國內高校基于嵌入式教學的不足

隨著嵌入式EDA電子技術的飛速發展和應用領域的延伸擴張，僅僅在30多年前尚未曾有過的大量學科紛紛出現在高等教育的課程設置中。如DSP技術、SoC設計、EDA技術、計算機結構與設計、網絡技術、數字通信、嵌入式系統等。這其中許多被列為當今的核心科技學科和自主型科學技術的重心，引領著未來電子技術和科技的發展方向。在這高速的電子技術歷史變革中，我們目睹了曾經的TTL器件5V工作電壓邁向了低于1V的芯核電壓；曾經的數MHz的CPU主頻跨入了10GHz的門檻；一度靠手工設計技術將僅含數個邏輯門的74系列器件組合成“板上系統”的時代脫胎為基于EDA技術實現的含上千萬門的“片上系統”時代。所有這一切，把作為這一領域的專業基礎課——“數字電子技術”的地位和重要性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尖銳的挑戰！

然而遺憾的是，目前國內高校的數字電子技術基礎課的絕大部分教材內容和教學模式仍然停留在20世紀70年代末。這一現狀嚴重影響了應有的教學質量和就業競爭力。

一、目前課程教學內容、教學模式和教學目標，存在的基本問題

（1）過于偏重“理論”教學而忽視實踐能力的培養

暫且不提其“理論基礎”是否適用于后續課程的學習，僅其學習模式和學時安排就有悖于此課程的基本性質——技術基礎。調查表明大多數學校對此課程的學時安排是64學時授課、16學時實驗，而且以驗證性實驗為主；顯然，實踐要求被嚴重弱化。而且將此課程基本退化為依賴題海戰術的普通基礎課，諸如搞試題庫、習題集、標準答案、聯校統考等。殊不知這一切恰恰埋沒了這門作為當今電子科技領域最富變化，最具活力，最貼近實踐，最需創新能力的學科的鮮明特質，偏離了此課程真正的教學目標和教學要求，特別是抹殺了此課程作為創新意識啟蒙這一重要目標的實現。其結果是造就了大批只擅長紙面答題而畏懼動手實踐的學習者，嚴重影響了后續課程的學習和求實創新精神的培養。事實上，作為一門面向技術的主干必修課，它既是許多重要后續課程的基礎課，同時又理應成為培養尊重實踐、勇于探索、積極創新等優良素質的啟蒙學科。現代電子與計算機領域中擁有重大經濟價值的自主創新項目多產生于數字電子技術領域。顯然，數字電子技術的教學應該是呵護和激發創新精神的源頭，這個領域不需要什么習題集，也永遠沒有標準答案，它提倡個性、鼓勵想象、適應變革、崇尚實踐！

（2）陳舊的教學內容

那些無法與現代數字技術接軌的陳舊教學內容，主要包括對傳統組合電路和時序電路的分析與設計的純手工技術，及數十年不變地圍繞這一課程的核心教學內容（就如同一包內容不變而生產日期不斷被更新的過時食品）。所有這些似乎與教材的不斷再版和更新無關，教材從不直白這些內容實為僅適合于低速小規模數字電路設計的“手工數字技術”，也沒有任何文字坦陳將要傳授給學生的不過是誕生于上世紀60年代、成熟于70年代、完全淘汰于80年代初的陳舊的內容。美國Stanford大學的J.F.Wakerly在其《數字設計原理與實踐》一書中說：“如何幫助學生去適應不可避免地要面臨的變化，這才是最困難的。因為在這個領域的一般教科書都因摩爾定律而縮短了它的適用期”。

這無疑會在讀者中產生許多誤導，例如會誤將過時的手工技術、分析方法和設計流程當成現代數字技術基礎知識去應用；或將邏輯化簡誤當做系統優化的目標去追求；或將邏輯功能手工分析方法誤認為就是現代數字系統的時序分析；甚至會將這些教材中僅適合于低速小規模條件下的數字知識當成一般數字技術誤用到高速大規模邏輯設計中。

至于將IEEE/ANSI曾于1984年制定的，并很快在國際上淘汰的邏輯圖形符號標準，一直在我國教科書中作為“國家標準”沿用至今，則是另一明證。其實這種早已過時的所謂國標符號，早于上世紀80年代后期的數字技術業界就升級至ANSI/IEEE—1991標準（Distinctive shape Symbols）。其結果是，迫使已完成現在的數字電路課程學習的學生，不得不重新學習和熟悉ANSI/IEEE—1991標準的邏輯符號，才能面對實用的電子工程技術。

（3）脫離工程實際

教材中充斥著偏離工程實際的偽命題和偽技術。例如，當今的TTL 74LS系列器件原本可毫無問題地與CMOS器件相互接口，甚至3.3V I/O電平的器件也能可靠地接口TTL和CMOS器件，然而教材中無不推薦使用諸如要加上拉電阻、三極管電路或是插入專用驅動器件(如40109)等多種所謂“接口技術”，來解決這些無中生有脫離實際的“電平不匹配”命題；或者介紹要用3個CMOS驅動十個TTL器件之類的夸張“技術”；再如對于毛刺脈沖的解決方案，工程上原本應該選擇時序電路，然而書中卻羅列了許多脫離實際甚至錯誤的方法，如改變邏輯結構的“冗余技術”、端口接電容的濾波技術等；更有甚者，單純地介紹只要獲得對應的反饋邏輯函數，就能通過控制通用邏輯器件的清零或置數端，構建成指定進制的計數器。卻從不提及或討論，以此類方法設計的邏輯系統在外部溫度或電磁環境等因素發生變化時，控制邏輯信號是否會出現毛刺脈沖，從而提前啟動清零或置數。例如，74LS161理論上的十二進制計數設計很可能由于外部因素而變成八進制計數器！

（4）知識體系的結構性缺陷

傳統教材知識體系的結構性缺陷主要表現在以下3個方面：

① 知識體系不具備以此及彼的可推廣性和一般性。例如無法將邏輯電路的分析方法應用到實際工程上，因為現在只做時序仿真；又如給出的設計時序電路的經典5步驟其實只適用于簡單電路（如模7計數器等）設計，根本無法推廣到更實用的諸如模70、模700乃至模7000等多變量的同類計數器的設計，從而約束了學生的創造力。

② 僅羅列枝節性知識，沒有將這些知識上升為一般性理論和實踐依據。例如，羅列了各種時序電路應用模塊（如各類計數器），給出了諸如狀態變量、狀態圖、狀態表等重要概念，卻始終沒有邁上“一切同步時序電路都是狀態機的特殊形式”的關鍵臺階。所導致的后果是，多數學習者除了僅能完成基于筆頭的“書面實踐”外，無法再向前多跨一步。

其實這種教學安排違背了人的基本認識規律。人類對自然的認識規律就是從特殊到一般，再從一般回到特殊的過程；而人對自然的能動作用則體現在后一階段。如果教學中只羅列各類計數器的類型和設計，卻不將學習的認識推向更高更一般的層次，即狀態機的設計與應用（國外許多知名同類教材都介紹狀態機的設計），無疑是舍本求末之舉。

③ 缺乏前后呼應的一致性。盡管教材都安排了存儲器、模數、數模等實用器件的介紹，但都僅僅限于對它們的結構和原理的介紹，卻不介紹它們的實用方法，更沒有相關的實驗安排，完全違背了技術基礎類教材的基本要求。一般而言，對于后文安排的實例性項目（如ADC0809），理應利用前文給出的有關邏輯電路的分析與設計知識，給讀者展示使用這些器件的技術，乃至綜合應用方法，這本是冠以“技術基礎”教材的分內責任。然而遺憾的是，A/D、D/A、ROM、RAM這些在數字技術中極其重要的內容卻僅停留在結構原理的介紹上，與主干內容亦呈游離狀態，使得本來以推介“技術”為目標的教科書淪為器件說明書。其原因只有一個，即疏漏了狀態機設計和應用等核心知識的介紹！其實，一些即使加入了EDA知識和硬件描述語言（HDL）的同類教材也存在相同問題。

（5）技術理念落后

所傳遞的落后技術理念主要包括無法適應現代數字技術的低速小規模電路理念。例如，甚至在最新版的權威教材中仍有這樣的文字：“在數字系統中，常常需要用到一些脈沖信號的產生和變換電路”，“單穩態電路也是數字系統中常用的一種脈沖整形電路”。事實上，即使現代最小規模的數字系統設計中也不會包含任何脈沖信號變換或諸如單穩態類涉及阻容元件的電路，這是因為現代數字系統的普通工作頻率都高達數十至數百MHz，而涉及阻容元件模擬電路的脈沖變換或單穩態電路的頻率通常無法超過百kHz。一個如此低頻率的電路怎么可能出現在數字系統中呢？顯然是低速理念在做怪。殊不知現代數字系統與模擬電路已是兩個分離的世界，它們被獨立研究，單獨設計，它們之間的聯系只能是A/D和D/A。無疑，數字技術教學中，落后的技術理念引起的概念和技術誤導是明顯的。

（6）教學目標定位過低

在長期延續下來的低速小規模理念的引導下，數字電路教學低下的教學目標定位是必然的。大多數教學情況除了滿足于純筆頭的書面考核外，其動手能力的訓練基本仍停留在幾十年一貫制的基于74系列器件的譯碼器、計數器、搶答器和交通燈控制之類低層次簡單設計上。這勢必使學生以極低的起點和過窄的視野去面對大量重要的后續課程的學習。

相比于此領域的教學改革先行者的成就，其間的差距是巨大的。例如國內已有不少院校（包括我校部分專業）將數字電路放在第一或第二學期，實踐訓練的內容包括超過數萬至數十萬邏輯門規模的數字系統自主設計訓練，不少受益的學生在各類電子設計競賽中獲得了好成績；又如美國Stanford大學將數字電路課Digital System(1)也放在本科第2學期；清華大學電子系本科生從一入學就人手獲得一塊Altera FPGA實驗開發板，該校計算機專業本科二年級學生就能自主設計出各種極具創新特色的數字系統，如VGA圖形顯示控制、數字立體聲播放器設計等數字游戲項目；美國Michigan大學本科一年級學生就能設計數字電子琴，其中FPGA控制VGA顯示五線譜，PS/2鍵盤作為琴鍵；東南大學在一次省級數字電路課程電子設計競賽中，有一組同學完成了指紋識別數字鎖的設計而獲一等獎。

（7）課程安排的時間太晚

目前此課程絕大多數情況下仍被放在本科第4甚至第5學期。這在30年前沒有什么不妥，因為那時數字技術起步不久，還沒有什么上規模的數字產品，與數字技術相關的課程也非常少，因此那時的數字電路課對后續課程或就業的影響甚微。此外，那時的數字技術尚處于低速小規模手工技術階段，這使得數字電路與模擬電路常同時出現于同一電路結構中，從而要求學習者較多地關注脈沖及數字信號的產生與處理上（而非現代數字技術所追求的功能實現和系統優化上），這就要求讀者具備更多的數學知識、半導體器件知識和模擬電子線路的基礎知識，于是使得此課程根本無法提前安排。

但在今天，隨著基于數字技術基礎的大量相關課程的爆炸式涌現，該課程已成為許多重要后續課程必不可少的基礎課。然而第4、5學期過晚的課程安排導致余下過短的時間（通常不到1年）使學生難以應付大量的后續課程的加入，更不可能有足夠的時間通過有效的實踐來消化它們，學習效果自然大打折扣。而這些課程又多數與未來的就業或可能的深造關系密切。實際上，這種狀態改變的關鍵是應認識到，當今是數字技術和系統集成的時代，對于數字技術的學習，完全可以暫時把模擬電子技術及其理論暫時先放在一邊，從而有條件將此課程的教學提前幾個學期進行。

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