是在部分课程时间安排和内容设置上还存在一些问题，教学方式和方法还有待进一步改进，工程实践训练环节还需加强。

为了解决这些问题，利用修订2013人才培养方案的机会，我们大胆地实行本次专业培养方案的改革，对数字电子技术及相关课程设置做了大幅度调整，对相关课程的教学内容进行了优化，将数字电子技术课程群的教学改革推向深入。

2 课程改革的基本思路和目标

2.1 可行性保障

“数电”课程注重数字逻辑电路的分析、设计和应用，与“电路分析”、“模电”紧密衔接，又具有很大的独立性。数字电路以逻辑代数为理论基础，不需要考虑电压、电流、功率等参数的计算，特别是引入EDA技术之后，将电路设计与软件程序设计结合起来，通过硬件描述语言（HDL）编制程序来完成传统的电路手工设计，方便、快捷、易懂，为我们将“数电”课程进一步前移之第二学期，提供了有效的教学方式和方法。后续开设的“工程认知实践”、“FPGA系统设计”将进一步对此知识进行吸收、巩固、深化，有效保障教学质量。

我们“数电”教研组成员有教授1人，副教授、高级实验师2人，讲师4人，其中具有博士学位的4人，中青年结合，年龄结构和学历结构都较合理。成员长期以来一直担任该课程的主讲和实验教学工作，编写过多门课程的教学大纲、教案、实验报告等教学资料。部分成员具有10年以上的教学工作经验，并多人获得该课程的校优秀教学质量奖，很受学生的欢迎。在理论的深层把握、实践的动态验证以及相应的技术等方面的支持上都有着可靠保证。

2.2 基本思路和目标

结合多年的教学经验，我们对本专业进行了重新定位和认真的思考，对“数电”课程教学体系重新构建，确立了本课程改革的指导思路：

（1）如何有效的提高本课程的教学质量，优化课程设置，让学生提前进入理论与工程实际相结合的训练阶段，是本课程改革的重点和目标。

（2）“软件先行，以软带硬”，这是本课程改革的基本思路。将“数电”课程提前至大学第二学期开设，学生没有先修 “电路分析”、“模电”，缺乏电路、器件等方面基本知识，如何有效地教与学对于学生和教师都是一种考验。我们着重引入EDA技术，脱离传统的以电路结构为主的模式，利用HDL语言和QuartusⅡ软件加强学生对数电电路的基本概念和基本功能的学习。“软实现”为主，“硬测试”作为一种辅助手段。

（3）优化本课程教学内容和教学方法，扩大学生自主学习空间，采用各种手段提高学生的学习兴趣，启发和调动学生拓展思维、积极探索。

3 课程改革的实践

3.1 课程群的开设时间设置

将“数电”提前至大学第二学期，构建新的本专业教学体系，这是个全新的研究课题。我们将“数电”提前至第二学期开设，超前于“电路分析”和“模电”。诸如“电子认知实习”、“微机原理与接口”、“单片机”、“FPGA系统设计”、“嵌入式系统”和“DSP”等应用和实践性较强的课程也紧随其后陆续开设。这就大大提前了培养学生电子设计与应用能力的时间，有望在第二学期结束的暑期，学生就能参加大学生电子设计竞赛培训等活动。这种实践性能力的获得，比基于传统教学模式下至少提前2～3个学期，学生能提前为未来的学习和实习打开充裕的自主学习空间和就业准备空间，其意义是重大的。

3.2 “数电”教学内容的优化设置

由于“数电”开设时间大大提前，“数电”课程内容须作调整。减少对前期电路基础知识的依赖，将逻辑门电路相关内容大大简化，去除复杂的CMOS、TTL门电路内部结构分析，只作逻辑门电路的特点、性能、参数等概念性介绍；大量增加了利用HDL语言描述常用的组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路等内容，让学生学会编程实现数字电路的方法；同时去除和调整了存储器、555定时器、D/A与A/D转换器等内容；引入EDA和FPGA技术，弱化学生对电路基础知识的依赖，充分利用HDL语言，实现常用数字电路的分析、设计，从而达到“软件先行，以软带硬”目的，并有效提高学生动手实践能力。

3.3 教学方式和方法的改革与创新

3.3.1 优化教学内容，将EDA/FPGA技术引入课程教学

在理论教学中注重数字电路的基本理论、原理和应用，同时积极地把EDA技术引入到课程教学中。引入Verilog VHDL硬件描述语言，将Verilog VHDL语言及其应用贯穿于“组合逻辑电路”、“触发器”、“时序逻辑电路”等章节，使Verilog VHDL语言的程序设计方法与数字电路理论与应用密切衔接，实现“软件先行，以软带硬”的教学效果。

实验课程中，去除基于74系列器件的低层次简单设计内容，将FPGA技术全面引入到数字电路实验教学中。总共安排13个实验项目，其中7个是基于FGPA的复杂数字系统的设计，对学生综合学习能力要求较高，能有效提高学生的自主学习能力，培养创新能力。

3.3.2 开放实验室与“口袋实验室”相结合

为培养学生的自学能力和创新能力，实验室实行开放式管理，对学生全天开放，实验教师定期实时指导。此外，推行“口袋实验室”，进一步了扩展实验空间，解决了实验时空局限性的问题。学生可以租赁或自购便携式实验系统，随时随地将课程中的实例、实验训练以及自己的创意设计在系统上运行，充分打开自主学习空间[4]。

3.3.3 第二课堂教学法

开辟第二课堂能对课内内容进行深化总结。第二课堂以学生自主学习为中心来组织教学内容、开展教学活动，改变以教师为中心的传统教学模式。结合“口袋实验室”，教师根据教学需要布置课外实践训练作业，要求学生以组为单位完成不同的设计型与创新型的实验，演示最终结果并提交相关及实践报告。教师则利用答疑时间给予原理和方法指导。

3.3.4 改革效果

本次改革方案已经在12级本专业教学中进行了实践，初步取得了较好的教学效果。学生对数字电子技术课程及数字电子系统设计的兴趣明显提高，大多数能够独立完成课程要求，自主学习能力和动手实践能力大幅度提高，课程考核通过率达98%以上，实践考核100%通过，课程总体评价优秀，很受学生欢迎。此外，学生参加兴趣小组、创新计划及各种电子设计竞赛的积极性明显提高，12级本专业学生加入我院电子协会的达80人数以上，并加入了教师组织的电子设计兴趣小组，部分学生参与了2014年全国大学生电子设计竞赛，取得了1个一等奖、3个二等奖的好成绩，实践和创新能力得到了很好的锻炼。

4 结束语

为了更多更好地培养电子设计与应用类人才，通过“数电”课程建设实践探索，倡导“软件先行，以软带硬”教学方式，注重EDA/FPGA技术的掌握和运用，加强学生对数字电子技术的融会贯通，使学生掌握数字系统的设计方法，具备一定的自主学习能力、创新实践能力，为后续课程的学习和就业实习打开充裕的自主学习空间和就业准备空间。

［1］潘明,潘松,编.数字电子技术基础[M].北京:科学出版社,2008.

［2］黄丽亚,杨恒新,张业荣.电子电路平台课程的教学改革研究[J].南京:电气电子教学学报,2011,33(3):29-30+33.

［3］宁改娣,金印彬,刘涛,等.“数字电子技术”课程实验教学改革探讨[J].南京:电气电子教学学报,2013,35(4):102-103.

［4］Xilinx 大学计划[DB/OL].http://china.xilinx.com/support/university/index.htm.