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新技術條件下數字電路教學改革新策略
摘要：在數字電路課程的教學中，應該對傳統手工設計方法、門電路內部結構、脈沖波形產生和整形等傳統過時的舊技術與方法進行適當刪減，同時融入EDA等現代電子新技術和新方法，增強數字電路課程的時代感和實用性，提高學生的創新意識和應用能力。
關鍵詞：數字電路 教學改革 電子設計 EDA技術
緒論
隨著現代電子技術的高速發展，以大規模可編程技術、嵌入式系統等為核心的最新科技學科已經普遍出現在了高等教育的課程設置中，這些學科技術引領著未來電子技術的發展方向。電子技術專業的重要基礎課――“數字電路”的地位和重要性也被推到了前所未有的高度，同時也對這一課程的教學內容提出了極大的挑戰。然而，目前國內多數高校該課程的教學內容幾乎仍停留在上個世紀八九十年代，并仍以那個年代的手工數字設計技術為核心教學內容與考核內容。這就導致了學生的設計能力較低，缺乏自主創新能力與意識，無法適應現代企業和社會的需要。當然也有好些教材也將VHDL等EDA內容加到課程內容中，但目前的數字電路教學體系還是呈現一種拼接的模式，整體內容缺少因果鏈接。①因此改革數字電路中過時的內容、將先進的電子設計自動化(EDA)技術系統地融入到數字電路課程中，是數字電子技術發展的必然選擇。
1、傳統舊技術與方法的取舍
數字電路中有一些傳統的技術與方法，在現代企業的電子設計中已經沒有用武之地。學生花大量時間學習這些落后和被淘汰的知識和方法，是得不償失的，不僅耗費學生的精力和時間，妨礙新技術的學習，更是對國家和社會資源的浪費。對這些過時的內容，我們要對其進行適當的刪減，使教學內容適應時代的發展需要。
1.1 傳統手工設計方法
傳統手工設計方法的內容包括以卡諾圖為工具的邏輯函數化簡、小規模門電路組成的組合邏輯電路分析與設計以及由觸發器及門電路構成的時序邏輯電路的分析與設計等。這部分內容在數字電路課程中占據了主要的內容與篇幅，這在上個世紀八九十年代自動化設計還不流行的時候是合適的，因為那時候的電氣產品及自動化控制電路很多都是采用中小規模的數字集成電路完成設計的，而現在的電子產品及控制電路，已經幾乎見不到中小規模數字集成電路的影子，取而代之的是微處理器(含嵌入式處理器)以及大規模可編程器件、DSP等，只是在接口及驅動電路上還能偶爾見到中小規模數字電路。比如現代的家電產品洗衣機、空調、電視等都用到了微處理器控制，手機、導航儀等電子產品則用到了嵌入式處理器，語音、圖像識別等產品則用到了DSP(數字信號處理器)，而在機頂盒、調制解調器等產品中則用到了FPGA等大規模可編程器件。采用中小規模數字電路設計的電子產品，還沒上市就已經是落后的。
1.2 邏輯門內部電路結構原理
門電路一章的教學應以集成門的外部特性教學為主，讓學生看到門電路的真值表就能夠應用該電路，而不管該電路的內部結構如何。傳統教學內容通常是以反相器為例，分析電路的內部結構和工作原理，進而得到其邏輯功能，而對其外部特性及接口參數則認為是死記硬背、枯燥的東西就一筆帶過。而實際上我們應用數字電路設計實際的數字系統考慮得最多的除了器件的邏輯功能就是外部特性和接口參數，而內部電路結構怎樣、如何工作基本上無需考慮。而且內部電路的分析對于學生來說難度較大、理解困難，完全沒有必要讓學生把時間和精力浪費在這種沒有實際意義的知識的學習上。因此在內容安排上，應著重介紹各種門電路的外部特性和接口參數，讓學生學會在實踐中正確選擇和使用合適的集成電路，設計出能適應實際環境和應用的優秀電路。
1.3 脈沖波形的產生和整形
“脈沖波形的產生和整形”這部分內容其實和“數字邏輯”沒有直接關系，實際上是屬于模擬電路的內容。只不過在模擬電路中，波形的產生完全是用模擬的電路來實現，而在目前多本數字電路教材中，則是采用門電路加模擬的阻容元件來實現的，實質上是把門電路當集成放大器來應用。而這種應用是和“數字”的概念相背離的，不利于學生對“數字邏輯”的學習。這部分內容的另一個重點是對“555”時基電路的介紹。其實這個555時基電路是上個世紀70年代的產物，距今已有40多年的歷史，在集成芯片技術飛速發展的今天，它已經完全沒有了用武之地。對于學生來說，那么多新知識新技術要學，再花時間精力學習“555”時基電路，那就是舍本逐末了。
2、新技術與新方法的應用
2.1 新技術的優勢
當前的電子新技術主要包括EDA技術、實時軟件仿真技術、先進自動化繪圖與制板技術等。EDA即電子設計自動化技術，是一種基于軟硬件平臺，通過軟件的方法來高效地完成硬件設計的計算機技術。EDA技術已成為電子系統設計的重要手段，它采用“自頂向下”的設計方法，利用功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，以硬件描述語言(HDL)為主要設計手段，以大規模可編程器件(CPLD或FPGA)為載體，完成電子系統的功能設計。這種硬件電路的軟件化設計，已經完全改變了數字設計的整個面貌。
2.2 融入EDA等新技術的教學內容安排
傳統的數字電路內容主要包括邏輯代數、門電路、組合邏輯設計、觸發器、時序邏輯設計、存儲器與可編程器件等，實踐過程中，我們削減了一些陳舊過時的內容，增加了VHDL硬件描述語言、QuartusII電子開發平臺、FPGA/CPLD大規模可編程器件等EDA技術內容。我們強調VHDL硬件描述語言是設計數字電路的語言工具，與邏輯代數這一分析設計數字電路的數學工具同等重要，并放在同一章節進行講解。而基于VHDL的相關電路描述與設計則結合相關的內容，穿插到各個章節中進行詳細講述。QuartusII則是將VHDL設計變成電路實現的中間平臺與工具，將這部分內容放到實驗環節中講解。FPGA/CPLD大規模可編程器件是實現VHDL設計的載體，與存儲器放在同一章中講解。
我們立足于數字邏輯設計的基本原理，將EDA技術融入到數字電路課程中，將這些原理與現代的工具與實踐技術相結合，提高了畢業學生的電子設計技術水準，也極大地豐富了數字電路課程的教學內容。
2.3 新技術與傳統教學方法的融合
在數字電路課程的教學中，我們除了在教學內容上增加EDA等電子新技術內容外，在教學方法上，我們更注重新技術、新方法的與傳統知識的融合與因果鏈接。以加法器的學習為例，我們把加法器劃分為難易不同的功能模塊：半加器、全加器、4位加法器、8位乘法器，然后把不同功能模塊的描述方式(包括真值表、邏輯表達式、波形圖、卡諾圖等傳統的描述方式以及現代先進的VHDL描述等)和實現方式(包括傳統的集成門電路實現以及現代的大規模可編程器件、微處理器實現等)及各種方式的特點一一列舉并對比講解，也讓學生的發揮和補充，期間充分運用各種仿真軟件和開發工具進行仿真和實驗演示，讓學生對各模塊的描述方法、實現方式及特點深刻理解。如對加法器的一種擴展――8位乘法器，學生很容易就明白，用傳統描述方式無法去描述，而用VHDL描述卻只用一句“y<=a*b”就能完成;在實現方式上，用傳統集成門電路實現8位乘法器雖然理論上可以實現，但是卻需用到幾百個集成門，電路復雜，成本高，速度慢，可靠性低。而用大規模可編程器件實現時卻只需用一塊最簡的CPLD芯片就能實現，成本低、速度快、可靠性也高。在數字電路教學中引入EDA技術，其強大的仿真功能很容易把實踐帶入課堂、帶入教學的每一個環節，使得理論與實踐能夠緊密結合。
3、結束語
通過刪減過時內容并引入EDA等現代數字電子新技術和新方法，提前至大二開設數字電路課程，保持學生從大一開始的一貫學習熱情和積極性，保證專業課學習的效果。同時也使學生有能力提早進入大學生課外科技活動，并在數字電路的基礎理論、實踐能力和創新精神等方面都有進步，提高了學生現代數字電子技術應用水平和工程實踐能力。通過對課程的改革，也完善和發展了數字電路課程的建設，使之適應現代電子技術高速發展的要求和社會的實際需要。
注釋：
① 姜書艷，張鷹，蔣寧，等.數字電路教學體系改革的研究[J].教育教學論壇，2014(6)：165-166.
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