寧改娣，金印彬，劉 濤，楊 爽

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

近十多年來，大量先進(jìn)技術(shù)紛紛出現(xiàn)在高校的課程設(shè)置中，如DSP、SOPC、EDA技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、硬件描述語言、軟件無線電技術(shù)和演化硬件技術(shù)等。這其中許多是未來電子技術(shù)的發(fā)展方向和市場應(yīng)用的需求方向，也預(yù)示著良好的就業(yè)取向。所有這一切，把作為這一領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課—“數(shù)字電子技術(shù)”的地位和重要性推到了前所未有的高度。對該課程的教學(xué)和實驗也提出了挑戰(zhàn)。

1 國內(nèi)外“數(shù)字電子技術(shù)”課程現(xiàn)狀

目前，美國的很多著名高校，如MIT，Stanford和UC Berkeley[1]等不斷跟進(jìn)數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，都在基于新型FPGA的實驗系統(tǒng)上開展“數(shù)字電子技術(shù)”、“微處理器結(jié)構(gòu)”和“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”等課程的教學(xué)和實驗。文獻(xiàn)[2]介紹了學(xué)生利用FPGA設(shè)計的一系列性能不斷完善的機(jī)器人。

國內(nèi)絕大多數(shù)重點高校由于政策導(dǎo)向?qū)е聦Α皵?shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)不夠重視，教學(xué)內(nèi)容、教材和實驗內(nèi)容更新都比較慢。其主要體現(xiàn)在三個方面:①課程的核心內(nèi)容未變，重點仍然放在中、小規(guī)模器件的組合和時序邏輯電路分析和設(shè)計上。②教材的基本結(jié)構(gòu)安排未變，許多章節(jié)內(nèi)容孤立，知識點連貫性差。整個教材中器件介紹占很大篇幅。③實驗內(nèi)容與實際應(yīng)用距離越來越大，驗證性實驗居多，知識和實踐要求梯度過低。

近幾年來，有些高校已經(jīng)意識到問題的嚴(yán)重性，對該課程在教學(xué)、實驗內(nèi)容和模式上開始進(jìn)行大刀闊斧的教改。如何鼓勵和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神是當(dāng)前“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)和實驗中需要重點考慮的內(nèi)容。

2 課程實驗教學(xué)改革思路

本文提出了一個循序漸進(jìn)的改革方案并在本校開始試點:先進(jìn)行實驗內(nèi)容和實驗教材的教改建設(shè)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行理論教學(xué)內(nèi)容和教材的改革。

1)實驗平臺建設(shè)

很多學(xué)校都已致力于自主開發(fā)實驗系統(tǒng)，對“數(shù)字邏輯電子技術(shù)”、“單片機(jī)原理”和“微型計算機(jī)原理”等課程分別開發(fā)了不同的實驗平臺。但是這些實驗平臺需要學(xué)生花費大量實驗時間熟悉實驗平臺和軟件系統(tǒng)，卻不能提高學(xué)生對課程重點內(nèi)容的關(guān)注度。我們主張采用專業(yè)公司開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化和資源共享的實驗平臺。目前，很多的公司專門開發(fā)了基于FPGA的教學(xué)或研究平臺，越來越得到教師、學(xué)生和工程師的認(rèn)可。例如:Xilinx和Digilent公司推出的FPGA實驗平臺軟硬件開源，全球流通，先進(jìn)性和兼容性皆好，加之在同一實驗平臺上可以進(jìn)行多門課程的實驗，在國內(nèi)外高校得到廣泛應(yīng)用[3-5]。此外，Xilinx公司還積極在我國高校推廣非常適合本科生使用的Nexys3和Basys2實驗平臺。

2)實驗內(nèi)容建設(shè)

實驗內(nèi)容上要增強(qiáng)自主設(shè)計內(nèi)容，注重實際應(yīng)用。目前，我國很多高校都取得了成效，低年級的學(xué)生就能熟練使用EDA工具和HDL自主設(shè)計出各種極具創(chuàng)新特色的數(shù)字系統(tǒng)，如VGA圖形或文字顯示控制、數(shù)字音樂播放器、PS/2鍵盤及鼠標(biāo)控制、數(shù)字電子琴、數(shù)字立體聲驅(qū)動設(shè)計、機(jī)器人控制、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、彩色LCD驅(qū)動以及邏輯分析儀設(shè)計等。借鑒他們的成功經(jīng)驗，我校利用Nexys3和Basys2實驗系統(tǒng)，以基礎(chǔ)實驗引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域，減少驗證性實驗，增加實際數(shù)字系統(tǒng)中最常用器件AD/DA和存儲器等的FPGA控制內(nèi)容，增強(qiáng)自主設(shè)計和創(chuàng)新性實驗。

數(shù)字電子技術(shù)實驗內(nèi)容建設(shè)還要逐步引入ALU、CPU、微代碼和微處理器等概念，增加 FPGA實現(xiàn)CPU以及對AD/DA和存儲器等常用接口的控制，并引導(dǎo)學(xué)生掌握將簡單的可重用模塊組成一個復(fù)雜實用系統(tǒng)的技能。

3)實驗教學(xué)模式改革

對于現(xiàn)代數(shù)字電子電路設(shè)計，走進(jìn)實驗室進(jìn)行基礎(chǔ)驗證性實驗和使用FPGA實驗系統(tǒng)驗證任何現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計結(jié)果是必須的。但是現(xiàn)代數(shù)字電子電路設(shè)計很大精力是花費在軟件設(shè)計上。因此，現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計的很多內(nèi)容完全可以先借助于CAD軟件在實驗室之外進(jìn)行，擴(kuò)展的實驗空間能解決實驗學(xué)時有限的問題。Digilent公司的實驗板也有利于推行“口袋實驗室”，每個學(xué)生都可以擁有一套低成本的實驗系統(tǒng)，可以隨時隨地將自己的設(shè)計或創(chuàng)意在系統(tǒng)上運(yùn)行。

在實驗室教學(xué)基礎(chǔ)上，我們建議學(xué)有余力且對數(shù)字電子技術(shù)感興趣的學(xué)生申請開放實驗項目，申請本科生科研訓(xùn)練和實踐創(chuàng)新基金項目，或申請國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目。教師可以組織學(xué)生參加院級、校級和高校之間的競賽活動。

我們通過考核方式強(qiáng)化實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，推薦理論教學(xué)和實驗的流程為:講課→主講教師安排學(xué)生進(jìn)行課后實驗的預(yù)習(xí)→實驗指導(dǎo)教師檢查預(yù)習(xí)報告(傳統(tǒng)實驗還要檢查電路連接)→進(jìn)入實驗室實驗→提交實驗報告→ 根據(jù)預(yù)習(xí)、做實驗和寫報告三部分成績給出實驗總成績。同時，主講教師應(yīng)當(dāng)負(fù)責(zé)一定數(shù)量的實驗指導(dǎo)和創(chuàng)新實驗開發(fā)工作，并負(fù)責(zé)理論教學(xué)和實驗的配合問題，盡量做到講課和實驗緊密銜接。

3 結(jié)語

本教改方案已逐步在本校實施推廣。學(xué)生通過教改試點，對數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計興趣明顯提高。在實驗教改逐步完善的過程中，今后將進(jìn)一步提出實驗教材內(nèi)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，F(xiàn)ast Trading Platforms Start with FPGAs.http://issuu.com/xcelljournal/docs/xcell79/28?mode=window＆background Color=%23222222(意大利)

[3]Xilinx FPGA入門教程、開發(fā)套件ISE、和實驗資料網(wǎng)站http://china.xilinx.com/或 http://www.xilinx.com/

[4]Digilent中文網(wǎng)址:http://www.digilentchina.com/

[5]OpenHW-中國首個開放源碼硬件社區(qū) http://www.openhw.org/