系统能力培养背景下《数字电子技术》课程改革

李东勤，徐勇，常郝

（安徽财经大学管理科学与工程学院，蚌埠 233030）

0 引言

人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新、国际交流与合作是高等教育五大基本功能，但人才培养是最基础、最核心、最根本的任务。我们要坚持把立德树人作为根本任务，要把立德树人的成效作为检验学校一切工作的根本标准。时代的发展与变化催生了新技术加速兴起，人工智能、虚拟现实、基因工程、物联网、大数据、云计算正在引领科技、应用和社会进入智能时代。时代的发展对高等学校计算机专业人才培养提出了更高的要求，能够掌握计算机软硬件协同工作机制和基本运行原理，具备计算机系统层面的认知与设计能力，能站在计算机系统的高度来考虑问题和解决问题，即计算机系统能力[1-3]。

为了推动国内高校在计算机系统能力培养方面的教学改革，2010年教育部计算机类专业教学指导委员会（以下简称“教指委”）专门成立了“计算机类专业系统能力培养”研究项目组。在教指委的指导和推动下，国内许多高校开始重视计算机系统方面的教学，积极探索和实践系统能力培养模式[4-6]。

我校于2018年5月入选教指委高等院校系统能力培养第三批试点校。作为一所省属高校，我们也在积极探索具有特色的计算机系统能力培养模式，初步确定了硬件系列核心课程群的教改思路。本文将重点介绍《数字电子技术》课程的改革思路和成效，重点考虑与后续课程（例如计算机组成原理）的衔接和关联。

1 数字电子技术在计算机系统中的位置

我校计算机系统能力培养模式中，硬件类课程群建设主要涉及数字电子技术、计算机组成原理、微机原理与接口技术、操作系统和编译原理等五门硬件类核心课程。《数字电子技术》课程在整个硬件类课程群中位于最底层，是基础核心内容，具有很强的理论性、实践性和工程性，可以为后续课程提供很强的理论和实践基础[7-8]。

自从我校实行大类招生以来，《数字电子技术》是计算机类学生必修的一门专业基础课程，它是学生学习后面硬件类课程的基础。我校《数字电子技术》课程包括理论54学时和实验18学时。通过学习《数字电子技术》课程，学生可以掌握计算机系统最底层的硬件设计，从元器件、电路到功能部件，同时设计的功能部件，例如全加器、寄存器、存储器等还可以直接用到后续的《计算机组成原理》课程中。

2 数字电子技术理论教学改革

针对《数字电子技术》课程只注重课程本身的完整性，缺乏从系统能力培养的角度整体优化课程的问题，在学习其他高校教改经验后，我们因地制宜构建具有我校特色的课程体系。改革之前《数字电子技术》课程忽略了与后续课程（例如计算机组成原理）之间的衔接，很多知识点在两门课程中是重复讲解。这样既造成了时间上的浪费，更是无法帮助学生建立完整的系统观；同时我校计算机专业没有开设硬件描述语言课程，所以学生对数字电路的设计概念不是很强，没有这个意识。我们在《数字电子技术》课程开设的同时，增开Verilog HDL语言课程，目前该课程已经由开始的公选课变成了现在的必修课。通过Verilog语言，让学生理解数字电路的设计原理和方法，用软件的思路解决硬件的问题。

在具体讲解的知识点方面，我们根据计算机系统能力培养的要求，以《计算机科学与技术本科专业规范》为基础，同时考虑课程衔接和实验项目规模与难度，研究数字逻辑课程所涉及的知识领域、知识单元、知识点以及与后续课程之间的关系，最终建立符合计算机系统设计所需要的主要知识体系。与现有的《数字电子技术》课程知识体系相比，更加深入讲解寄存器、计数器、译码器、有限状态机、存储器等与后续课程相关的知识模块；同时，删除集成电路传输特性、555定时器、数-模和模-数转换等内容。

在课堂讲解过程中，通过引进超星的“学习通”平台加强和学生的互动，建立课外预习与课堂教学间桥梁，将课前-课上-课后的每一个环节都赋予全新的体验，最大限度地释放教与学的能量。使用学习通，教师可以将带有MOOC视频、习题、语音的课前预习课件推送到学生手机，师生沟通及时反馈；课堂上实时答题、弹幕互动、抢答、选人回答，为传统课堂教学师生互动提供了完美解决方案。学习通让教与学更明了，保证教学生动、加强师生间的互动。在基本概念和原理讲解的同时，我们更加注重通过实际生产生活中的具体案例，提高学生理论知识的应用水平，增强学生的工程实践能力、培养创新意识和创新能力以及团队合作精神。在案例选择时，我们既考虑复杂数字系统实践项目，即项目规模，又考虑学生的实际情况，不能打击大二学生的积极性。

3 数字电子技术实验教学改革

按照我校计算机系统能力培养的目标，从实验内容、实验方式和实验考核等三个方面对数字电子技术实验课程进行改革。实验内容分为验证性实验、设计性实验和综合性实验。其中，验证性实验主要对常用的芯片进行功能性验证，主要包括基本门电路和触发器，使学生更加理解和熟悉芯片的逻辑功能和各个引脚的作用；设计性实验主要包括组合逻辑电路的设计和时序逻辑电路的设计两大块，引导学生利用组合逻辑模块与时序逻辑模块进行数字电路设计；综合性实验放在学期最后，主要对课程所学知识点的一个综合运用，具备一定的规模和难度。设计性实验和综合性实验可以激发学生的学习兴趣，通过实验使学生从中获得成就感和满足感，更为重要的提高学生的动手实践能力，培养他们的创新能力和团队合作意识。我校数电实验课程合计18学时，共安排了八次实验，每个实验2学时，最后一次进行随堂测验，用时2学时。具体实验内容如表1所示。

表1 实验规划

在进行设计性实验时，对于同一个设计要求，我们以探究方式引导学生从不同方向，利用不同芯片，给出多种设计方案。例如交通灯故障控制电路的设计，我们首先进行项目的构思。通过分析，我们从逻辑功能中抽象出三个逻辑变量R、A、G表示三盏灯，用1表示等亮，用0表示灯灭；抽象出1个输出变量Z，用1表示正常工作，用0表示出现了故障，需要通知维护人员前去维修。由此，得到相应的真值表，如图1所示。

图1 真值表

由此可得到表达式：

Z=R'A'G'+R'AG+RA'G+RAG'+RAG

接下来我们就是实现这个表达式的过程，引导学生从不同的角度考虑问题，形成不同的设计方案。第一，利用基本的门电路实现，例如与或非门；第二，利用3:8译码器74LS138；第三，利用数据选择器74LS153或者74LS151。对比这三种设计方案，我们发现第三种方案最简单，使用的芯片最少。在传统的实验箱上，要求学生选择芯片进行电路的连接和测试，观察实验结果。

对于上面的三种设计方案，同时要求学生在EDA（Electronic Design Automation）软件工具Xilinx的Vivado中利用Verilog语言进行设计，并通过Xilinx的FPGA开发板进行验证。

4 结语

在计算机系统能力培养教改中，《数字电子技术》课程是学习计算机硬件系列课程的基础，具有较强的理论性、实践性和工程性，对培养学生基本素质、实践能力和创新能力具有举足轻重的作用。以计算机系统能力培养为最终目标，根据《数字电子技术》课程特点以及与后续课程之间的联系，对该课程进行了理论教学改革和实验教学改革，并取得了一定的成效。计算机系统能力培养改革之路还很长，也很难，但我们坚信路虽远，行则将至；事虽难，做则必成！