新工科建设下地方普通高校数字电子技术课程的实验教学改革探究

张克声，饶文贵，程星晶

（1.贵州理工学院 电气与信息工程学院，贵州 贵阳 550003；2.中南民族大学 电子信息工程学院，湖北 武汉 430074）

新工科建设是一项涉及面广、影响面宽、具有中国特色的复杂系统工程，其内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，设置和建设服务国家战略、满足产业需求、面向未来发展的工程学科与专业，进而培养造就一批具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的各类交叉复合型卓越工程科技人才［1-3］.当前工程教育从单纯追求学术表现回归到实践的应用，要从工程中发现科学问题，并能运用科学原理解决工程难题，强化实践创新创业能力［2］.新工科的“新”可以体现在人才培养全过程中的主要环节的改革、变化和发展，亦可体现在针对传统的、现有的工科专业通过信息化、智能化或其他学科的渗透而转型、改造和升级“更新”而成［3］.对于地方普通高校而言，新工科实践的重点应该在应用型工程技术人才培养上［1］.数字电子技术（以下简称数电）课程是电气专业与电子信息专业基础必修课程以及部分非电类专业在电子技术方面的入门基础课程，对于培养能够运用数字电子技术的基础概念、理论和分析、设计方法来解决较复杂数字系统相关问题的新型工程人才方面起着重要的作用［4］.数字电路的集成度每1-2年便翻一番，同时数字电子新产品的开发速度日益加快，对电子设计自动化（EDA）提出了更高的要求.这使得此课程具有技术更新快、实践性强和EDA软件依赖性高的发展趋势［5-6］.

地方普通高校受限于教师队伍、实验室软硬件和经费等条件，数电课程的理论教学、特别是实践教学和实验教学平台改革普遍进展缓慢，往往以手工数字电子设计技术作为核心，讲授组合/时序电路的分析与设计，并作为书面考核的主要内容，不注重实际技术，偏重于原理验证.新工科建设需要将学科前沿知识和相关学科交叉知识、原理和方法融入到专业课程，以开拓学生的视野，培养学生的未来能力，需要将源自真实工程世界的实践项目建设成为学生创新创业能力、动态适应能力、终身学习能力培养的平台［2，7，8］.所以，数电课程如果仅保持传统数字电子技术的实验内容，就会导致只强调“书面实践”性，偏离真正的教学目标和要求.再者，传统数字电路实验平台，其设计理念已经过时，难以满足综合和创新设计的要求，已不能适应新工科建设下对新型人才培养的需要.可见，对于数电这门实践性要求高的课程教学改革必先行于实验教学平台的改革.

为促进新工科建设在地方普通高校的落地，首先，基于FPGA（可编程的逻辑列阵）完成了数电课程传统实验教学平台的升级改造，以满足新工科建设中对人才培养的灵活多样的创新实践需求.其次，对实验教学学时和内容进行了相应的调整，引导学生完成更为贴近现代数字技术发展趋势的工程项目设计.反馈和实践结果表明：基于新实验平台的项目化教学方式可提高学生的学习积极性，提升其对专业知识的理解程度和工程综合应用能力.

1 地方普通高校的实验教学情况

在部分地方普通高校，数电课程的基本教学内容和实验模式几乎停留在30年前，仍以那个年代的手工数字电子设计技术为核心作为教学与考核内容.学生往往只是“学以致考”，实验内容脱离实际工程项目所需，通常只涉及以下几部分内容，即：中小规模TTL集成逻辑门的逻辑功能与参数测试，组合逻辑电路的设计与测试，译码器、触发器、时基电路以及计数器的功能测试和初级应用.

然而，一方面，在过去的30 年中，随着DSP（数字信号处理）技术、SOC（片上系统）设计、EDA技术、嵌入式系统、微电子技术和硬件描述语言等大量新技术的纷纷涌现，以及集成电路的速度和集成度的快速提高，数字电路的设计实践经历了非常大的转变，例如：当今一块芯片可以包含几千万个晶体管且可利用硬件描述语言编程的方式构建片上系统，然而过去要实现这样的系统，需要用几百个包含了上百万的单个门电路和触发器的分立芯片来构造；当前成功的产品开发更多地受限于设计团队正确、完整地定义产品详细功能的能力，而不是受限于团队将需要的所有电路集成到一个电路板或芯片上的能力.另一方面，作为核心教学内容与考核内容的传统数字电路手工设计的许多观念、方法和思路，它们对于现代数字技术而言，却是不恰当、低效，甚至是错误的.这不仅浪费了大量的教学资源，还会导致学习者花费更多额外的时间去纠正这些失当的理念，并以过低的起点去面对以此为基础的许多后续课程和将来就业岗位的技术要求.例如［8］：传统的逻辑电路分析技术往往只分析逻辑功能而不分析时序特性，这本质上是一种低速系统的设计理念，而现代数字电子技术是把设计对象看成是一个高速网络来分析，特别注重时序特性；过于强调化简，事实上现代数字设计技术中已无化简这个概念，而正确的概念是优化；学生在传统数字电路的实验环节完成的仅是一些数十个逻辑门规模的简单电路设计，而许多国外大学本科一年级学生就能完成数十万门逻辑规模的自主设计项目；对于现代数字电路设计中的重要内容，诸如：A/D（模-数）和D/A（数-模）的逻辑电路控制、存储器和PLD（可编程逻辑器件），仅停留在结构原理的介绍而非工程应用，使得它们与主干内容呈游离状态.

目前，国内清华大学、东南大学、华中科技大学、电子科技大学和桂林电子科技大学等一些工科重点大学和其他一些在电子专业方面具有特色的高校中已进行了数电课程的理论教学和实践教学平台的改革，并取得了很好的效果.但是，由于教师队伍素质和经费问题等各种主客观原因，在普通地方高校中数电课程教学，特别是实践和实验教学改革都进展缓慢.如果数电课程的实践教学设置不能与新经济形势下的“新工科”知识相融合、陈旧的内容不能及时调整，便会造成所培养的学生知识结构老化、适应能力不强，将得不到市场的接受和认可，更不能满足具有新时代竞争力的“新工科”人才的要求［9］.所以，在新工科建设大背景下，对于部分普通地方高校而言，数电课程的实验教学改革刻不容缓.

2 实验教学平台的升级改造

2.1 传统实验平台

传统的数电课程实验平台（如图1 所示）基本上由DIP（双列直插封装）芯片插座和接线孔构成，搭接电路复杂，不易排查故障.在做实验的过程中，容易造成学生专注于意义不大的繁琐接线中，而非电路本身的原理和设计.同时，这些中小规模的逻辑门芯片的数字电路设计目前已经被淘汰，已在电子市场上很难买到.这种过时的数字电子技术实验平台不仅不能满足现代数字电子技术的设计和发展需求，而且更难以达到当前新工科建设背景下对数字电路综合实验和创新教学活动的要求.

2.2 新型实验平台

目前市面上新的数字电路实验平台不仅价格高，而且外设不多，功能不全，往往仅能够满足传统数字电路的实验教学，难以满足综合性、创新性项目设计的要求.因此，以现代数字电子技术理念为指导，基于FPGA 对实验平台的设计进行了升级改造（设计框图如图2 所示，实物照片如图3所示）.新的实验平台在能够进行少量传统数字电路实验的同时，还能够进行综合数字逻辑电路和片上系统设计，并能通过扩展丰富的外部接口完成高速数字电路设计，从而满足新型人才培养所需的灵活多样的创新实践需求.

由于传统的数字电路设计方法是现代数字电路的基础，为使学生加深对数字电路设计理念转变的理解，同时也使该实验平台能够对传统数电实验教学起到一定的过渡和缓冲作用，所设计的实践教学平台保留了少量传统的中小规模数字电路设计实验.新设计的数字电子技术实验平台具备如下电路和模块：

（1）传统数字电路实验模块：a）7段数码管3 个（其中2 个具有独立的译码电路）；b）DIP芯片插座14、16脚各2个；c）提供1 Hz时钟和单次手动时钟；d）12 路拨码开关输入，并用发光二极管指示输入高低电平；e）8路数据输出并用接发光二极管指示输出高低电平.

图1 传统数电课程实验平台

图2 新型数电课程实验平台设计框图

图3 新型数电课程实验平台

（2）FPGA 的数字电路设计模块：a）Altera Cyclone 系列FPGA 芯片EP1C6Q144T；b）FPGA 配置芯片、电源电路、24 MHz 时钟；c）外部扩展按键12个、7段数码管3个；d）外部扩展IO管脚16个，并有发光二极管指示；e）外部扩展IO管脚80个，用排针引出（方便进行创新活动项目扩展），方便为ADC、DAC等外围电路提供接口.

在新平台的设计过程中，避免了从FPGA核心板直接引线作为输入输出，从而保证核心板能够单独使用，方便进行创新实验和扩展实验；核心板与底板通过2 mm的排插相连，在底板上通过大的插孔与FPGA相连，方便学生接线；提供1 Hz时钟和24 MHz的两种单次时钟，方便学生调试电路，观察状态，从而满足不同需求；供电采用小功率5 V的便携电源，整个实验平台的所有电路都采用3.3 V供电，从而减小电路板的体积和质量.相对于传统的数字电路实验平台，新设计的实验平台具有以下优点：1）只需接少量用于输入和输出指示导线，数字逻辑电路设计在核心板的FPGA中完成；2）能够完成传统74系列的数电实验，方便接插的接线孔，并用不同颜色区分插孔，方便学生接线，不易出错；3）FPGA的管脚通过底板引出，并在底板丝印层做了管脚标记，方便管脚配置，而且接口采用标准的大号接线孔，既方便接线，又不会因为反复实验损坏FPGA核心板；4）提供丰富的时钟，包括单次时钟，1 Hz 时钟，24 MHz 时钟，方便时序逻辑电路设计和测试；5）FPGA 核心板提供丰富的管脚，便于进行开放性扩展实验，核心板也可单独使用.6）采用本实验平台和QuartusII软件，学生可以高效地完成数字逻辑电路工程项目的软硬件设计.

3 实验教学内容调整和项目化教学

3.1 实验教学内容调整

为了配合新型实验平台的使用，需要在传统教学内容以外，对学生进行10学时的硬件描述语言和EDA软件的理论教学：可编程逻辑器件的历史、发展和基本知识为2学时，Verilog HDL硬件描述语言语法为8学时.Verilog HDL教学内容包括：1）模块，端口和基本描述方式，基本语法规则，算数和逻辑运算符，运算顺序，关键字.2）用Verilog HDL描述组合逻辑电路：门级描述（简单）、信号流描述（简单）和行为描述（重点）；if，case语句的用法；编码器、译码器、数据选择器，现实译码器的行为描述.3）用Verilog HDL描述时序逻辑电路：赋值语句：阻塞和非阻塞赋值语句的应用，状态机设计，计数器设计.另外需在新设计的实验平台上完成6个实验，共需18个学时，这6个实验分别是：1）逻辑门测试与SSI 设计（传统74 系列）；2）中规模组合逻辑电路设计（传统74 系列：数据选择器和3-8 译码器应用电路设计、产品等级指示电路、开锁报警电路）；3）Quartus Ⅱ软件的使用：画原理图的方式（结合SSI 设计和3-8 译码器应用设计）、硬件描述语言方式（结合SSI 设计和MSI 设计）、原理图文件设计，编译，管脚分配，下载；4）数据选择器、显示译码器的硬件描述语言设计（Verilog HDL）；5）移位寄存器和计数器设计（传统74 系列+Verilog HDL）；6）555 定时器应用（Verilog HDL）.图4 和图5分别是在新实验平台上进行计数器的硬件描述语言和Quartus Ⅱ软件原理图设计的实验例程.

图4 十进制计数器硬件描述语言设计

图5 100进制计数器混合设计原理图

3.2 项目化实验教学

在新型实验平台上进行实验教学的基础上，将利用其逐渐开展项目化的实验教学.项目教学法是指将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个贴近实际工程的教学项目，教学活动围绕项目组织和展开的一种教学方法.具体而言，就是以完成项目的形式，指导学生进行理论相关内容的学习，然后引导学生进行项目的开发，由学生进行理论知识的汇总、方案的设计、项目制作及最终评价［4，10］.

下面以一个成功开展的抢答器项目为例，来说明项目化教学的实施情况.表1是三人抢答器项目设计的示例说明.抢答器在各类竞赛性质的场合得到了广泛的应用，它消除了由于人眼的误差而未能正确判断最先抢答的人的情况.抢答器的原理如下：首先主持人设置一个抢答允许标志位，目的就是为了允许或者禁止抢答者按按钮；如果抢答允许位有效，那么第一个抢答者按下的按钮就将其清除，同时记录按钮的序号，也就是对应的按按钮的人，这样做的目的是为了禁止后面再有人按下按钮的情况.抢答器的实现的核心就是在抢答允许位有效后，第一个按下按钮的人将其清除以禁止再有按钮按下，同时记录清楚抢答允许位的按钮的序号并显示出来.若采用传统门电路方法，则需要较多的触发器和繁琐的电路连接.但是其逻辑十分清晰，对初学者来说特别容易理解，若采用FPGA 方式实现，则只需要理清楚抢答过程的逻辑关系即可方便采用case语句，if-else if语句，再加上适当的标记位即可完成具有实际应用的抢答器产品.

表1 三人抢答器项目设计示例

教学目标下达后，老师给学生讲解抢答器的背景和设计关键知识点，然后学生自行查找资料，给出设计方案和程序设计.老师审核后，学生便可到实验室预约登记，最后到实验室完成仿真和下载验证.这种教学法可以提高学生对教学过程的参与度，让学生有兴趣去分析问题，综合和系统性地应用所学的知识去解决问题，从而提高学生解决实际问题的能力，真正体现了“以学生为主体”的教学理念［10，11］.特别是，项目教学过程中由于使用了EDA工具，学生可以直接看到项目的电路设计、连接和调试的过程与结果，不仅加强了学生对传统教学中知识点的理解，还可以使其加深对现代数字电子技术的设计理念的理解.EDA工具还具有不受到实验设备、经费、场地的限制的优点，学生可利用其进行自由探索学习，使得创造能力得到充分发展［11，12］.当然，由于采用基于FPGA的新实验平台进行数字电子技术实验，除了上述抢答器设计外，还可以根据学生掌握的实际情况进行一些其它综合性更强的项目内容，如：数字钟，PWM波形发生器，脉冲信号参数测量等.

数字电路是一门实践性很强的课程，实验教学的改革是课程改革的重要部分，对培养学生的创新意识、提高学生动手能力和解决实际问题的能力至关重要.项目化的实验教学方法，可应用在数字电子技术课程的课带实验、独立实验、课程设计以及课外科技活动的开发性实验之中.从授课后学生反馈的意见来看，大部分学生认为项目教学可以提高他们的学习主动性和积极性、提升他们对专业知识的理解和应用能力，并且希望在实验教学中能加入更多的项目.近年来，中南民族大学电子信息工程学院学生在全国电子设计大赛、智能车竞赛中，获得了国家级奖励20多项和省级奖励60多项，毕业生专业能力和综合素质也得到用人单位的肯定.这说明基于新型实验平台的项目实践对于提升学生综合电子设计能力起到了很好的作用.

4 结束语

通过将DIP芯片插座和接线孔所构成的传统数电课程的实验平台升级改造为基于FPGA的新型实验平台，并调整相应的实验教学学时和内容，逐渐将数电课程的教学方式从“学科导向”转为“项目导向”，把学生的学习目的由“学以致考”变为“学以致用”.学生可通过改造后的新型实验平台完成更为贴近现实工程世界的项目设计，能够将学到的知识融会贯通，并提升自身专业知识和工程技术的完备性和系统性，从而具备更好的适应未来工作环境和技术发展变化的能力.相对传统基于中小规模的数字电路实验，基于新型实验平台的实验教学使学生掌握了基于FPGA 的现代数字电子设计方法，并能够进行一些综合性的设计.但受学时的限制，课内实验中的综合设计还是偏少；且由于实验平台资源有限，课内实验主要还是训练学生基本数字逻辑电路设计能力及其FPGA实现，仍然难以开展大规模的数字系统设计.为加强学生的数字电子技术综合设计能力，提高学生的创新应用能力，我们将持续进行教学改革，争取更多的教改项目支持，并进一步加强课程项目实践，设计包含AD/DA变换、多位数码管、光电传感器、温度等传感器等常用硬件资源的便携式FPGA开发板，并购置下载调试器.课内实验结束后，可将便携式开发板直接提供给学有余力的同学，以便其开展更完整和实用的数字系统设计，比如：数字电压表，数字频率计，数字基带传输系统等.

基于新型实验平台的项目化教学方式与新工科建设的主要目标，即培养具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的交叉复合型卓越工程科技人才相符合，从而可促进新工科建设在普通高校数电课程的具体化落地.新工科的“新”可以是对传统的、现有的学科进行转型、改造和升级，包括对内涵的拓展、培养目标和标准的转变或提高、培养模式的改革和创新［1］.所以，此次数电课程的实验教学改革探索，对于地方普通高校如何在类似课程的实验教学中推进新工科建设的落地，具有一定的借鉴意义.