邊學邊干的數字系統課程教學

陳 微，譚春嬌，唐玉華，吳明飛，王志英

（1.國防科技大學 計算機學院，湖南 長沙 410073；2.國防科技大學 教務處，湖南 長沙 410073）

0 引 言

數字系統作為電子計算機系統的基礎，是計算機硬件課程系列的專業核心課程。當前，培養計算機系統能力成為各院校計算機專業人才培養的重要目標，培養具有系統觀、能夠進行軟、硬件協同設計的軟硬件貫通人才成為后PC 時代計算機專業人才培養的關鍵[1-2]。因此，數字系統課程的重要性日益突出。

傳統數字系統課程往往局限于基本理論知識的掌握和少量課程大作業的實踐，缺乏科學系統的課程實驗體系和有效的實驗過程管理。學生難以將理論知識與實踐相結合，數字系統的實際動手開發能力沒有得到有效的鍛煉。作為實踐性很強的專業課程，在邊學邊干中展開教學，數字系統課程才能真正達到培養學生數字系統設計能力的教學目的。

1 課程的地位與特點

數字系統課程與其他課程間的關系如圖1 所示。課程在電路與模擬電子技術、數字電子與數字邏輯、程序設計以及計算機原理的基礎上，對數字系統設計的相關知識進行系統講解，為學習后續課程，如嵌入式系統、計算機體系結構、VLSI 設計等打下必要的基礎。

圖1 數字系統在計算機專業課程體系中的地位

課程的教學目標是要從基礎知識的角度講解數字系統設計的相關概念、基本原理，從方法學的角度闡述數字系統工程設計中的有關概念，使學生了解數字系統設計過程、主要指導原則及關鍵技術，并輔以相關實例，從而建立全局、整體的數字系統設計觀念。另一方面，課程重在培養學生的實踐能力，即實際設計和開發數字系統的能力，因此該課程涉及的知識面廣、內容多、實踐要求高。

貫徹“邊學邊干”的教學理念，基于課程的教學目標和重點，科學系統地設置理論教學和實踐教學內容，采用有效新穎的教學手段和教學管理模式，培養學生的數字系統設計和開發的能力，是該課程教學中探索的主要方面。

2 課程教學設計

數字系統課程教學內容一般包括理論教學和實踐教學兩部分。教學內容設計上需要達到的教學目標：①掌握基礎理論，理解數字系統設計的基本方法與流程；②邊學邊干，培養實踐動手能力，能夠自主設計一定規模的數字系統；③滿足不同學生知識與實踐層次的學習需求。

2.1 理論教學設計

課程內容應由淺入深、由底向上，覆蓋數字系統設計的多個層面如表1 所示。

表1 理論教學內容

理論教學首先概述數字系統設計的基本概念、主流技術等，使學生建立起對現代數字系統設計主要技術和手段的基本認識。硬件描述語言主要介紹Verilog 硬件描述語言的基本概念、語法和規則，以及如何使用EDA 工具進行現代數字系統設計。組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設計是數字系統設計的核心，學生在此基礎上進而掌握一般數字系統的設計方法和步驟?？删幊踢壿嬈骷糠种饕榻B可編程邏輯器件的分類、原理和應用等。數字系統的建模與結構主要討論數字系統模型概念、模型與結構的關系、典型數字系統計算模型及其在系統設計應用中常用的衍生方式等。在掌握數字系統設計方法和一般步驟的基礎上，學生可以進階了解數字系統設計中典型的故障檢測方法和可測性設計。通過理論課程的學習，學生可以系統地了解數字系統的相關概念、設計方法和流程。

2.2 實踐教學設計

實踐教學對于數字系統課程而言極其重要，在理論教學之外，課程每周安排2 學時實驗講解課以及2 學時實驗輔導課，實踐教學內容由與課程授課進度配套的課堂實驗和最后的綜合實驗兩部分組成。

2.2.1 課堂實驗

目前，本課程共設計12 個課堂實驗，分為示范性實驗、觀察性實驗以及設計性實驗3 個層次，與理論教學相配合，讓學生邊學邊干，實現理論和實踐的結合。每章所配套的課堂實驗數量見表1。表2 給出了這些課堂實驗與各知識點的對應關系。

表2 課堂實驗安排

實驗1 為示范性實驗，使學生熟悉實驗平臺，初步掌握EDA 工具的使用方法與步驟。實驗2 至實驗6 為觀察性實驗，配合第二章“硬件描述語言”展開。實驗7 至實驗11 為設計性實驗，要求學生根據理論課程中所學的方法，設計滿足實驗要求的組合邏輯或時序邏輯電路，用硬件描述語言描述，通過仿真驗證，在實驗平臺上下載實現。實驗7 至實驗11 的實驗案例，都是較為典型的組合邏輯電路和時序邏輯電路。實驗12 也是設計性實驗，與第四章“可編程邏輯器件”相配合。前序實驗中，學生用硬件描述語言描述數字系統，驗證通過后編程下載至實驗平臺上。事實上，實驗平臺本身提供了許多現成的IP核（如算術功能單元、時鐘模塊、I/O 接口模塊、存儲器模塊等）供集成在各類數字系統中。IP 核的使用可以實現設計重用，縮短數字系統的開發周期。因此，通過實驗12，學生能進一步掌握IP 核集成等數字系統設計的重要方法。

12 個課堂實驗，由淺入深、由簡到難，內容上環環相扣、層層遞進，前面的實驗為后面的實驗打基礎。例如，通過數碼管譯碼器實驗，學生掌握了數碼管的顯示控制方法；在計數器實驗中，學生在數碼管顯示的基礎上擴展，加入計時控制部分，從而實現按一定的時間間隔計數；通過交通燈實驗，學生掌握多個數碼管的輪流或分時顯示；前序實驗的完成分解了數字鐘實驗的難度，而課堂實驗的完成也為后續綜合實驗的完成提供了保障。

2.2.2 綜合實驗

在理論課程和課堂實驗的基礎上，通過綜合實驗全面考查和提升學生的數字系統設計能力。綜合實驗要求學生利用課后時間在實驗平臺上設計實現一個具有一定難度和規模的數字系統，并在實驗平臺上調試通過。

為了提高學生的興趣，課程可以提供2 個綜合實驗項目供學生選擇，如數字萬年歷、貪吃蛇游戲。為了滿足對學生不同能力水平的考核，綜合實驗的實驗指導書中明確給出不同成績等級所要求實現的實驗功能。在課程提供的綜合實驗項目之外，學生也可以自己命題，自主設計難度和規模相當的數字系統，如用俄羅斯方塊游戲或吃豆人游戲代替貪吃蛇游戲等。

在綜合實驗的實驗指導書中，教師給出實驗功能要求、注意事項以及評分標準。理論課程第5 章—第7 章中介紹的方法與技術，也被要求靈活運用在綜合實驗中。學生根據所選實驗項目的具體要求進行系統總體設計以及模塊設計，然后進行硬件代碼的開發、調試和系統實現。最后要求學生提交的實驗作業包括實驗源代碼以及詳細的實驗報告。完整的實驗報告包括需求分析、總體設計、模塊設計、運行結果、難點和問題分析、總結等內容。

2.2.3 實驗平臺

雖然理論教學中涉及了基于中小規模邏輯器件的傳統數字系統設計實現方法，但課程的重點在于基于EDA 工具和硬件描述語言的數字系統開發實現技術。因此，課程實驗均在基于可編程邏輯器件的實驗平臺上展開。實驗平臺選擇的依據有：①采用主流廠商的可編程邏輯器件，支持主流商用的EDA 開發工具；②滿足課堂配套實驗和綜合實驗的需求；③自帶豐富的接口，便于各種趣味實驗的展開，為學生自主設計實驗項目提供資源保證；④提供可擴展口，用于后續外接其他模塊和設備進行平臺擴展，滿足后續擴展實驗的需求；⑤具有較高的性價比，保證每個學生都能有一套口袋實驗室隨時進行實踐鍛煉?；谏鲜鲆?，課程選用一款入門級的實驗開發板，如圖2 和圖3 所示。

圖2 實驗開發板外觀

圖3 實驗開發板主要模塊與接口

該實驗開發板選用Xilinx 公司的Spartan6系列的XC6SLX9，同時配置64Mbit 的RAM 和32Mbit 的Flash 資源，以確保資源使用的裕度。表3 為實驗板載的基本資源。該實驗開發板支持多種層次的實驗需要，本課程所有的課堂配套實驗以及綜合實驗均在該實驗平臺上完成。作為入門級的實驗開發板，與此開發板功能類似的實驗平臺有很多可供選擇，性價比都較高，適合供學生人手一塊進行課堂和課后練習。

表3 實驗開發板資源

3 課程管理與考核

很多教師抱怨學生對實驗課不重視，抄襲現象嚴重，實踐教學效果不理想。部分學生的學風和學習態度固然存在一定問題，但作為教師，應該更多地從自身找問題，從教學本身找原因。完善實驗管理過程，完善課程考核機制，是提高學生學習積極性，提高教學質量的重要途徑[3]。

3.1 加強實驗過程管理

實驗系列教師缺乏、助教制度不完善是國內院校普遍存在的問題。不少課程的實驗課都是交由助教講課或輔導，而不是由主講教師或是專門的實驗教師承擔。很多助教都是研究生，沒有經過專門的教學培訓，缺乏教學經驗。有的助教本身對所輔導的課程并不精通，更有甚者是抱著學習一門課的目的來當助教。因此，實踐教學師資力量的薄弱，必然影響到實踐教學質量。教師對實踐教學的不重視，必然導致學生對實踐學習的不重視。

目前，本課程的實踐教學由主講教師親自擔任。課程主講教師在從事過大型工程開發任務、具有豐富的數字系統開發經驗的教師中選拔。另一方面，課程助教的人選嚴格把關，只選擇具有相關專業背景或具有相關工程開發經驗的高年級研究生擔任，助教名單需主講教師進行面試才能確定。從近兩年的教學效果來看，完善實驗過程管理，加強實驗教學的師資力量，可以有效提高實踐教學的教學質量。

3.2 完善課程考核機制

在課程考核上，堅持“過程大于結果”的理念。本課程考核項目及比重為：理論考核占40%，課堂實驗7 至實驗11 各占5%（共計25%），綜合實驗占30%，平時成績占5%，實驗考核的比重大大增加。課程強化對學生的過程性評價，一方面增加對課堂實驗的考核，另一方面綜合實驗考核明確給出成績等級。因為學生的能力彼此不同，有的學生難以完全獨立設計實現功能復雜的數字系統。如果給學生單一的考核要求，那么這部分學生會因為畏難情緒而放棄動手嘗試實驗。因此，從簡單的實驗入手并考核，可以鼓勵學生進行實踐嘗試，對學生學習過程中的進步也是鼓勵。

在實驗實施過程中，鼓勵學生相互討論和分享經驗。但討論之余必須獨立完成實驗并參加實驗驗收。實驗驗收由主講教師或助教與學生一對一開展。驗收過程中，學生要描述所設計數字系統的功能、解釋部分代碼。這種驗收方式有效減少了抄襲現象。

4 教學效果

數字系統課程教改實施2 年以來，教學成效顯著：①學生實踐能力得到了較大的提高，課堂實驗獨立完成率達到97%，綜合實驗獨立完成率達到94%，各層次的學生在動手能力培養方面都有收獲；②學生理論課成績大幅提高，經過了大量實踐鍛煉，學生將理論與實踐相結合，由被動接受知識轉變為主動思考問題；③培養了一批硬件愛好者，在綜合實驗部分，不少學生加入了自己的理解和創新，設計的數字系統也是奇思妙想、精彩紛呈。

5 結 語

數字系統課程的地位和特點決定了實踐教學環節在該課程中的重要性。邊學邊干將理論教學和實踐教學相結合，是提高教學質量的有效手段。實踐證明，合理設置與理論課程緊密配合的實驗內容，對于學生全面深入掌握課程內容，積累工程經驗，培養分析問題和解決問題的能力、培養科技創新意識等方面都是非常有用的。后續的教學改革將繼續探索創新實驗內容和實驗模式，而如何規劃銜接好上下游課程之間的實驗內容和實驗平臺，也是課程需要重點考慮的問題。