新工科背景下“数字电路与Verilog设计”教学改革

蔡苗 蔡红娟 周斌

摘 要 基于技术发展、课程建设、能力培养的需要，以夯实理论基础、强化学生的现代电子技术应用能力为目标，将传统数电课程与EDA课程进行整合，从课程整合原则、课程设置目的、Verilog教学内容设计、教学安排、教学方法等方面深入阐述了“数字电路与Verilog设计”课程改革方案。经两轮试点验证，获得了良好的教学效果，具备一定的科学性和较强的推广性。

关键词 数字电路 硬件描述语言 建模 教学改革

中图分类号：G424                                     文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.07.056

Teaching Reform of "Digital Circuit and Verilog Design"

in the Background of New Engineering

CAI Miao， CAI Hongjuan， ZHOU Bin

（WuChang Shouyi University， Wuhan， Hubei 430064）

Abstract Based on the needs of technology development， curriculum development， and capacity development， with the goal of strengthening the theoretical foundation and strengthening students 'ability to apply modern electronic technology， traditional digital electricity courses are integrated with EDA courses. From the principles of curriculum integration， the purpose of curriculum setting， the design of Verilog teaching content， teaching arrangements， and teaching methods， the reform plan of "Digital Circuit and Verilog Design" was elaborated in depth. After two rounds of trial verification， good teaching results were obtained， and it has a certain degree of science and strong generalization.

Keywords digital circuit; Verilog HDL; modeling; teaching reform

0 引言

2017年復旦共识、天大行动、北京指南，奏响了新工科建设的序曲。笔者所在高校为“应用型本科”，着力培养学生具备扎实的基础理论功底、较硬的专业核心能力、较强的工程应用能力。顺应新工科建设的需要，以OBE为导向，笔者所在高校也进陆续行了培养方案、培养计划、课程体系的调整。在制定人才培养方案时，更注重学科交叉、学科融合、系统级的综合实践能力、创新能力及自学能力的培养。在这种背景下，专业基础课程的建设显得比以往更加重要。

电子技术相关课程是电类专业十分重要的专业基础课程，基于技术发展、课程建设、能力培养的需要，笔者所在的电子系围绕传统与现代电子技术实践能力培养一体化的思路，将传统数电课程与EDA课程融合，加大实践环节的培养力度，重构了课程体系。

1 传统电子技术类课程教学的现状

传统的电子技术课程包括“数字电路与逻辑设计”（后简称为数电）、“模拟电子技术”、“电子线路实验”、“电子线路课程设计”，注重培养学生电路搭建、故障查处、仪器使用等专业基础核心能力的培养;而随着科技发展、单位用人需求，学生的现代电子技术实践能力需加强，而这块的能力只在大三的“EDA技术”课程中得到培养，时间较晚且学时较少;原有的电子技术课程体系在设置时，传统与现代电子技术实践能力的培养自成一体，缺乏连贯性、系统性;再者，EDA技术教学内容在安排上，有部分内容与数电知识重复，而这部分学时可以转移为实践教学。为了解决传统教学当中存在的不足，急需进行课程体系的改革。

2 按照现代电子技术能力一体化培养，重构课程体系

以夯实理论基础、强化学生的现代电子技术应用能力为目标，以学生现代电子技术能力培养为主线，按照“电子技术基础理论及实验、电子线路课程设计、EDA课程设计”三位一体的教学模式，将涉及到的课程进行优化整合，重构教学内容。课程体系重构前后的对照如表1所示。

（1）将“数字电路与逻辑设计”与“EDA技术”两门课程融合为“数字电路与Verilog设计”。新课程在原数电教学安排的基础上增加8学时的理论教学和8学时的附属Verilog实验。原“EDA技术”课程中，可编程逻辑器件和硬件描述语言基本语法融入本门课程的理论教学中;Quartus II软件开发平台以及FPGA开发板的基本使用方法通过课程附属实验讲解。重构的课程体系中，“数字电路与Verilog设计”是教学改革的立足点，也是重点。

（2）将“电子线路课程设计”的内容适当调整，设置项目在安排上，应体现对电子线路实验和数电附属实验的综合应用，同时应考虑到跟后续EDA课程设计的衔接性，做到对前课的查漏补缺，以及对后课的承上启下。

（3）增加“EDA课程设计”，原“EDA技术”取消，其中专业应用性较强的内容通过电子技术课程设计及EDA课程设计这两门实践课程来学习。

通过课程体系的整合，来提高课程的系统性、连贯性，增加数电基本理论与EDA技术的融入度，增强知识应用性，有利于促进学生对电子技术基础理论的掌握，同时，在总学时变动不大的情况下，加大实践环节的培养力度。

3 数字电路与Verilog设计课程改革方案

3.1 确定课程的整合原则

本课程定位为专业基础课，教学目的是让学生掌握基础理论，具备基本设计能力，注重教学内容的理论性和系统性。故而EDA课程在与传统数电课程进行内容优化整合时，应侧重于电子技术专业基础能力的获得，以此为原则，采用实例驱动的方式优化整合课程内容。

3.2 明确课程设置的目的，调整教学重点

进行课程融合的目的是加深对数电基础知识的理解，增强知识的应用能力;建立现代电子系统设计的一般概念，使学生尽早接触专业知识;降低语言建模的学习难度;培养学生的自学能力。故而，传统数电与EDA课程整合时，应将传统的数电课程和EDA课程中的部分内容进行融合，而非简单叠加。硬件描述语言只是描述电路的一种方法，在讲解语言建模时，仍应侧重设计思路的讲述。融合后，教学重点及培养目标相应的做部分调整。例如，传统数电教学的重点“培养集成器件的外部特性及应用能力”应调整为“器件应用能力+数字逻辑设计思维+语言建模能力”。

3.3 设计Verilog HDL教学内容

原有EDA课程涉及到的硬件描述语言语法众多，在进行课程融合时，以“实例驱动、够用原则”来设置Verilog部分的教学内容。

（1）通过简单介绍PLD的一般概念、设计流程、开发环境，初步认识现代电子电路设计的一般方法。给出一个简单的逻辑电路，展示其门级建模，对比模块、逻辑电路、器件，进而讲解模块的基本结构、关键词、自定义标识符等，建立对于可编程逻辑器件及语言建模的宏观认识。

（2）通过展示组合电路的建模实例，讲解相应语法，降低语言的枯燥性，增加应用性。例如，以2选1数据选择器为例，通过与逻辑图比对，讲解结构级建模及内置门级元件;通过表达式比对，讲解数据流建模及运算符、wire型变量等;通过功能表比对，讲解行为级建模，讲解语句块、敏感事件等。

（3）通过回顾行为级描述的一般结构，比对讲解敏感事件列表、过程赋值语句，在此基础上举例讲解触发器、计数器、移位寄存器的建模。

（4）以4位全加器为例，引出电路的层次结构，讲述顶层模块、低层模块、实例引用、位置关联、名称关联。

（5）Verilog实验形式分为随堂实验和单设实验。随堂实验讲述在quartus下进行設计的全过程，以及语法错误的判断及纠正。单设实验围绕教学重点，实验项目在安排上应模块化，层次化，由浅入深，在加深对数电基础理论的理解的同时，引导学生进行模块化的电路设计，培养学生的逻辑设计思维。例如，第一次实验，基本内容[1]可以设计一个简单的加法器，掌握设计输入、编译、下载及测试的全过程，在此基础上设计一个带控制端的显示译码器，扩展内容为设计一个编码、译码、显示电路。

3.4 制定教学安排

考虑到数字逻辑基础理论知识的系统性，结合以往学生在传统数电课程学习过程中对知识的接受度以及能力获得情况，课程内容在安排上，将“组合电路的VerilogHDL建模”与“触发器及时序电路的VerilogHDL建模”分别放在“组合逻辑电路设计”与“时序逻辑电路设计”之后集中讲述，随后8学时的单设实验分两次集中开设。

3.5 充实教学方法

采用项目（工程实例、生活实例）导入的方式，激发学生主动学习的兴趣。设置随堂软件仿真环节，利用Multimsim仿真软件实现电路仿真，具化相关知识点，加强学生对重难点的理解和掌握。对于重难点内容，通过课前预习、课中提问、课后周练的方式进行强化教学，巩固所学知识，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。利用信息化学习平台，引导学生主动通过实践和自学获得关于数字逻辑的相关知识。

4 结论

将VerilogHDL设计融入传统数电教学，语言建模与面包板搭建相结合，加深学生对数电基础知识的理解，增强知识的应用性、系统性，强化学生传统与现代电子技术实践能力的培养，同时使学生尽早接触专业知识，在大二就建立起现代电子系统设计的一般概念，此外也降低了语言建模的学习难度。课程设置符合现代技术发展、课程建设、能力培养的需要，经两轮试点验证，获得了良好的教学效果，具备一定的科学性和较强的推广性。

参考文献

[1] 蔡苗，蔡红娟.信息类专业平台课程实验教学体系改革的探索与实践[J].实验室研究与探索，2012.31（9）：144-146.

[2] 蔡苗，蔡红娟.电类专业基础实验课程教学方法的改革与实践[J].电气电子教学学报，2016.38（1）：112-114.

[3] 李培根.主动实践：培养大学生创新能力的关键[J].中国高等教育，2006（11）：17-18.

[4] 刘银萍，陈惠珊.“数字电子技术”实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索，2006.25（8）：981-983.

[5] 陈朝晖，王瑛.大学生创新能力现状与主动实践理念探析[J].高教论坛，2008.8（4）：55-57.