应用型本科高校数字系统综合能力培养的探索与实践
罗海波，阮志强，林文忠
（闽江学院 计算机与控制工程学院，福建 福州）
摘 要： 在人工智能、边缘计算等快速发展背景下，对培养数字系统设计人才提出了新的挑战，对于应用型本科高校，需要结合新知识、新应用进行数字系统综合能力培养。本文以数字电路课程的持续改革为核心，总结了多年来进行数字系统综合能力培养的经验。
关键词： 数字系统；综合实践；应用型人才培养
一 数字系统综合能力培养教学的社会背景
实践教学和实践能力培养是应用型本科高校实现培养应用型高级工程技术人才目标的一个非常关键和重要的环节。在这个环节中，一方面可以大幅度提升学生的实践动手能力、理论联系实际能力、创新思维能力；另一方面也可以提高教师的实践教学能力和管理组织能力。
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现代社会的数字化生活是以数字集成电路的广泛应用为前提的。数字集成电路本身在不断地进行更新换代，它由早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路，发展到超大规模集成电路，以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计和制造集成电路的任务已不完全是由半导体厂商来独立承担，系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（Application Specific IC：ASIC），并且立即投入实际应用之中，因而出现了可编程逻辑器件，其中应用最广泛的是复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）。CPLD/FPGA应用范围遍及航空航天、医疗、通讯、网络通讯、安防、广播、汽车电子、工业、消费类市场、测量测试等多个热门领域。并随着工艺的进步和技术的发展，向更多、更广泛的应用领域扩展，越来越多的设计也开始以ASIC转向FPGA，FPGA正以各种电子产品的形式进入我们日常生活的各个角落。特别是近年来随着多媒体处理、大数据计算、人工智能、边缘计算等技术的快速发展，对PFGA的需求呈现明显上升趋势[1]。
CPLD/FPGA几乎能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用CPLD/FPGA来实现。CPLD/FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用CPLD/FPGA的在线修改能力（JTAG下载），随时修改设计而不必改动硬件电路，灵活性很强，也特别适用于学生进行重复开发，不断进行设计修改和电路调试。使用CPLD/FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。
数字系统的学习可涵盖多门课程，主要有：《数字电路与逻辑设计》《可编程逻辑设计》《单片机原理与应用》《ARM体系结构与接口设计等》，在这个课程体系中，尤其以数字电路课程为核心基础课程[2]。
固定资产在医院总资产中占有相当大的比重，无论在国内还是国外，固定资产的管理对医院的发展和经济目标的实现都相当重要。固定资产的有效管理不能仅仅依靠软件或单一的部门，要实现医院资产效益的最大化和更长远的经济目标，多部门的配合特别是固定资产使用人的经验以及第一手数据非常重要。因此，为了实现这个目标，建立一套符合实际工作需要的固定资产管理方法和制度很有必要。
二 数字系统类课程实践教学环节存在的问题
（一） 数字电路课程内部的知识连贯性无法在实验环节体现
将教师的相关科研成果，如软件著作权、实用新型专利等作为案例，融入到数字系统综合实训体系中，这样有利于学生了解和把握学科前沿知识。
（二） 数字系统模块系列课程承接不够紧密，教学及实践能力培养连贯性不强
在学生学习完数字电路之后，不能将数字电路的基础原理跟后续的单片机、ARM、可编程逻辑设计等专业课程紧密结合，特别是实验实践能力的衔接。通过教改团队的调研，使用CPLD这一重要的知识点，可将数字逻辑和数字系统的概念贯穿到整个课程体系中。
经济性方面，考虑124 km范围内(含共塔段114 km和独立架设段10 km)装设避雷器，共254基杆塔，需装设508支避雷器。按照每支避雷器约1.4万元(含安装费)估算，需要增加投资约712万元。
（三） 原有的实验教学仪器不能满足特性教学需求
之前，学生在单门课程之后，无法将课程体系的相关课程构成知识模块来进行工程开发。比如，在学习完数字电路之后，无法知道数字电路在产品开发设计过程中的作用，更无法理解数字电路与单片机、ARM体系结构的关系，无法由知识点构成深入的实践能力。通过数字系统综合实训平台，构建了基于课程体系的“项目式”和“创新式”教学方式，对于提高学生的数字系统综合能力，具有重要的作用。
（四） 数字系统综合实践能力的培养欠缺
在2011年以前，我校的数字电路课程实验主要是“接线”式验证实验，而CPLD实验在实验室已有的DP-MCU/Altera实验仪上进行，但该实验仪器年限较长，部分电路外围功能已出现损坏，且该实验板综合了单片机的众多功能，功能界限不明确，不利于学生专门针对CPLD进行开发和实验操作。
三 采取的举措
（一） 根据课程建设经验和学科发展持续改进
数字电路与逻辑设计是我院的一门省级精品课程，也是我院各专业的一门重要的专业必修基础课程。每学年为计算机专业（含网络和嵌入式方向两个班级）和通信工程专业共3个班级约180人、电气工程及其自动化专业60人（2014级开始招生）共计约240人进行授课。学生通过该课程的学习，为嵌入式硬件电路、通信系统电路打下必要的基础，也为将来从事嵌入式硬件系统设计、通信系统设计、电气系统控制设计储备必要的基础知识。
（2）随着数字系统的发展，课程组于2013年申请了校级实践教改项目《基于单片机与CPLD的数字系统综合训练实践能力培养》教改课题，融合单片机技术与可编程逻辑设计，对数字系统的实践教学方法进行进一步探索。
图1 自行研制的MJU-CS/Altera数字系统综合实验仪
（二） 充分激发学生兴趣，增强课外实践活动
课程组积极研讨学科最新发展，特别是最新发展与本课程的关系，比如物联网技术、人工智能技术等与数字电路的联系。并更新PPT和教学内容，通过一些现实的实例来引出课堂内容。
（三） 课堂教学结合学科发展，深入浅出讲授枯燥的理论知识
通过课外兴趣小组、双创项目、学科竞赛等形式，加强学生的兴趣爱好，并跟社会实践作品集合起来，以项目的形式开展课外实践活动。
（四） 将教师科研成果转化为实验实训项目与素材
对于数字电路课程，主要的知识模块可以分为4个部分：数字逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、提高性知识（AD、DA电路、脉冲发生电路等）。在数字电路的授课中，在讲解完基本的组合逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路之后，如何将这些知识贯穿在一起，并给学生提供直观便捷的设计和实践条件，让学生感性体验和理解知识点的关联关系，成为了本课程基础能力训练及其数字电路综合设计提高的一个难点。
四 获得的成效
（一） 数字电路课程在我院的开课情况
（1）在2010年以前，数字电路课程的实验实践环节主要集中在验证环节，使用老旧的数电实验箱，实验箱上具有若干门电路芯片及其MSI器件，学生只能通过连接导线来进行简单的数字逻辑验证。更高级的逻辑设计依赖可编程逻辑器件，2010年之前，可编程逻辑设计实验在实验室的DP-MCU/Altera实验仪上进行，但该实验仪器年限较长，部分电路外围功能已出现损坏，该实验板综合了单片机的众多功能，不利于学生专门针对CPLD进行开发和实验操作，且配套的资料不够完善，没有原始设计文档，不利于学生进行课外深度学习和自主开发。基于此，课程组于2011年申报了《基于CPLD&FPGA综合应用的数字电路课程实践能力培养》教改课题。并自主研发设计针对应用型本科学生的实验系统（包括实验硬件设计及配套实验文档）。
（二） 完善了课程模块体系，支撑学生课堂实践能力
数字电路实践教学改革后，实验课时中分出一半课时进行扩展CPLD实验，扩展CPLD实验中，既有组合逻辑设计，也有时序逻辑设计。且基于MJU-CS/Altera实验仪开出了综合性实验（十进制可预置数的可逆计数器的开发），该综合性实验对于学生理解数字电路及其逻辑设计，从而进行更复杂的数字逻辑设计至关重要。至今，MJU-CS/Altera实验仪放置于工B509实验室，每学年有约4个教学班级（约240人）使用MJU-CS/Altera实验仪进行扩展CPLD实验，覆盖面大，使用广泛，教学效果明显。
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基于数字电路持续教学改革，为促进计算机科学与技术专业的数字系统综合能力培养，从2010级开始，培养计划增设了《数字系统综合训练》综合实训课程，该课程结合数字电路教改成果，结合单片机等MCU系统，构架数字系统综合训练体系。每学年约有5-10人选择难度更高的MJU-CS/Altera实验仪器进行综合自主设计。
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（三） 为培养学生的课外实践能力提供了强有力支撑
依托数字电路实践教学改革及其MJU-CS/Altera实验仪，基于计算机与控制工程学院学生创新实验室，广泛开展了课外实践活动，主要包括兴趣小组、大学生创新创业项目、各类比赛、毕业设计等。MJU-CS/Altera实验仪每年借出约20人次。自2011年实施以来，课外兴趣小组累计30余组次；计控学院申报的大学生创新创业项目中，跟数字系统及其硬件相关的课题累计20余项；各类比赛获奖30余次；相关的毕业设计课题累计50余人次，其中优秀毕业设计12项。基于上述成果，获得2017年闽江学院教学成果一等奖。
五 后续持续改进的想法
在新工科发展背景下，结合近两年学科发展，更新教学内容（比如，去除不必要的MSI模块讲解，增加FPGA的内容，特别是FPGA的实践教学内容，这是以往教学内容所没有的）；进行实践教学改革，加入FPGA的实验内容（比如通过PFGA实现图像压缩算法等人工智能相关内容）；课程组撰写教材；教学方法和教学手段的探讨，尝试一些新的教学手段，增加学生互动，探索多种课堂教学方式。最终形成更完整的课程体系和更饱满的教学内容，支撑应用型本科高校的新工科体系发展，并争取省级教学成果奖。
参考文献
[1] 郭鹏，叶海雄. 基于创新背景数字电子课程改革与探索[J]. 教育现代化, 2018, 5(11): 41-42.
[2] 林华，王友仁. “数字电路与系统设计”课程的教材体系改革[J].电气电子教学学报, 2013, 3: 117-118.
[3] 蒋磊,张丽.基于FPGA的数字系统原理与应用实践课程改革[J].教育现代化,2019(16):44-46.
[4] 张跃勤.数字电子技术课程设计的实践与探索[J].交通高教研究,2003(01):46-47.
[5] 王连照.数字教科书知识的基本特征和认识向度[J].课程.教材.教法,2017,37(01):42-47.
本文引用格式： 罗海波,等.应用型本科高校数字系统综合能力培养的探索与实践[J]. 教育现代化,2019,6(56):160-162.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.56.066
基金项目： 闽江学院“闽都学者”教学新秀、教学名师基金、闽江学院教改项目“以科技创新实践项目为载体促进转型发展”（MJUA2017002）；福建省本科高校教育教学改革研究项目（FBJG20180168）：规范精准为导向的毕业论文（设计） 信息化管理创新改革；闽江学院教改项目“ARM体系结构与嵌入式C课程融合教学研究”，MJU2019B025。
作者简介： 罗海波，男，汉族，湖南永州人，博士研究生，讲师，研究方向：物联网、边缘计算。
标签：数字系统论文; 综合实践论文; 应用型人才培养论文; 闽江学院计算机与控制工程学院论文;