隨著嵌入式EDA電子技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)在高等教育的課程設(shè)置中。如DSP技術(shù)、SoC設(shè)計、EDA技術(shù)、計算機結(jié)構(gòu)與設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)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(shù)的重心，引領(lǐng)著未來電子技術(shù)和科技的發(fā)展方向。在這高速的電子技術(shù)歷史變革中，我們目睹了曾經(jīng)的TTL器件5V工作電壓邁向了低于1V的芯核電壓;曾經(jīng)的數(shù)MHz的CPU主頻跨入了10GHz的門檻;一度靠手工設(shè)計技術(shù)將僅含數(shù)個邏輯門的74系列器件組合成“板上系統(tǒng)”的時代脫胎為基于EDA技術(shù)實現(xiàn)的含上千萬門的“片上系統(tǒng)”時代。所有這一切，把作為這一領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課——“數(shù)字電子技術(shù)”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(nèi)容提出了尖銳的挑戰(zhàn)!
然而遺憾的是，目前國內(nèi)高校的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課的絕大部分教材內(nèi)容和教學模式仍然停留在20世紀70年代末。這一現(xiàn)狀嚴重影響了應(yīng)有的教學質(zhì)量和就業(yè)競爭力。
一、目前課程教學內(nèi)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(yǎng)
暫且不提其“理論基礎(chǔ)”是否適用于后續(xù)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(zhì)——技術(shù)基礎(chǔ)。調(diào)查表明大多數(shù)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(zhàn)術(shù)的普通基礎(chǔ)課，諸如搞試題庫、習題集、標準答案、聯(lián)校統(tǒng)考等。殊不知這一切恰恰埋沒了這門作為當今電子科技領(lǐng)域最富變化，最具活力，最貼近實踐，最需創(chuàng)新能力的學科的鮮明特質(zhì)，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(chuàng)新意識啟蒙這一重要目標的實現(xiàn)。其結(jié)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(xù)課程的學習和求實創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。事實上，作為一門面向技術(shù)的主干必修課，它既是許多重要后續(xù)課程的基礎(chǔ)課，同時又理應(yīng)成為培養(yǎng)尊重實踐、勇于探索、積極創(chuàng)新等優(yōu)良素質(zhì)的啟蒙學科。現(xiàn)代電子與計算機領(lǐng)域中擁有重大經(jīng)濟價值的自主創(chuàng)新項目多產(chǎn)生于數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域。顯然，數(shù)字電子技術(shù)的教學應(yīng)該是呵護和激發(fā)創(chuàng)新精神的源頭，這個領(lǐng)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(yīng)變革、崇尚實踐!
(2)陳舊的教學內(nèi)容
那些無法與現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)接軌的陳舊教學內(nèi)容，主要包括對傳統(tǒng)組合電路和時序電路的分析與設(shè)計的純手工技術(shù)，及數(shù)十年不變地圍繞這一課程的核心教學內(nèi)容(就如同一包內(nèi)容不變而生產(chǎn)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(guān)，教材從不直白這些內(nèi)容實為僅適合于低速小規(guī)模數(shù)字電路設(shè)計的“手工數(shù)字技術(shù)”，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(nèi)容。美國Stanford大學的J.F.Wakerly在其《數(shù)字設(shè)計原理與實踐》一書中說：“如何幫助學生去適應(yīng)不可避免地要面臨的變化，這才是最困難的。因為在這個領(lǐng)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(chǎn)生許多誤導，例如會誤將過時的手工技術(shù)、分析方法和設(shè)計流程當成現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)知識去應(yīng)用;或?qū)⑦壿嫽喺`當做系統(tǒng)優(yōu)化的目標去追求;或?qū)⑦壿嫻δ苁止し治龇椒ㄕ`認為就是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的時序分析;甚至會將這些教材中僅適合于低速小規(guī)模條件下的數(shù)字知識當成一般數(shù)字技術(shù)誤用到高速大規(guī)模邏輯設(shè)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(shù)字技術(shù)業(yè)界就升級至ANSI/IEEE—1991標準(Distinctive shape Symbols)。其結(jié)果是，迫使已完成現(xiàn)在的數(shù)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(shù)。
(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(shù)。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(qū)動器件(如40109)等多種所謂“接口技術(shù)”，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(qū)動十個TTL器件之類的夸張“技術(shù)”;再如對于毛刺脈沖的解決方案，工程上原本應(yīng)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(jié)構(gòu)的“冗余技術(shù)”、端口接電容的濾波技術(shù)等;更有甚者，單純地介紹只要獲得對應(yīng)的反饋邏輯函數(shù)，就能通過控制通用邏輯器件的清零或置數(shù)端，構(gòu)建成指定進制的計數(shù)器。卻從不提及或討論，以此類方法設(shè)計的邏輯系統(tǒng)在外部溫度或電磁環(huán)境等因素發(fā)生變化時，控制邏輯信號是否會出現(xiàn)毛刺脈沖，從而提前啟動清零或置數(shù)。例如，74LS161理論上的十二進制計數(shù)設(shè)計很可能由于外部因素而變成八進制計數(shù)器!
(4)知識體系的結(jié)構(gòu)性缺陷
傳統(tǒng)教材知識體系的結(jié)構(gòu)性缺陷主要表現(xiàn)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(yīng)用到實際工程上，因為現(xiàn)在只做時序仿真;又如給出的設(shè)計時序電路的經(jīng)典5步驟其實只適用于簡單電路(如模7計數(shù)器等)設(shè)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(shù)器的設(shè)計，從而約束了學生的創(chuàng)造力。
② 僅羅列枝節(jié)性知識，沒有將這些知識上升為一般性理論和實踐依據(jù)。例如，羅列了各種時序電路應(yīng)用模塊(如各類計數(shù)器)，給出了諸如狀態(tài)變量、狀態(tài)圖、狀態(tài)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(tài)機的特殊形式”的關(guān)鍵臺階。所導致的后果是，多數(shù)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(guī)律。人類對自然的認識規(guī)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(xiàn)在后一階段。如果教學中只羅列各類計數(shù)器的類型和設(shè)計，卻不將學習的認識推向更高更一般的層次，即狀態(tài)機的設(shè)計與應(yīng)用(國外許多知名同類教材都介紹狀態(tài)機的設(shè)計)，無疑是舍本求末之舉。
③ 缺乏前后呼應(yīng)的一致性。盡管教材都安排了存儲器、模數(shù)、數(shù)模等實用器件的介紹，但都僅僅限于對它們的結(jié)構(gòu)和原理的介紹，卻不介紹它們的實用方法，更沒有相關(guān)的實驗安排，完全違背了技術(shù)基礎(chǔ)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(yīng)利用前文給出的有關(guān)邏輯電路的分析與設(shè)計知識，給讀者展示使用這些器件的技術(shù)，乃至綜合應(yīng)用方法，這本是冠以“技術(shù)基礎(chǔ)”教材的分內(nèi)責任。然而遺憾的是，A/D、D/A、ROM、RAM這些在數(shù)字技術(shù)中極其重要的內(nèi)容卻僅停留在結(jié)構(gòu)原理的介紹上，與主干內(nèi)容亦呈游離狀態(tài)，使得本來以推介“技術(shù)”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(tài)機設(shè)計和應(yīng)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(shù)理念落后
所傳遞的落后技術(shù)理念主要包括無法適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的低速小規(guī)模電路理念。例如，甚至在最新版的權(quán)威教材中仍有這樣的文字：“在數(shù)字系統(tǒng)中，常常需要用到一些脈沖信號的產(chǎn)生和變換電路”，“單穩(wěn)態(tài)電路也是數(shù)字系統(tǒng)中常用的一種脈沖整形電路”。事實上，即使現(xiàn)代最小規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中也不會包含任何脈沖信號變換或諸如單穩(wěn)態(tài)類涉及阻容元件的電路，這是因為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的普通工作頻率都高達數(shù)十至數(shù)百MHz，而涉及阻容元件模擬電路的脈沖變換或單穩(wěn)態(tài)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(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)中呢?顯然是低速理念在做怪。殊不知現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)與模擬電路已是兩個分離的世界，它們被獨立研究，單獨設(shè)計，它們之間的聯(lián)系只能是A/D和D/A。無疑，數(shù)字技術(shù)教學中，落后的技術(shù)理念引起的概念和技術(shù)誤導是明顯的。
(6)教學目標定位過低
在長期延續(xù)下來的低速小規(guī)模理念的引導下，數(shù)字電路教學低下的教學目標定位是必然的。大多數(shù)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(shù)器、搶答器和交通燈控制之類低層次簡單設(shè)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(xù)課程的學習。
相比于此領(lǐng)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(nèi)已有不少院校(包括我校部分專業(yè))將數(shù)字電路放在第一或第二學期，實踐訓練的內(nèi)容包括超過數(shù)萬至數(shù)十萬邏輯門規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)自主設(shè)計訓練，不少受益的學生在各類電子設(shè)計競賽中獲得了好成績;又如美國Stanford大學將數(shù)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(fā)板，該校計算機專業(yè)本科二年級學生就能自主設(shè)計出各種極具創(chuàng)新特色的數(shù)字系統(tǒng)，如VGA圖形顯示控制、數(shù)字立體聲播放器設(shè)計等數(shù)字游戲項目;美國Michigan大學本科一年級學生就能設(shè)計數(shù)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(shù)字電路課程電子設(shè)計競賽中，有一組同學完成了指紋識別數(shù)字鎖的設(shè)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(shù)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(shù)字技術(shù)起步不久，還沒有什么上規(guī)模的數(shù)字產(chǎn)品，與數(shù)字技術(shù)相關(guān)的課程也非常少，因此那時的數(shù)字電路課對后續(xù)課程或就業(yè)的影響甚微。此外，那時的數(shù)字技術(shù)尚處于低速小規(guī)模手工技術(shù)階段，這使得數(shù)字電路與模擬電路常同時出現(xiàn)于同一電路結(jié)構(gòu)中，從而要求學習者較多地關(guān)注脈沖及數(shù)字信號的產(chǎn)生與處理上(而非現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)所追求的功能實現(xiàn)和系統(tǒng)優(yōu)化上)，這就要求讀者具備更多的數(shù)學知識、半導體器件知識和模擬電子線路的基礎(chǔ)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(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)的大量相關(guān)課程的爆炸式涌現(xiàn)，該課程已成為許多重要后續(xù)課程必不可少的基礎(chǔ)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(yīng)付大量的后續(xù)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(shù)與未來的就業(yè)或可能的深造關(guān)系密切。實際上，這種狀態(tài)改變的關(guān)鍵是應(yīng)認識到，當今是數(shù)字技術(shù)和系統(tǒng)集成的時代，對于數(shù)字技術(shù)的學習，完全可以暫時把模擬電子技術(shù)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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