新工科理念下“数字电路”课程体系改革研究

摘 要：针对新工科建设的需求，文章分析了21世纪以来传统“数字电路”课程相对于前沿技术的缺点，探讨“数字电路”课程中引入硬件描述语言，并对传统的“数字电路”课程体系进行改进，结合教学实践，基于HDL构建新的“数字电路”课程体系。

关键词：“数字电路”;硬件描述语言;课程体系

为了配合国家发展战略的转向，2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，改革现行的培养方案和课程设置，培养具有跨学科、跨产业、跨界整合能力的复合型“新工科”人才[1]。新工科理念强调以产品的全生命周期出发考虑问题，如何在新工科形式下结合实践，深刻反思和改革课程教学，成为高校教育工作者需要重视的命题。

“数字电路”是一门理工本科教育阶段的学科基础课，在诸多工科领域具有重要的地位。南京邮电大学作为一所以信息技术为主的高校，众多专业都开设了“数字电路与逻辑设计”课程，并设有专门的电子电路教学中心和实验中心，近年来，针对数字电路的课程改革做了大量的探索和研究。

1 传统“数字电路”课程的缺点

不同于其他工科基础课，21世纪以来，随着前沿技术的飞速发展，数字电路传统的课程体系逐渐过时，给理论和实验教学带来了很大不便。结合众多老师的观点，总结得出传统的“数字电路”课程有着如下缺点[2]：

（1）部分课程内容严重过时，比如很多学校的教材中还在大篇幅介绍传统的74系列芯片（或4000系列芯片），74138，74161等，除了介绍芯片功能，还介绍如何用这些芯片构建电路。事实上，在30年前，工业界就已经普遍使用CPLD/FPGA等可编程逻辑器件构建电路，早就淘汰传统的74系列芯片和相关设计方法，学生毕业后接触生产实践都很困惑，普遍反映学校学的内容无用，需要重新学习。

（2）以讲授法为主的理论课程容易和实践脱节。和其他专业基础课不同，“数字电路”创立之初，就是来自于实践。很多数字电路的概念是需要动态展示的，但如果按照传统的方法，在课堂上进行理论推导或通过PPT画电路图，会导致课程枯燥。

（3）没有真正重视EDA软件的应用，只是简单介绍EDA软件的使用方法，没有从整个课程体系的角度去看待EDA软件的桥梁角色。

近年来，国内外众多高校认识到传统数字电路课程的缺陷，对此展开了相关教改研究。

徐红等[3]探讨基于EDA技术的“数字电路”课程教学;侯刚等[4]通过建立知识地图将模拟电路和数字电路联系起来，并通过Proteus引入虚拟仿真实验;邱泽敏等[5]提出一种虚拟实验平台;陈彦等[6]围绕无人飞行器的设计，探讨跨学科的数字电路融合教学。绝大部分研究注重教学方法的改革，并没有在课程内容上进一步探讨，新时代和新知识要求对数字电路课程进行深层次的改革，以适应新工科建设需求。

2 新课程体系研究

大约从40年前开始，硬件描述語言（Hardware description Language，HDL）被发明，逐渐成了数字电路描述和设计的主流工具，HDL同可编程器件结合起来，在生产实践中得到了极其广泛的应用。在大部分学校课程设置中，除了微电子等专业会在大三额外开课学习HDL语言外，其他专业在“数字电路”课程中是接触不到HDL语言的。

为了配合新工科建设，体现以实践为中心的教学理念，南京邮电大学相关教学中心对数字电路课程体系做了若干改革，形成了新的课程模式。新课程体系的特点是大幅缩减74系列器件的内容，把verilog HDL语言的基本知识穿插到课程讲述中，同时，结合EDA软件，让电路分析和设计变得更加直观。具体而言，新的课程体系包含如下几个阶段（见图1）。

图1 新的课程体系包含的阶段

（1）逻辑基础阶段。主要介绍基本的数制和码制、二值逻辑的基本概念、基本逻辑运算、逻辑规则以及逻辑表达式，一般性介绍公式法化简，简略介绍卡诺图。目的是为后续学习打下逻辑基础。

（2）电路感性阶段。旨在介绍如何在电路上实现逻辑，简略介绍早期的TTL电路如何实现逻辑运算，之后介绍CMOS电路如何实现逻辑，重点介绍可编程器件时代如何实现基本逻辑。花费少量课时介绍如何用基本门电路设计小规模组合电路、竞争和冒险的概念。本阶段的目的是让学生掌握逻辑概念和真实的物理硬件之间的联系，为学习后续单片机等方面课程打好基础。

（3）HDL语言入门阶段。verilog HDL语言包含众多的概念和语句，可以在多个层次进行电路描述，从最低端的晶体管到高层次的系统级，都提供了相应的语法支持。在“数字电路”课程有限的课时内，不可能介绍verilog HDL的所有概念。一方面，verilog HDL语言发明已经有40年历史了，语言中的很多概念本身已经过时;另一方面，本课程学习HDL语言，是出于和工业界接轨，介绍现有的设计工具和设计理念。完全可以只掌握verilog HDL语言的一个子集，为“数字电路”后续课程的教学提供支持。

在实践中，对于底层管级语法和关键词以及若干高层次抽象概念只做简略介绍。重点掌握模块结构，运算符和常见语句。需要掌握的关键字如下：

相比全部关键字，减少了70%以上，但这些关键字足以满足后续学习的要求。

（4）概念融合阶段。主要是熟悉数字电路设计常用到的主要功能子模块（加法器、比较器、触发器、计数器和序列信号发生器等），但不同于传统课程中的“电路图”形式，新课程中在功能描述后，要求学生主动采用verilog HDL语言来实现相应的子模块，并在EDA软件中进行编译和仿真。通过EDA软件和形象化的仿真波形，学生不再是被动的知识接受者，而是更主动的知识挖掘者。

（5）能力提升阶段。主要引领学生进入复杂电路设计和分析的大门，介绍复杂时序电路的分析方法，掌握电路图—状态图的转换，介绍采用HDL语言描述较复杂的时序电路设计方法，包括状态图分析和三段式状态机、HDL语言中Testbench的编写和仿真。

3 結语

本文介绍了一种新的“数字电路”课程体系，具有传统课程所不具备的优点：首先，紧扣工业界前沿进展，真正做到让学生学有所用，学能所用;其次，一切以实践为出发点，引导学生通过EDA工具来培养知识的系统性;立足于把“数字电路”课程的教学方式从老师讲述为主改变成以学生探索为主，发挥学生的主观能动性。

基金项目：南京邮电大学电子科学与技术国家级实验教学示范中心项目资助;项目编号：JG10619JX14。

作者简介：方承志（1976— ），男，江苏南京人，副教授，博士;研究方向：信号处理，电路设计。

[参考文献]

[1]戢守玺，王伟.“中国制造2025”战略背景下的跨学科课程体系建设构想[J].高等农业教育，2017（6）：3-7.

[2]王龙军.基于可编程器件的数字电路实验教学改革初探[J].专业与课程建设，2018（9）：53-56.

[3]徐红，贾立新，吴根忠.基于EDA技术的“数字电路”课程教学实践[J].电气电子教学学报，2019（1）：36-39.

[4]侯刚，迟宗正，王洁，等.“模拟与数字电路”课程教学方法改革[J].电气电子教学学报，2016（4）：92-95.

[5]邱泽敏，陈锦煌.课程体系重构的数字电路教学改革研究[J].计算机教育，2019（1）：116-120.

[6]陈彦，徐利梅.“新工科”背景下“数字电路”课程的跨学科教学模式改革探索[J].工业和信息化教育，2018（12）：34-38.

Research on the reform of the curricula system for “Digital Circuit”

Fang Chengzhi

（College of Electronic and Optical Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract：In view of the demand of new engineering construction， this paper analyzes the shortcomings of the traditional “Digital Circuit” course compared with the frontier technology since the 21st century， probes into the introduction of hardware description language into the course of “Digital Circuit”， and improves the traditional course system of “Digital Circuit”. Combined with teaching practice， this paper constructs a new course system of “Digital Circuit” based on HDL.

Key words：“Digital Circuit”; hardware description language; curricula system