摘要：數字系統設計課程講述數字電路的分析和設計等內容，是理工類院校的學科基礎課，數位技術在工業、國防和生活中起著極其重要的作用，是當今國際高科技競爭的基礎技術領域之一。本課程針對教學中存在的「痛點」問題，貫徹「以學生為中心」的教育理念，通過重構課程知識體系；建設多維度縱橫交錯的理論與實踐高度融合的教學模式；改革課程評價體系，採用多元化的考核方式；引入目標驅動的人才培養模式，培養學生提出科學問題的能力等教學改革措施，為學生營造一種多元化、立體化的自主學習環境，建設全新的、切合時代需求的數字系統設計課程體系。新的體系使數字電路課程充滿了活力，增加了學生在雙創項目和競賽中競爭力，也為兄弟院校的同類課程建設提供了參考範例。
一、引言
登月工程、高速鐵路、5G技術、行動支付、數字貨幣，這些全球領先的科學技術的取得離不開數位技術的支撐。數字電子技術在工業、國防和人們生活中起著極其重要的作用，是當今國際高科技競爭的重點技術領域之一。我國目前存在較嚴重瓶頸甚至「卡脖子」問題的電子晶片、高端設備的數控系統等均屬於數位技術的範疇。高校作為人才培養基地，亟需面向新的國際、國內形勢及行業發展的需求，大力推進數字電路課程改革。
現代數字電路設計是基於大規模乃至超大規模集成電路，以5G和人工智慧為代表的新一代通信、信息、計算等技術的興起對高速數據處理和高速計算提出了新的需求。但傳統數字電路課程仍然以中小規模電路的理論講授為主，課程教學內容陳舊，不滿足新工科時代的需求；理論教學與實踐脫節，學生動手能力弱；課程考核形式陳舊，學生被動學習和完成作業，缺乏對知識的透徹理解；教學過程中不重視創新，學生缺乏提出科學問題的能力。為了解決教學中的這些「痛點」問題，本課程優化了理論知識體系，同時把CPU的設計貫穿於整個教學過程中；在教學方法上採用理論與實踐高度融合的教學模式，將以FPGA為代表的大規模集成電路引入課堂教學，將傳統電路與Verilog描述、理論教學與FPGA實驗雙結合，解決理論和現實脫節的矛盾。貫徹「以學生為中心」的教育理念，注重信息技術在課堂教學中的應用，調動了學生的學習積極性和學習熱情，使數字電路課程具有鮮明的時代氣息，取得了很好的教學效果。
二、教學創新
1. 結合數位技術發展和時代需求，重構課程教學內容
針對課程教學內容陳舊，不滿足新工科時代需求的「痛點」問題，本課程重構了教學內容。課程組利用兩年的時間，採用「走出去、請進來」的方法，調研了國內、國外多所高校的數字電路課程建設情況，向社會各界發放了大量教學調查問卷，拜訪了很多企業專家，積累了豐富的社會需求和課程改革資料。在此基礎上結合數位技術發展和時代需求，以保持教學內容的基礎性、科學性和先進性為目標，重構了數字電路課程的知識體系，強化課內實驗教學，制定了新版教學大綱並沿用至今。新的課程知識體系在注重數位技術基礎理論的同時，強調邏輯電路的驅動和時序配合，加強大規模集成電路的設計與實踐，將RISC處理器的設計納入理論與實踐教學體系，在課程結束時，學生能夠實現一款圖靈完備的RISC處理器。
本課程與華為達成合作，共同打造「北郵-華為」數字系統設計共建課程。由華為工程師提供與課程相關的素材融入到教學活動中，不斷優化課程內容；由華為專家舉辦技術講座，從多角度讓學生清楚當前知識與前沿科技的關係，將培養研究性思維和研究能力貫穿於整個教學過程之中，培養學生建立實踐、工程、系統的觀點。
2. 構建理論與實踐緊密融合的教學模式，創造課內教學與課外實驗新體系
針對理論教學與創新實踐脫節痛點問題，本課程改革教學方法，設計了全新的實踐教學內容和教學體系。在教學過程中將理論教學和實踐教學並行推進，通過自主研發的口袋型FPGA實驗板為學生構建泛在實驗環境，學生只需一臺電腦，就可以接入口袋型FPGA實驗板隨時隨地開展實驗。實驗教學分為三個階段：第一階段初識FPGA，第二階段學會使用板載資源，第三階段全面開啟課內實驗。
在課程初期，課堂講授的理論知識有限，此時的實驗內容主要是讓學生熟悉FPGA實驗板，指導學生安裝開發環境、創建第一個工程、跑通第一個例程。然後開始通過實例講解簡單的Verilog語法，讓學生學會使用板載資源，如撥碼開關和按鍵等輸入資源、LED和七段數碼管等輸出資源。隨著課程的深入逐步開始與理論教學相關的實驗，例如講編碼器和解碼器時，會讓學生設計一個液位檢測器，用七段數碼管顯示液位高度，學生可以用Verilog設計優先編碼器和七段顯示解碼器來實現；講到移位寄存器和鎖存器時，要求學生用Verilog 實現74HC595，完成8位串行數據到並行數據的轉換，並支持三態輸出。
本課程在幾年前就引入了CPU的設計，將CPU的各個基本單元分散到理論教學中，比如由門電路實現全加器，由全加器實現超前進位加法器，由加法器實現ALU等，並配合Verilog和FPGA進行實驗驗證。當課程結束時，學生不僅熟練掌握了數電電路的分析和設計方法，還能獨立完成一個簡單指令集的CPU。從目前的實驗效果看，學生設計的CPU越來越複雜，而且已經開始關注指令集的設計和圖靈完備性測試，甚至部分學生開始考慮流水線和預取指令問題，還有的同學嘗試理解各種開源的CPU設計。由於國際形勢的變化，以及國內晶片設計中存在的短板問題，從今年起，本課程尤其加強了這部分內容的理論教學與實踐訓練，努力為國家培養亟需的高科技人才。
3. 通過多維度、縱橫交錯機制為學生營造多元化、立體化的自主學習環境
打破傳統教學中「教學與實踐分離」的局面，構建多維度、縱橫交錯的理論與實踐緊密融合的教學模式。課程在橫向時間軸上有三個教學維度，分別對應理論教學、實踐教學和線上輔助教學三條主線；縱橫交錯是指將橫向維度縱向貫通，將理論教學、實踐教學和線上輔助教學垂直關聯起來，實現三者的融合與促進，充分貫徹「以學生為中心」的教育理念，為學生營造一種多元化、立體化的自主學習環境。
實踐教學包括課上討論和課下實驗，課上討論採用翻轉課堂形式，主要是優秀實驗案例分享，實驗作業全部由學生在課下完成。線上輔助教學是對理論和實踐教學的補充，是知識體系的綜合運用和擴展，以華為等優秀企業的前沿講座為主。通過講座配合課堂教學，使學生清楚所學知識在電子、信息與通信等領域、以及在解決國家重大問題中的應用，激發學生的學習熱情，加強學生課程參與度和使命感。比如，學生在電子設計競賽和雙創項目中經常要製作印刷電路板，本學期課程組邀請了企業專家講述KiCad等軟體的使用，專家還專門為學生從企業爭取了3000張免費打樣包郵的優惠券，鼓勵學生製作自己的第一塊印刷電路板。講座結束後，90%以上的學生都完成了自己首個印刷電路板的設計，為暑期參加電子設計競賽奠定了基礎。
4. 改革課程評價體系，採取多元化的考核方式
針對課程考核形式陳舊，學生被動地學習和完成作業，缺乏對知識的透徹理解痛點問題，採用「多元、多級、多樣」的考核評價體系，即從「基礎能力考核、實踐能力提升、創新能力進階」等多渠道和多方式綜合評價學生的成績，注重體現過程評價和學習效果評價。
通過平時在線作業客觀題考核學生對基本概念的理解，通過主觀題考查學生對核心知識點的掌握程度；通過期中與期末考試重點考察學生對基本概念、核心理論和方法的掌握程度，保證學生夯實知識基礎。課內實驗題目有較強的開放性，鼓勵學生自由發揮、自主創新，加強非標準化、綜合性等評價。通過參與專家講座互動和創新訓練項目，考查學生的自我管理能力、創新能力和認知能力，通過小組項目考查學生的團隊意識和協作能力。重視學生多樣化學習需求，對個別學生採用參與科研項目或自主創新項目研發，將考核與培養高階人才相結合。多元化的考核機制激發了學生的興趣和積極性，取得較好的教學效果。
5. 採用目標驅動的人才培養模式
針對學生缺乏創新能力，缺乏提出科學問題的能力，本課程教學過程中注重「夯實基礎，融合創新」的培養理念，注重目標驅動的人才培養模式，將培養研究性思維和研究能力貫穿於整個教學過程之中，培養學生建立實踐、工程、系統的觀點，並通過以往競賽題指導學生學習，使其學習目的更明確，學習動力更足。
三、教學成果
經過多年的努力，課程建設取得較好的教學效果：
1. 使數字電路課程充滿了活力，增加了學生在雙創項目和競賽中競爭力
全新的知識體系、理論與實踐相融合的教學模式、多元化的考核評價體系極大地調動學生的積極性和學習熱情，使課程不再枯燥，也使其有了鮮明的時代氣息。課堂上，學生爭搶前排位置，聽課更加專注，回答問題踴躍，互動效果好；課下，微信和QQ教學群變得更加活躍，課後問問題的學生增多，問題深度和廣度增大。通過課內實驗增加了學生的成就感和求知慾，學生不再懼怕電路設計，在項目中選用FPGA方案的明顯增多。
授課的結束是創新實踐的開始，在本學期課程結束前，課程組為學生準備了30塊高端FPGA開發板( ZYNQ核心板，雙核Cortex-A9, 85k邏輯單元)、20塊STM32開發板、20塊樹莓派4B開發板，還有不限量的自研FPGA開發板(Cyclone IV核心板，10k邏輯單元)供學生們在假期練習，指導學生備戰暑期的大學生電子設計競賽。
目前，數字系統設計課程已經與各種學科競賽深度融合，老師們積極參與競賽的指導，並利用競賽指導經驗和科研反哺教學，取得了非常好的教學效果。在2019年全國大學生電子設計競賽中，取得了1項國家一等獎、1項國家二等獎，北京市獎若干等驕人的成績，每年還在「網際網路+」、「挑戰杯」、「物聯網與技術應用三創大賽」等多種比賽中取得優異成績。
2. 自製教學儀器
本課程將理論教學與實踐教學相融合，在教學過程中，鼓勵學生自研教學套件，目前，數字系統設計課程已經開始採用自主設計FPGA教學實驗板，圖1為學生自主研發的口袋型FPGA教學實驗板。
圖1 自研的口袋型FPGA開發板
這是一款低成本、可攜式FPGA教學實驗板，不僅可以用於數字電路課程的課內實驗教學，還可用於微機原理、計算機接口技術等相關課程的輔助實驗教學，也可用於大學生創新訓練項目、電子設計競賽等。該實驗板還可以通過焊接DIP引腳靈活地嵌入到其它系統中，用於科研項目和產品原型開發。
圖2為學生研發的多功能實驗板，板子自帶一定的資源，可以在右側的麵包板上完成基礎實驗，還可以在插入Arduino主控板、STM32主控板、FPGA主控板完成相應的實驗，進一步拓展了改多功能板的應用範圍。
圖2 自研的多功能開發板
學生結合數字電路課程設計的另一款優秀作品就是炫彩閃光棒(搖搖棒)，原理簡單，符合複雜工程設計思想，是一款非常有趣的和廣受歡迎的創新實踐訓練作品，已經在北京多所高校、全國多所中小學中得到推廣應用。類似的作品還有基於電子墨水屏的電子標籤、電子表白牆、電子會議牌等。
3. 學生的反饋
每次結課時，我們都會以問卷形式收集學生反饋，分析課程指標點的達成度和學生的教學評價，以下是最近一次的反饋：「學的很開心，引起我對FPGA的濃厚興趣」、「 挺好的一門課，不僅學到了Verilog語言，還學到了如何設計PCB板」、「 實踐與理論相結合，可以達到事半功倍的效果」、「感覺有些緊張，但收穫滿滿」、「教學形式豐富，內容充實，收穫很大」。
4. 課程建設的推廣應用情況
數字系統課程建設取得了較好的效果，先後在2019年「北京高教學會電子線路研究會」、 2020年「全國高校電子信息類專業教學論壇」上做大會報告，交流課程建設經驗；還曾受邀去兄弟院校交流課程建設經驗。自主研發的口袋型FPGA教學實驗板設計新穎、便於攜帶，陸續被兄弟院校選用。
四、結論
針對教學中存在的「痛點」問題，本課程重建了課程知識體系，採用理論與實踐高度融合的教學模式，將以FPGA為代表的大規模集成電路引入課堂教學中，較好地解決理論和現實脫節的矛盾。通過貫徹「以學生為中心」的教育理念，注重信息技術在課堂教學中的應用，充分調動了學生的學習積極性和學習熱情，取得了非常好的教學效果。本課程通過建設全新的、切合時代需要的數字系統設計課程體系，為兄弟院校的數字電路課程建設提供典型範例，進而促進全國高校同類課程的深化改革。