电气工程专业数字电路与微处理器合并课程教学探索及国外教材研究
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摘要：“数字电子技术”与“微处理器”类课程的教学内容发展和更新换代快，同时在学时压缩和双一流建设的背景下，逐步有高校对这些课程进行整合。探索和建立整合课程的教学内容及教学方法十分重要。本文研究了国外同类课程教材并对教材内容进行分类，论述了国内“微处理器”类课程教学存在的问题，简单介绍我院整合课程以实验为核心的教学及教材建设，总结了国外一部经典教材的特色内容。希望这些对国内类似课程的教学有一定的指导作用。
关键词：教学；教材；整合；教学内容；实验为核心
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）33-0065-02
一、引言
电气工程专业支撑我国能源、交通、制造等关键性行业，其人才培养模式的改革决定了我国在以上领域是否能够满足未来的高层次人才需求。作为本领域全国A+学科，探索和建立面向未来电气工程专业人才培养的教学内容和教学新模式，不仅是电气工程领域的重要需求，也是双一流建设的重要需求，迫切需要对原有课程进行升级和改革。
电子技术发展日新月异，传统“数字电子技术”和“微处理器”类课程内容显然不能适应培养需求，我院在2015年培养方案中整合设立了“数字电子技术和微处理器基础”新课程（以下简称整合课程），对课程内容和教学模式进行了探索与尝试。为了进一步完善课程教学，有必要了解国外的教学和教材。借助参与教育部的一个教改项目[1]，作者查找了国外类似课程的经典教材并学习总结。下面首先简要介绍国外整合课程的教材内容及分类，然后介绍我院整合课程的教学改革方法及课程教材，最后重点对一国外教材的特色进行总结，吸取其精华。
二、国外类似课程的教材内容分类
国外在21世纪初就有教材将“数字电子技术”和“微处理器”内容一体化。根据专业方向是设计还是使用微处理器，国外这类教材内容主要分为两大类：一类是将数字电子技术与如何设计微处理器有效整合在一本教材中；第二类是将数字电子技术与微控制器应用进行整合。对应第一类的典型教材是《Digital Design and Computer Architecture（Second Edition）》，其独特之处在于从计算机体系结构视角来学习数字逻辑设计，内容从基本的二进制开始，直到引导学生完成MIPS处理器的设计。第二类的经典教材是《Digital Electronics：A Practical Approach with VHDL （9th Edition）》（以下简称《Digital Electronics》），本书涵盖了数字电路和8051微控制器（MCU）两大部分，这也是电气工程专业需要的课程整合方式，本文后续重点介绍。该书作者William Kleitz教授的第八版教材有140多个学校使用。国内整合课程及教材落后了十多年。
三、我院以实验为核心的教学试点及教材
作者主要的精力用于“数字电子技术”和“微处理器”一类课程的建设与教学工作中，十多年前提出过整合改革方案[2，3]，我院2015年培养方案中完成了课程整合。但微处理器的教学普遍针对某一型号MCU的硬件和编程，只见树木不见森林。学生也像学习理论课程一样，精读教材，实验照着实验指导书照猫画虎，收获甚微。近几年，传統的处理器教学方式已无法跟得上日新月异的技术变迁，让我们不得不思考：“微处理器”类课程应该讲什么？怎么讲？如何引导学生学？
作者在“DSP技术及应用”课程中，进行了近十年的教学试点，课堂上只讲MCU软、硬件共性概念，课程最开始就要引导学生从“用”MCU的角度出发学习。不提供MCU的详细资料和实验指导书，学生从课程一开始就需要按照教师指点查资料、安装软件并完成实验设计和验证测试等。MCU课程取消笔试，成绩完全由实验的方方面面确定。多年实践的效果非常好。
配合整合课程，我们出版了两部教材，见参考文献[4]和[5]，在教材[4]中引入了微处理器的总线、译码、I/O接口等基础概念。在教材[5]中，总结了微控制器软、硬件共性概念（教师讲），之后举例说明几个具体型号的MCU开发。教给学生以不变的方法应对不断涌现的微控制。
四、《Digital Electronics》教材的特色内容
我院整合课程经过近几年的教学改革，教材和课堂教学方法有了自己的独特之处，《Digital Electronics》的教学框架内容基本与我院的整合课程类似，但相较我们的教材，《Digital Electronics》有以下主要介绍内容可以借鉴。
1.每章内容安排细致且习题类型多、题量大。每一章基本都以大纲、目标和简介开始，以总结与回顾问题、术语表（词汇表）、各种习题以及正文中各小节复习题的答案为结尾。章节内容的前后呼应更好地使学生掌握和理解目标要求。每一章末尾的习题按章节编号组合在一起。主要包括基本问题（设计和故障排除问题）、原理图解释问题、MultiSIM电路仿真练习、FPGA实现问题等。这些问题迫使学生重新回到阅读中，以发现自己是否已经达到了本章开头所给出的学习目标。除了基本问题外，还有设计（D）、故障排除（T）和挑战性（C）问题。每章之后各类习题总量一般都远大于国内教材的习题数量。
2.联系实际的例子很多。教材附录G中包含了4个实际数字系统的原理图。在每一章末尾的“原理图解释问题”中，让学生结合附录G回答本章的相应内容，来获得真实世界的电路并观察本章数字逻辑的应用。介绍基本逻辑门时，强调时序图以及用示波器和逻辑分析仪测量的好处，介绍故障排查技术，脉冲发生器和探头的使用。介绍尖峰电流时引入辐射电磁干扰的概念，并给出解决方案。介绍了三种常用的传感器和信号调理电路等实用问题。
3.微处理器概念简单清晰。教材将“数字电子技术”与“微处理器”两部分内容衔接和过渡得非常恰当。第17章用简短的文字说明了微处理器特点及重要性。介绍了微处理器简单I/O操作的例子、三总线的概念、地址译码、芯片使能、指令执行时序、流程图和硬件接口等。三言两语说清了汇编语言和机器代码的概念。
五、结语
教学内容是课程的灵魂，微处理器课程的教学方法应以实验为核心，而且不建议提供实验指导书。课程教材建设也十分重要。
《Digital Electronics》教材不仅注重理论知识的传授，更注重学生实际动手能力培养。多种实验形式呈现在教材中。很多章节添加了与实际生产生活息息相关的内容，形象生动，可以引起学生兴趣。各种类型的习题丰富了教学内容。以上这些值得我们在今后的教学和教材编写时借鉴。
总而言之，国内外教学方法与教材各有特点，大家要扬长避短，取其精华，提高教学效果，使学生获得最大收获。
参考文献：
[1]罗先觉，等.电子技术与电工学国内外教材比较研究[Z].教育部教改项目.2017-06-28～2018-12-31
[2]宁改娣，杨爽，金印彬，等.“数字电子技术”与微处理器系列课程融合优化的探索[D].第二届（2015年）全国高校电气类专业教学改革研讨会.
[3]杨拴科，宁改娣，申忠如.《数字电路》与《微机原理》课程整合之我见[J].华北航天工业学院学报，2001，（S1）.
[4]宁改娣，金印彬，张虹.数字电子技术与微处理器基础（上册）——现代数字电子技术[M].西安电子科技大学出版社，2015.
[5]宁改娣，张虹.DSP控制器原理及应用（第三版）——微控制器的软件和硬件[M].科学出版社，2018.
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