新工科系統(tǒng)能力培養(yǎng)視角下的數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)教學(xué)研究

劉峰

【摘 要】 計(jì)算機(jī)類專業(yè)作為新工科的重要學(xué)科之一，為了適應(yīng)信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，其人才培養(yǎng)由以往強(qiáng)調(diào)“程序性開(kāi)發(fā)能力”轉(zhuǎn)化為更重要的“系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力”。所謂系統(tǒng)能力是指在掌握計(jì)算系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以計(jì)算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，其中包括系統(tǒng)知識(shí)和工程實(shí)踐兩方面內(nèi)容。肩負(fù)著新型計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的專業(yè)人員只有深入掌握了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的工作機(jī)制和原理，具備了更深入的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用能力，才能更好地適應(yīng)未來(lái)新經(jīng)濟(jì)和智能時(shí)代的需求。因此，系統(tǒng)能力培養(yǎng)在理論和實(shí)踐上對(duì)未來(lái)計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)水平和質(zhì)量具有重大意義和影響。

【關(guān)鍵詞】 新工科系統(tǒng)? 數(shù)字邏輯? 設(shè)計(jì)

1. 數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程的現(xiàn)狀

1.1 理論教學(xué)內(nèi)容陳舊，與產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的內(nèi)容，如時(shí)序電路毛刺現(xiàn)象、狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)等，在教學(xué)中的比重微乎其微。

1.2 在科研為導(dǎo)向的考核體系下，任課教師對(duì)教學(xué)的重視程度不夠，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中 “重軟件，輕硬件”，對(duì)系統(tǒng)能力類課程地位認(rèn)識(shí)不夠，缺乏系統(tǒng)概念。主要表現(xiàn)在學(xué)科競(jìng)賽、科研訓(xùn)練及畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題上都偏向程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)類，而很少選擇軟/硬相結(jié)合的系統(tǒng)性開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

2. 教學(xué)改革方案

2.1 加強(qiáng)思政建設(shè)，增強(qiáng)愛(ài)國(guó)情懷

深入挖掘課程中蘊(yùn)含的思想政治資源，將思政教育始終貫穿于整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。在有形設(shè)計(jì)和無(wú)形熏陶中達(dá)到春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無(wú)聲的教育效果。

在課堂教學(xué)中，以社會(huì)主義核心價(jià)值觀為主線，以相關(guān)專業(yè)知識(shí)為載體，以時(shí)事熱點(diǎn)為引入，增強(qiáng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀。講到電子芯片時(shí)，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生利用唯物主義辨證法，與摩爾定理比對(duì)，正確認(rèn)識(shí)未來(lái)芯片發(fā)展的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。CPU芯片是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及各類電子設(shè)備的核心器件，目前低速芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，但與高速芯片相關(guān)的許多核心技術(shù)及產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信設(shè)備、通用電子系統(tǒng)及內(nèi)存設(shè)備等仍主要依賴進(jìn)口，導(dǎo)致信息系統(tǒng)的安全乃至國(guó)家安全也面臨威脅。2018年中美貿(mào)易摩擦加劇，中興及華為事件的爆發(fā)引發(fā)了我國(guó)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考，自主可控產(chǎn)業(yè)無(wú)疑成為國(guó)家未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)支持和資助方向，進(jìn)一步加大了對(duì)具有較強(qiáng)系統(tǒng)能力人才的需求，此時(shí)應(yīng)鼓勵(lì)和支持學(xué)生積極投入自主可控產(chǎn)業(yè)發(fā)展洪流中。

2.2 強(qiáng)化課程關(guān)聯(lián)，重構(gòu)課程體系

合理調(diào)整與梳理本課程與前導(dǎo)課程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)及后續(xù)課程計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)之間理論知識(shí)的上下銜接及實(shí)踐體系的有機(jī)融合。

理論部分將歸整重復(fù)部分，如將數(shù)據(jù)的表示整合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)，將算術(shù)運(yùn)算部件中加法運(yùn)算部件整合到數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)，而將乘除法運(yùn)算部件整合到計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐上，本課程為計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)提供部件基礎(chǔ)，兩個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)部分上下打通，由淺入深，統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

接口技術(shù)是一門工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)體系中占有重要的地位。但是很多學(xué)校一般將其設(shè)置為“選修課”，得不到學(xué)生應(yīng)有的重視，面臨邊緣化的困擾。以DIGILENT Nexys A7-100T FPGA開(kāi)發(fā)板為平臺(tái)，將接口技術(shù)的部分內(nèi)容融入數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐教學(xué)中，將開(kāi)發(fā)板外圍的一些接口，如數(shù)碼管、VGA接口、鍵盤、加速度傳感等，作為擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?zāi)K，既豐富了教學(xué)內(nèi)容，又大大提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

2.3 精心安排和制定課程教學(xué)方案

2.3.1理論與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置。

整個(gè)教學(xué)過(guò)程遵循理論服務(wù)實(shí)踐的教學(xué)思想，理論部分圍繞構(gòu)成CPU的邏輯部件，培養(yǎng)學(xué)生基本的邏輯思維能力，強(qiáng)調(diào)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并將開(kāi)發(fā)板外圍接口作為擴(kuò)展內(nèi)容，穿插于課程中。實(shí)驗(yàn)部分采用Verilog HDL進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，以學(xué)生為中心，從培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力出發(fā)，采用遞進(jìn)式培養(yǎng)方案，包括基礎(chǔ)能力實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新能力實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層級(jí)，二者各占50%。基礎(chǔ)能力實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)相對(duì)應(yīng)，包括數(shù)據(jù)選擇器、算術(shù)運(yùn)算單元、桶形移位器、計(jì)數(shù)器等，是構(gòu)成CPU的部件基礎(chǔ);創(chuàng)新能力實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用FPGA開(kāi)發(fā)板自帶各種接口或外接PMOD，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)各種小型數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)。

2.3.2 線上線下混合式教學(xué)模式。

線上線下混合式教學(xué)已成為高等教育中新的教育形態(tài)和新的人才培養(yǎng)范式。為了提高教學(xué)的效率，將傳統(tǒng)意義上的線下課堂教學(xué)與融合了“互聯(lián)網(wǎng)+”“智能+”技術(shù)的在線教學(xué)相結(jié)合。具體來(lái)說(shuō)，課堂上采用“雨課堂”，通過(guò)發(fā)彈幕、課堂小問(wèn)卷等互動(dòng)方式實(shí)時(shí)了解學(xué)生的掌握情況，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)管理的精準(zhǔn)性。課后采用騰訊課堂，通過(guò)屏幕共享跟學(xué)生實(shí)時(shí)交互，進(jìn)行在線答疑，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了一定的補(bǔ)充作用。混合式教學(xué)模式完全滿足本課程的教學(xué)需要，在教學(xué)中發(fā)揮積極的作用。

2.3.3 遵循公平客觀的原則，改革評(píng)價(jià)機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)的成績(jī)?cè)u(píng)定是否公平客觀直接影響著學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，采取“小組互評(píng)，鼓勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)，獎(jiǎng)勵(lì)加分，答辯驗(yàn)收”的考核機(jī)制，激發(fā)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)生動(dòng)力。

結(jié)語(yǔ)

本著立德樹人的教學(xué)宗旨，積極挖掘課程中蘊(yùn)含的思政元素，從課程定位、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及成績(jī)?cè)u(píng)定等方面進(jìn)行了數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)教學(xué)改革，調(diào)整以往“重理論、輕實(shí)踐”的教學(xué)模式，遵循以實(shí)踐為主線，理論服務(wù)實(shí)踐的原則，構(gòu)建了課堂教學(xué)、科研訓(xùn)練、學(xué)科競(jìng)賽和產(chǎn)教融合“四元一體式”的人才培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變，為后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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