数字电子技术类课程群建设探索与改革

摘要：以课程群模式对数字电子技术类课程进行梳理，分析了该系列课程理论教学内容的关系和侧重点；建立以Altera芯片为开发板的数字电子技术基础实验、FPGA应用开发实验和SOPC应用实验，开发由简单到复杂循序渐进的实验体系，逐步提高学生设计复杂数字系统的能力，同时也有助于提高此类课程群的教学效果。

关键词：FPGA；数字电子技术；SOPC；课程群建设

随着电子技术的迅速发展，数字电子技术类课程作为高校电类学科的一门重要技术基础课程,对培养学生的工程实践应用能力和创新工作能力等方面起着重要作用。主要面向的专业如:电气工程及其自动化、自动化、计算机科学与技术、电子科学与技术、通信工程、电子信息工程、生物医学工程、测控技术与仪器、信息工程等。尤其随着EDA技术的发展，在传统的数字电子技术基础上，引入了《数字电路与数字逻辑》、《现代数字系统设计》、《FPGA应用开发》、《SOPC技术与应用》等课程，这些课程的共同点：一、处理的对象相同――数字信号；二、实验工具和开发板可以很好的统一，比如采用FPGA芯片，基于QuartuslI、Matlab和modelsim软件开发平台。如何理顺各课程之间知识点的衔接关系，并形成不同专业合理的数字电子技术教学体系是一个新的问题，也是必要解决的问题。为此我们学院成立了数字电子技术类课程群建设的教学团队，把讲授上述课程相关的理论教学和实验教学教师组织起来，共同探讨理论和实验课程内容设置问题，并通过课程群的建设，促进教学研讨和教学经验交流，逐步形成一支结构合理、人员稳定、教学水平高且教学效果好的教师梯队。

一、              理论课程内容建设

由单一课程建设向课程群建设发展的目的，是为了从广度和深度上去规划好一门课程和一类课程的课程内涵，并对课程内容进行优化和整合，压缩重复内容，减少课程学时[1]。我们从课程群建设的全局出发，分析各门课程的特点和侧重点。

(1)群内课程内涵的梳理

《数字电子技术》课程是研究数字逻辑问题和数字电路应用的一门基础技术。通过学习，学生能够用真值表、状态转换表、卡诺图来完成简单的组合逻辑电路设计和时序电路的设计，并对各常规芯片内部结构和逻辑关系非常清晰，进而能应用常规芯片完成相应组合逻辑电路和时序电路的设计，因此教学内容偏向理论基础，为学生打下扎实的数字电路基础知识。压缩内容后，理论教学学时为48学时。

《数字电路与数字逻辑》主要面向的是计算机学院的学生，重点介绍各种芯片的功能、管脚定义及芯片应用，而数字电子技术的基础知识占用的学时比较少，突出的是用芯片设计组合逻辑和时序逻辑电路。

《FPGA应用开发》主要讲授用硬件描述语言来设计数字电路，由传统的通用集成电路的应用转向可编程逻辑器件的应用。通过FPGA实验平台构建信号与系统、数字逻辑等课程到集成电路、微电子系统设计的桥梁，提高学生设计复杂数字系统的能力[2]。课程的教学利于促进IC人才对新器件的应用，有利于增强新技术的竞争力，更有利于提高设计规模、质量和效益。

现代数字系统设计将数字电路设计提升到一个比较大的系统级的设计，并把整个系统分为数据流和控制流两部分。分别采用流程图和ASM图进行描述，最后采用数字电子技术课程中学到的小规模芯片来完成整个系统的设计或者采用硬件描述语言来完成整个系统的设计。这门课程是《数字电子技术》课程、《数字电路与数字逻辑》课程及《FPGA应用开发》中知识的提升和综合运用，重点是引入了工程设计的理念，让学生开始从学习基础知识走向应用知识解决问题阶段。

目前新一代的FPGA集成了中央处理器（CPU）或数字处理器（DSP）内核，在一片FPGA上进行软硬件协调设计，为实现片上可编程系统（SOPC, System On Programmable Chip）提供了强大的硬件支持。基于SOPC技术的数字系统最突出的优点是：设计的并行性、软硬件协同设计、动态可重构，以上三点是基于DSP和ARM等微处理器的系统所没有的。从设计内容看，该课程教学内容主要包括：纯软件设计系统，纯硬件设计系统，软硬件协同设计系统。由于该课程是现代计算机辅助设计技术和大规模集成电路技术高度发展的产物，因此，SOPC技术的先进性决定了课程的先进性，课程的突出特点是综合性，综合了软件和硬件知识，涵盖了电子系统的众多的硬件和众多课程的内容[3]。

(2)修改教学大纲

《数字电子技术》、《数字电路与数字逻辑》、《现代数字系统设计》、《FPGA应用开》、《SOPC技术与应用》等课程所讲授的内容有相同的处理对象，侧重点不同。《数字电子技术》、《数字电路与数字逻辑》是基础，《现代数字系统设计》、《FPGA应用开》、《SOPC技术与应用》是后续课程。通过对课程群中各课程的关系梳理，明确这类课程在相关专业中的地位、课程的任务与课程的知识体系、主要内容等。在有深刻的了解和认识基础上,修改教学大纲。由于团队中教师来自于不同专业，在教学中，引入不同专业的案例和项目，找到课程与专业的切入点，丰富学生的知识面，让学生有着学有所用的理念。

二、              实验课程内容建设

实验教学是我国高等教育教学体系中的一个重要组成部分，对学生实践能力和创新能力的培养起着举足轻重的作用，同时实验教学也从一个侧面反映了学校办学水平的高低和发展状况[4]。因此，随着实验工具和实验手段的提高，实验项目也应该相应地给出改进。改革传统的基于面包板的实验项目，建立以Altera芯片为基础的数字电子技术基础实验、FPGA应用开发实验、高级别的SOPC应用实验。以数字电路设计为研究对象，quartus II、modsim为软件平台；以数字电路技术、FPGA应用开发、SOPC应用技术为理论课程指导，开发出符合人类认识规律，由简单到复杂循序渐进的实验体系。

(1) 构建群内课程的实验体系，逐步增加实验项目的难度和综合度。

在数字电子技术课程中，我们给出一两次课（4学时），让学生认识和学会使用基本的集成与非门、集成译码器等SSI电路的测试方法和闲置输入端的处理方法并用示波器观察集成电路的电压传输特性。此后的实验中，让学生使用QuartuslI的软件平台，选用合理的芯片模块采用搭积木的方法完成数据选择器、触发器、计数器等基本电路的应用，最后给出1，2次实验完成设计型和综合型的实验，这些实验要求的学时较多，但学生可以在宿舍里，用QuartuslI平台就能自行开发了。在实验室中，学生只需要完成芯片跟外围设备的引脚配置，并进行硬件电路验证，同时教师以答辩的形式，考核学生完成的情况。此外，我们可以设置一些任务，让学生自己设计题目，自己完成。这样可以很好的激发学生的学习兴趣，引导学生在低年级就能主动参加大学生创新项目。

（2）改革实验工具、综合使用软件平台

在FPGA应用开发课程的实验中，学生主要是采用编程的方式完成实验，这门课程通常在大三上学期开设，学生已经有了一定的专业背景，因此实验项目不再局限于简单的数字系统的设计。可以增加一些FPGA在图像处理，视频，音频及通讯领域的应用。而仿真软件QuartuslI由于其输入输出主要是基于波形方式的，难以实现对复杂设计的仿真验证。因此，对这类实验如：基于FPGA图像中值滤波设计，基于FPGA颜色空间转换算法设计等，验证手段采用QuartuslI和Matlab相结合的仿真测试平台，如图1所示，为FPGA教学提供新的教学手段和教学方法[5]。

图1测试平台的组织架构

SOPC技术与应用课程通常开设在高年级或者面向研究生。实验项目通常需要对系统或者算法进行分析，确定软硬件的合理划分，涉及到硬件和软件两部分设计，因此对设计者有较高的要求，具有较高的难度。实验内容包括：流水灯实验、JTAG UART通讯实验、液晶显示模块实验、定时器实验、中断控制实验、带Flash的NioslI系统及配置、万年历和俄罗斯方块实验。

（3）      实验项目的更新和改进

实验项目在日常教学中需要不断更新和改进，内容可以来自于教师的项目，也可以来自于通过个别辅导的学生毕业设计课题中。针对项目研发和毕业设计中遇到的问题和解决方案以案例教学的形式贯穿到课程的教学中。同时，教师可以结合一些综合性的课题在FPGA/SOPC方面的科研以讲座形式介绍给学生。并根据已有的经验和文献，建立尽可能多的“积木”，让学生能够充分发挥系统搭建和系统设计的长处，通过实验学习逐步进入具备创新开发设计能力的境界。而不是总停留在根据实验要求、搭线、写报告这样一个初级的能力水平线上[2]。并为今后从事FPAG/SOPC开发工作的学生提供一些宝贵的经验。通过不断地补充教学内容，丰富教学手段，加强实验环节，以实现教与学的统一。

三、总结

数字电子技术课程群是大多数工科专业的主干课程，处于基础课与专业课衔接的重要地位，学生对知识掌握的好坏将直接影响后续专业课（包括FPGA应用开发、SOPC技术与应用等）的学习。FPGA应用开发、SOPC技术与应用是构建信号与系统、数字逻辑电路等课程到集成电路、微电子系统设计的桥梁。理顺数字电子技术类课程理论和实验内容，对学生学好该系列课程起着举足轻重的作用，能很好的引导学生从学知识到解决问题到设计问题，逐步培养学生的工程设计和实践创新能力，也为各课程的学时安排和内容的侧重点分布起着很好的指导作用。高校中很多同一系列的课程，都可以采用课程群模式进行建设，避免向学生传递重复的知识，也能让学生在更少的学时中，学到更多的知识。

参考文献：

[1]李素文，王凤随，邵芬，电气信息类专业信号处理课程群的建设[J]，淮北煤炭师范学院学报（自然科学版），2010，32（4）：80-82

[2]叶波，赵倩，林丽萍等，FPGA课程教学改革探索[J],中国电力教育，2010，24：130－131.

[3]张歆奕，SOPC技术课程的内容和特点研究，教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会第二十届学术年会论文集，2010，968－971.

[4]马健生，孙珂．美国高等教育创新机制浅析[J]．比较教育研究，2010(5)：58—62。詹伟达，韩太林，王博钰.浅谈电工学与电子实验教学框架的构建[J]，实验室科学，2012.5：20－24.

[5]赵倩，朱武，王晓华.面向电子通信类的EDA技术教学创新研究[J].2011，22：61-63.