Major Construction & Course Construction“数字系统设计”课程 的实践教学改革初探
李宇波，叶德信，卓 成，史治国
（浙江大学信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027）
【摘要】 作为电子信息类本科教学的基础，“数字系统设计”一直以来都是教师与学生关注的重点课程之一。但是，
从传统教学方式所获得的效果来看，大部分学生还不能完全掌握数字系统设计的方法及系统性的思维方式。近些年来，笔者所在的教学团队进行了“数字系统设计”课程的实践教学改革。通过多种教学方法的结合与交叉，如将口袋实验室的概念引入教学等，使学生对于设计方法及设计思维的学习与理解较以往有了显著提高。总结了能较为有效地提高学生自主实践能力及定向创新能力的5个教学方法。将传统的课堂授课与自主实验过程进行有机整合，促进了“数字系统设计”课程的教学改革发展。
【关键词】数字系统设计；口袋实验室；实践教学
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-5065（2020）03-0039-05
0 引言
“数字系统设计”是电子信息类本科的一门重要专业基础课，从通识课的角度来看，该课程是一门校级跨专业的通识课。随着时代的发展，作为高等教育层次的课程，仅完成知识讲授已远远不够。需要充分培养并提升学生的实践能力，
收稿日期：2019-11-1
作者简介：李宇波（1977—），男，河北秦皇岛人，博士，副教授，研究方向为信息传感与处理技术；
叶德信（1984—），男，浙江丽水人，博士，副教授，研究方向为新型微波材料及天线系统；
卓成（1981—），男，浙江杭州人，博士，研究员，研究方向为集成电路设计及自动化；
史治国（1978—），男，江苏扬州人，博士，教授，浙江省“万人计划”创新领军人才，研究方向为信息与信号处理。
使学生通过对“数字系统设计”课程的学习，能正确掌握数字系统设计的基本原理、基本方法，并能够独立开展实践。实践应用是学习该门课程最终应达到的目标。“数字系统设计”课程内容非常丰富，但因课时有限，学生在课堂上不能深入理解并消化所学的知识，很难达到课程目标。理论与实践相脱节是目前课程教学中的一个重要问题。随着互联网技术的迅猛发展，社会急需电子行业人才。“数字系统设计”课程现有的教学内容和教学模式，已经无法满足人才培养的需要。传统教学方法很难培养出能发现问题、分析问题并解决问题的实践型人才。甚至有不少学生对课程产生了强烈的排斥感。因此，有必要在教学内容、教学方法、实践环节及考核方式等方面做出改革，探索“数字系统设计”课程的教学新理念，培养学生的创新意识和动手能力。
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工业和信息化教育Industry and Information Technology Education1 课程教学内容及教学模式的改革
“数字系统设计”课程的理论体系内容相当丰富，教学内容多。在传统教学中存在的问题主要有两方面。①由于学时的限制，理论教学与实践教学相分离。在理论课教学中对理论知识的过分强调，造成了学生对数字系统设计领域不断出现的新技术、新应用完全没有概念。学生疲于应对原理性的学习和考试，缺乏对数字系统概念的深入理解，无法培养自身的实践能力。导致课程的学习内容与社会发展及技术发展的需求严重脱节。②现有的教学规划是按照理论体系和实践体系分别安排的。在理论体系中使用的各类仿真软件，实际上并不能够充分体现数字系统设计的概念，因为所有的软硬件资源是无限量提供的，这样一来，学生虽然对开发工具及仿真软件的操作能力较强，但是仍然无法建立完整的数字系统知识体系，遇到问题不能举一反三，无法变通地解决问题。因此，本应在实际教学中体现的课程基础性、系统性、先进性很难实现，需要对教学模式进行改革。
笔者所在的教学团队采用了混合式教学法。在课堂上，利用一部分学时进行理论讲解，另一部分学时安排学生进行理论练习，并安排大量学时让学生进行课堂实验，结合图形法设计或Verilog代码编写，进行数字系统功能的设计与验证。“数字系统设计”课程在实验操作的教学设计上非常重要，需要与理论讲解充分结合才能显示出教学效果。通过多年的教学设计探索，笔者采用了基于口袋实验室的教学开发板进行实验教学，在很大程度上调动了学生的学习积极性。教师不仅能够在课堂有限的时间内完成教学目标，还能在教学过程中通过实验操作训练，培养学生举一反三的能力，同时也增强了课堂上教师与学生的互动。
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2 5 个教学方法
2.1 口袋实验室教学法
“数字系统设计”作为信息与电子技术领域的课程，在教学中培养学生的实践能力是重中之重。笔者在长期的教学实践中发现，教学时可以暂时绕开电路基础，直接进行数字设计的理论教学及实验探索。这是因为，“数字系统设计”课程的主要教学目的是让学生理解并掌握数字系统、应用数字系统、设计数字系统的思维方式，只关注对数字逻辑的学习。因此，课程的教学内容完全可以通过小型的FPGA开发板（可以放在口袋中，又称口袋实验室），以编程的方式实现[1,2]。目前市面上的FPGA开发板基本上都具有较为完整的配套功能及配套接口。具备多种按键、显示器件、多种串口类型等设计，完全能够满足课程教学中对于逻辑学习、数字系统的输入/输出及接口的各种需求。同时，学生不用担心自己的电路基础，可以通过接口配置与所需功能的模块直接连接，且额外的功能模块很容易购买到。因此，通过实验教学，教学团队能够快速有效地帮助学生深入理解课程的理论知识，并能帮助学生将所学知识应用到实际的数字设计项目中。
例如，课堂实验中，笔者安排了电子锁的实验内容。通过结合开发板上的按键及数码显示管，学生可以完成4位密码锁的设计与实验。实验中，学生能深入理解状态机的设计方法与设计思路。在解决实验中出现的各种问题时，学生也会逐渐明白状态机的状态转移是如何实现的，进一步掌握了设计状态机的状态转移过程，系统的输入／输出及各种边沿触发的类型等内容。这样一来，学生就有兴趣去了解实际中电子门锁的工作机理及设计方案。在整个设计过程中，学生的兴趣不断提升，学生在工程设计、制作和组织管理等方面的创新能力也得到了培养[3,4]。
专业与课程建设2020年3月刊2.2 对比教学法
采用教学内容的对比，或者学习逻辑的对比，在课堂教学中具有显著成效。在“数字系统设计”课程中，很多知识点具有系统相关性[5]。例如，在讲解时序逻辑及状态机设计的步骤时，可以与组合逻辑设计的过程进行对比。在对比的过程中，帮助学生建立起记忆元件的概念，使学生理解触发器在数字系统设计中的重要性，熟练掌握记忆元件的使用方法及对应的Verilog代码。最终帮助学生明白时序设计中的驱动方程、特性方程、输出方程是如何建立的。
对于一个数字系统而言，设计者所确定的输入／输出要进行合适的变量定义。这一点无论是对于组合逻辑设计还是状态机设计都是共通的。不同之处在于，两者需要定义的真值表具有显著区别。时序逻辑设计与组合逻辑设计的不同点（也是难点）在于，现态输出还要与下一时刻的输入相关联，对次态输出的结果产生影响。因此，需要利用状态转换图、状态转换表或时序逻辑真值表，明确逻辑转换的关系，要在教学过程中，让学生深入理解如何设计时序逻辑的真值表。
例如，状态机的设计结构可以总结成组合驱动逻辑、状态记忆逻辑、输出逻辑这3个模块。其中状态记忆逻辑的输入同时也是驱动，就是用组合逻辑设计而成的，如图1所示。只要列出驱动方程，就能够清晰地分析和设计出状态机的功能。
输入下一逻辑状态F驱动信号Major Construction & Course Construction利用状态图或状态表，根据实际情况设计逻辑模块或编写代码。因此，教师在使用实验板时，要按照给定的实验范例进行操作并对比结果，让学生能够在实践中理解这些知识点之间的区别与联系。2.3 器件转换教学法
笔者在教学中还经常用到等价和类比的方 法 [6]。“数字系统设计”课程在教学中涉及很多功能性逻辑模块，如组合逻辑中的数据选择器、全加器、译码器等。在课堂教学与练习的过程中，笔者特别强调了这些模块功能间如何相互转换。如利用数据选择器实现全加器的功能，利用数据选择器实现多位数字的与、或、非、异或等运算，在不同触发器类型之间互相转换，如图2所示。如时序逻辑中的状态机有摩尔型和米利型，结合教学时所用状态转换图中的状态及输出实现这两种类型的转换。通过器件转换教学法，学生能发现这些数字模块的不同，也能逐步深入地理解数字系统中这些功能的设计目标及数字系统的设计思路。2.4 实践教学法
在课程设计环节，笔者让学生自由组队，并根据给定的主题确定项目。例如，智能汽车主题、生活物联网主题、智能校园主题等。教学团队邀请企业的技术支持人员及相关专业的教师，
当前状态输出状态存储器时钟输入逻辑输出G时钟信号图1 状态机结构图
QTTCP=11DC1QQ'CPJJCKKQ'图2 触发器转换
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工业和信息化教育Industry and Information Technology Education组成开题答辩小组、中期检查小组及项目验收答辩小组。通过对各环节的评估，推进项目设计的具体工作。这样做的好处在于，项目的内容都具有明确的应用背景，与学生实际生活紧密联系。如设计寝室智能闹钟、无人机快递员、自行车测速器等。在实践教学中不断启发学生进行数字系统的设计。
2.5 以赛促教，优化实践教学
提高学生实践能力是很多大学课程的教学目标，也是“数字系统设计”课程的核心目标。笔者所在的教学团队在教学中不仅注重让学生熟练掌握各类设计的基本内容，如同步及异步时序数字系统设计中的电子秒表、流水彩灯控制器、A/D 和D/A转换器的控制器等，还鼓励学生能通过参加国家级大学生竞赛，实现横向比较，查找自己的不足，进行自我完善。
在这一点上，国外高校的实践教学与产业界有非常深入的结合，有效地实现了企业主导的实践教学，引领了产学研紧密结合的方向[7]。在我国的国家级大学生竞赛中，往往以智能系统、物联网系统为设计内容。这就要求学生对数字系统设计的过程非常熟悉、对竞赛指定的开发板上的数字资源有丰富的使用经验，能够举一反三地进行项目定制与设计开发。笔者及其教学团队主导的课程改革已经过5年实践，以大一新生为主要授课对象。这些学生虽然没有良好的电路基础，但是完全能够胜任数字系统的设计工作。5年来，这些学生参加了多个与课程内容相关的国家级大学生竞赛，将近10%的学生获得了二等奖、三等奖或地区一等奖。说明通过教学改革提高了学生的学习兴趣、学习自主性和积极性。
3 改革考核方式，重视实践能力培养
传统数字电路类课程的考核，主要是通过
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试卷考试及完成实验操作报告实现的。这样的考核方式很难检验学生的创新能力。学生为了获得更高的绩点，想尽办法刷题，失去了提高自身设计能力的机会。这种考核方式严重背离了高等教育的目标，因此，在实际考核中既要重视对理论知识的考核，又要重视对实践能力的培养。改革后的“数字系统设计”课程以期末试卷形式考核学生对基础知识、电路原理及应用的掌握程度，期末试卷的成绩占总成绩的20%，其他部分则是对实践能力的考核[4]。能力考核内容包括课堂测验、课堂口袋实验的完成情况、翻转课堂讨论的参与程度、课程项目设计的难度及完成度等。
教学改革大大提升了学生的积极性，笔者发现学生经常会对同一个实验目标主动探索多种设计方案，会尝试通过修改代码比较功能设计，能更充分地理解边沿触发、并行处理、数字系统数据通路、数据寄存器、CPU设计等，并实现理论教学较难实现的教学目标。尽管授课对象是没有任何电路基础的大一新生，但课程实践的完成度非常高，提升了学生的数字系统设计实战能力。这说明，设计并建立一个有效的教学实验平台，选用多种符合教学需求的教学方法，可收到良好的教学效果[8]。
4 结语
“数字系统设计”课程的教学，重在理论与实践的有机结合，单独强调任何一个方面都是不合适的[9]。学生需要在学习期间不断进行自我训练和提升。学生将来会面对更复杂、更具挑战性的问题，因此，教学目标是帮助学生建立起理论学习与实践操作有机结合的思维方式，培养并提升学生的实践能力与创新意识以使其能够更好地
应对社会的飞速发展。
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项目满足现有的实际需求，管理人员能通过多种方式进行操作，且项目界面风格独树一帜，是一个比较成熟的作品。
4 结语
笔者近年来的教学经验证实了开放性实践教学方法可以有效激发学生的学习兴趣，这对实践性课程是十分有益的。该方法不仅让学生加深了对数据库原理知识的掌握，使其能将相关知识应用于实际项目中，而且还让学生学习了软件工程开发的知识体系，较好地将“数据库课程设计”与软件工程相结合，使学生得到充分的培养。
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