新工科背景下结合fpga的数字电子技术课程建设

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数字电子技术课程是信息类、控制类、电气类等相关专业学生需要重点学习的一门专业必修基础课。

新工科背景下，为了解决传统数字电子技术课程教学中存在的学生创新能力培养不足、信息化教学技术手段作用发挥不够、理论与实践分离等问题，通过在教学过程中结合FPGA平台，为学生提供了实践平台。

学生可以通过FPGA平台将数字电子技术课程中的知识点进行实现与验证。

教学实践发现，学生的综合素质、工程实践能力明显提高，工程意识和工程实践能力增强。

这充分说明基于FPGA平台的数字电子技术课程教学模式，符合新兴产业发展中对大规模数字电路开发的需求，能够有效培养学生的创新能力和独立思考问题的能力，满足新时代、新工科的发展需要。

1 概述
信息技术发展至今，对于国家，甚至整个人类世界来说，距离全智能时代路口的距离已经越来越近。

很多科学家、学者都认为新的科技革命即将开始，许多国家开始提前布局，美、德率先提出了各自的战略规划——“工业互联网”和“工业4.0”。

历史的规律表明，但凡发生在科学技术时代变革之际，能够引领的国家都将成为技术强国，在世界的排位都会向前，所以中国必须抓住这次机会。

但国内人工智能人才的供需存在缺口，新一代信息技术产业从业人才严重不足。

在这样的背景下，教育部以文件《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》为核心，先后发布了一系列文件推动新工科教育的发展（贾绍芝，陈彬兵，刘婕，et al.适应“新工科”发展的“数字电子技术基础”课程教学探索：工业和信息化教育，2018）。

逐步形成了“天大行动”、“复旦共识”和“北京指南”，结合我国自身特色重点探索构建世界领先的工程教育模式，为将我国建设成为高等教育强国添砖加瓦（董玉冰，李明晶，新工科背景下混合式创新教学在数字电子课程中的应用探索：长春大学学报(自然科学版)，2017）。

新兴产业的不断发展催生了“新工科”。

“新工科”主要针对相关新兴专业，包括智能制造、人工智能、云计算、机器人等。

同时也包括对传统工科专业的改造与升级。

数字电子技术课程是信息类、控制类、电气类等相关专业学生需要重点学习的一门专业必修基础课，它为后续学习的专业课程奠定了理论基础，是学生创新能力形成过程中的核心课程，是新工科专业的重要基础课程之一（朱明达，融合《EDA》的《数字电子技术》翻转课堂教学：电子世界，2016）。

因此，结合新工科需求开展数字电子技术课程的改革非常重要。

2 传统教学方法问题分析
数字电子技术课程长期以来一直采用以课堂讲授为主的传统授课模式，只是注重于理论知识的授课，却没有关注学生创新实践能力的培养，严重忽视了对学生主体性、创新性方面的培养，没有遵守以学生为本的教学准则。

采用这种传统的教学授课方法，无法激发学生主动学习的兴趣，学生往往对知识点只是死记硬背，没有通过实践环节进行验证，更无法实现对知识点深入的体会，因此基于这种填鸭式的教学模式难以培养出具有独立思考能力的学生（林健，面向未来的中国新工科建设：清华大学教育研究，2017；王艳芬，基于《EDA技术》的《数字电子技术》课程改革研究：科技与创新，2016）。

传统的授课模式中，课时安排是有限的，实验条件也难以满足新工科背景下学生的学习需求。

在这种模式的实验教学环节中，仍然采用的是基础性实验。

仅仅采用传统的基础性实验教学，教学内容无法有效调动学生的学习积极性，学生严重缺乏实践操作、创新设计的培养环节，很难学习到新工科发展对应的前沿知识和技能。

最终导致对学生的培养难以满足新工科的发展需求，学生未来难以胜任新兴产业的创新性工作（邓桂萍，数字电子技术课程的翻转课堂教学模式研究：教育现代化，2016）。

在传统的授课模式中，教师仍然是仅仅运用PPT、板书、模型等工具，在课堂上采用面授口述的教学形式。

虽然随着信息化的发展，计算机辅助教学早已引入了教学过程当中，但是其功能并没有得到充分的发挥，仍然只是将教学内容通过PPT进行报告讲解。

由此可见，传统教学的模式中教师并没有充分发挥出信息化教学技术手段的优势，应该根据新工科的教育发展需求进行大力改进（肖仁仕，翻转课堂在数控教学中的应用与实践：电子制作，2015）。

3 结合FPGA平台教学实施方法
FPGA——现场可编程门阵列，采用软件手段实现所有对器件内部互连结构与逻辑单元的更改和配置，从而实现用户所设计的功能模块的数字集成电路。

能够制约FPGA所能实现功能的因素只有
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FPGA 器件内部逻辑资源的规模。

只要FPGA 内部逻辑资源量足够大，用户通过软件编程可以实现任何逻辑功能电路。

因此，FPGA 具有“万能芯片”的美称。

特别随着人工智能的发展，FPGA 由于其高速、并行计算等特点在通信、医疗、工控和安防等领域都有出色的表现。

因此，在新工科的背景下基于FPGA 开展数字电子技术教学工作具有深远的意义。

数字电子技术课程结合FPGA 后，在理论教学方面实施“理论教学结合FPGA 平台”的形式，将数字电子技术课程中重要的知识点（如组合逻辑电路、时序逻辑电路）作为学习主线，通过理论结合实践的方式，教授学生相关原理。

学生并行学习硬件描述语言（Verilog HDL ），通过完成各知识点对应模块（如三八译码器、比较器、计数器、多路选择器等等）的设计与编程，进一步加深对知识点的理解。

在完成各知识点对应模块FPGA 硬件描述语言设计与编程后，将程序下载到FPGA 平台中进行功能验证。

以数字电子技术中重要的时序逻辑电路计数器为例进行具体讲解：
第1步，教授学生计数器的概念、原理和应用场合。

第2步，讲解计数器的基本结构与FPGA 实现时的要点。

第3步，基于FPGA 平台实现计数器。

具体步骤如下：（1）采用Verilog HDL 语言对计数器电路进行设计与编程。

（2）逻辑综合与布局布线。

（3）使用Modelsim 仿真工具进行功能与时序仿真验证。

（4）下载验证。

图1为给学生布置的计数器的仿真结果，可以看出这是一个十进制计数器，随着系统时钟clk 计数器count 不断累加计数，当计数器count 由0计数到9时，计数器清零，并发出指示信号flag 。

图2为该计数器的寄存器传输级描述图（Register Transport Level ，RTL
）。

图1 计数器仿真图
图2 计数器RTL
4 FPGA教学实践平台设计
为了更有效的开展结合FPGA 的数字电子技术课程教学，基于新工科发展教学需求开发数字电子技术课程FPGA 教学平台。

数字电子技术教学中，非常适合学生们基于FPGA 学习的知识点主要包括：编码器、译码器、选择器、加法器、比较器、寄存器、计数器、序列信号发生器、同步异步时序电路对比学习、DAC 与ADC 应用学习等等。

FPGA 平台必须满足这些知识点对应功能模块的实现与验证需求，但又不能太复杂。

过度复杂会影响学生对知识点的
理解。

基于以上需求，设计如图3系统框图所示的FPGA 平台。

平台结构简单，但包括了必需模块。

平台具有四组扩展口，可以用于连接LED 阵列板，数码管阵列板等扩展模块。

平台上还包括DAC 、ADC 模块，用于在这部分知识点讲授时向学生演示及学生实践学习使用。

同时平台还可以实现通过USB 接口与PC 通信，满足相关实验演示讲解需求。

FPGA 平台实物图如图4
所示。

图3 FPGA平台系统框图
图4 FPGA平台实物图
5 结论
本文根据新工科专业课程建设的需求，结合FPGA 技术特点，在教学理念、教学内容、教学方法、实践环节等几个方面对数字电子技术课程做出了改革。

使学生通过基于FPGA 平台的实践学习，加深对组合逻辑电路、时序逻辑电路、DAC 、ADC 等知识点的学习。

通过教学实践发现，学生的综合素质、工程实践能力明显
提高，工程意识和工程实践能力增强。

这充分说明基于FPGA 平台的数字电子技术课程教学模式，符合新兴产业发展中对大规模数字电路开发的需求，能够有效培养学生的创新能力和独立思考问题的能力，满足新时代、新工科的发展需要。

基金项目：中国石油大学（北京）本科教学工程资助（编号：2017-67）；中国石油大学（北京）本科教学工程资助（编号：2018-47）；中国石油大学（北京）研究生教育质量与创新工程资助（编号：yjs2017016）。

作者简介：朱明达（1983—），男，汉族，山东东营人，博士，中国石油大学（北京）信息科学与工程学院电子系副教授，主要从事数字电路分析与设计的研究与教学。