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国内高校基于嵌入式教学的不足

已有 532 次阅读2014-4-15 12:29 | 关键词: 单片机, 嵌入式ARM, linux

国内高校基于嵌入式教学的不足

随着嵌入式EDA电子技术的飞速发展和应用领域的延伸扩张,仅仅在30多年前尚未曾有过的大量学科纷纷出现在高等教育的课程设置中。如DSP技术、SoC设计、EDA技术、计算机结构与设计、网络技术、数字通信、嵌入式系统等。这其中许多被列为当今的核心科技学科和自主型科学技术的重心,引领着未来电子技术和科技的发展方向。在这高速的电子技术历史变革中,我们目睹了曾经的TTL器件5V工作电压迈向了低于1V的芯核电压;曾经的数MHzCPU主频跨入了10GHz的门槛;一度靠手工设计技术将仅含数个逻辑门的74系列器件组合成“板上系统”的时代脱胎为基于EDA技术实现的含上千万门的“片上系统”时代。所有这一切,把作为这一领域的专业基础课——“数字电子技术”的地位和重要性推到了前所未有的高度,同时也对这一课程的教学内容提出了尖锐的挑战!

然而遗憾的是,目前国内高校的数字电子技术基础课的绝大部分教材内容和教学模式仍然停留在20世纪70年代末。这一现状严重影响了应有的教学质量和就业竞争力。

一、目前课程教学内容、教学模式和教学目标,存在的基本问题

1)过于偏重“理论”教学而忽视实践能力的培养

暂且不提其“理论基础”是否适用于后续课程的学习,仅其学习模式和学时安排就有悖于此课程的基本性质——技术基础。调查表明大多数学校对此课程的学时安排是64学时授课、16学时实验,而且以验证性实验为主;显然,实践要求被严重弱化。而且将此课程基本退化为依赖题海战术的普通基础课,诸如搞试题库、习题集、标准答案、联校统考等。殊不知这一切恰恰埋没了这门作为当今电子科技领域最富变化,最具活力,最贴近实践,最需创新能力的学科的鲜明特质,偏离了此课程真正的教学目标和教学要求,特别是抹杀了此课程作为创新意识启蒙这一重要目标的实现。其结果是造就了大批只擅长纸面答题而畏惧动手实践的学习者,严重影响了后续课程的学习和求实创新精神的培养。事实上,作为一门面向技术的主干必修课,它既是许多重要后续课程的基础课,同时又理应成为培养尊重实践、勇于探索、积极创新等优良素质的启蒙学科。现代电子与计算机领域中拥有重大经济价值的自主创新项目多产生于数字电子技术领域。显然,数字电子技术的教学应该是呵护和激发创新精神的源头,这个领域不需要什么习题集,也永远没有标准答案,它提倡个性、鼓励想象、适应变革、崇尚实践!

2)陈旧的教学内容

那些无法与现代数字技术接轨的陈旧教学内容,主要包括对传统组合电路和时序电路的分析与设计的纯手工技术,及数十年不变地围绕这一课程的核心教学内容(就如同一包内容不变而生产日期不断被更新的过时食品)。所有这些似乎与教材的不断再版和更新无关,教材从不直白这些内容实为仅适合于低速小规模数字电路设计的“手工数字技术”,也没有任何文字坦陈将要传授给学生的不过是诞生于上世纪60年代、成熟于70年代、完全淘汰于80年代初的陈旧的内容。美国Stanford大学的J.F.Wakerly在其《数字设计原理与实践》一书中说:“如何帮助学生去适应不可避免地要面临的变化,这才是最困难的。因为在这个领域的一般教科书都因摩尔定律而缩短了它的适用期”。

这无疑会在读者中产生许多误导,例如会误将过时的手工技术、分析方法和设计流程当成现代数字技术基础知识去应用;或将逻辑化简误当做系统优化的目标去追求;或将逻辑功能手工分析方法误认为就是现代数字系统的时序分析;甚至会将这些教材中仅适合于低速小规模条件下的数字知识当成一般数字技术误用到高速大规模逻辑设计中。

至于将IEEE/ANSI曾于1984年制定的,并很快在国际上淘汰的逻辑图形符号标准,一直在我国教科书中作为“国家标准”沿用至今,则是另一明证。其实这种早已过时的所谓国标符号,早于上世纪80年代后期的数字技术业界就升级至ANSI/IEEE1991标准(Distinctive shape Symbols)。其结果是,迫使已完成现在的数字电路课程学习的学生,不得不重新学习和熟悉ANSI/IEEE1991标准的逻辑符号,才能面对实用的电子工程技术。

3)脱离工程实际

教材中充斥着偏离工程实际的伪命题和伪技术。例如,当今的TTL 74LS系列器件原本可毫无问题地与CMOS器件相互接口,甚至3.3V I/O电平的器件也能可靠地接口TTLCMOS器件,然而教材中无不推荐使用诸如要加上拉电阻、三极管电路或是插入专用驱动器件(40109)等多种所谓“接口技术”,来解决这些无中生有脱离实际的“电平不匹配”命题;或者介绍要用3CMOS驱动十个TTL器件之类的夸张“技术”;再如对于毛刺脉冲的解决方案,工程上原本应该选择时序电路,然而书中却罗列了许多脱离实际甚至错误的方法,如改变逻辑结构的“冗余技术”、端口接电容的滤波技术等;更有甚者,单纯地介绍只要获得对应的反馈逻辑函数,就能通过控制通用逻辑器件的清零或置数端,构建成指定进制的计数器。却从不提及或讨论,以此类方法设计的逻辑系统在外部温度或电磁环境等因素发生变化时,控制逻辑信号是否会出现毛刺脉冲,从而提前启动清零或置数。例如,74LS161理论上的十二进制计数设计很可能由于外部因素而变成八进制计数器!

4)知识体系的结构性缺陷

传统教材知识体系的结构性缺陷主要表现在以下3个方面:

 知识体系不具备以此及彼的可推广性和一般性。例如无法将逻辑电路的分析方法应用到实际工程上,因为现在只做时序仿真;又如给出的设计时序电路的经典5步骤其实只适用于简单电路(如模7计数器等)设计,根本无法推广到更实用的诸如模70、模700乃至模7000等多变量的同类计数器的设计,从而约束了学生的创造力。

 仅罗列枝节性知识,没有将这些知识上升为一般性理论和实践依据。例如,罗列了各种时序电路应用模块(如各类计数器),给出了诸如状态变量、状态图、状态表等重要概念,却始终没有迈上“一切同步时序电路都是状态机的特殊形式”的关键台阶。所导致的后果是,多数学习者除了仅能完成基于笔头的“书面实践”外,无法再向前多跨一步。

其实这种教学安排违背了人的基本认识规律。人类对自然的认识规律就是从特殊到一般,再从一般回到特殊的过程;而人对自然的能动作用则体现在后一阶段。如果教学中只罗列各类计数器的类型和设计,却不将学习的认识推向更高更一般的层次,即状态机的设计与应用(国外许多知名同类教材都介绍状态机的设计),无疑是舍本求末之举。

 缺乏前后呼应的一致性。尽管教材都安排了存储器、模数、数模等实用器件的介绍,但都仅仅限于对它们的结构和原理的介绍,却不介绍它们的实用方法,更没有相关的实验安排,完全违背了技术基础类教材的基本要求。一般而言,对于后文安排的实例性项目(如ADC0809),理应利用前文给出的有关逻辑电路的分析与设计知识,给读者展示使用这些器件的技术,乃至综合应用方法,这本是冠以“技术基础”教材的分内责任。然而遗憾的是,A/DD/AROMRAM这些在数字技术中极其重要的内容却仅停留在结构原理的介绍上,与主干内容亦呈游离状态,使得本来以推介“技术”为目标的教科书沦为器件说明书。其原因只有一个,即疏漏了状态机设计和应用等核心知识的介绍!其实,一些即使加入了EDA知识和硬件描述语言(HDL)的同类教材也存在相同问题。

5)技术理念落后

所传递的落后技术理念主要包括无法适应现代数字技术的低速小规模电路理念。例如,甚至在最新版的权威教材中仍有这样的文字:“在数字系统中,常常需要用到一些脉冲信号的产生和变换电路”,“单稳态电路也是数字系统中常用的一种脉冲整形电路”。事实上,即使现代最小规模的数字系统设计中也不会包含任何脉冲信号变换或诸如单稳态类涉及阻容元件的电路,这是因为现代数字系统的普通工作频率都高达数十至数百MHz,而涉及阻容元件模拟电路的脉冲变换或单稳态电路的频率通常无法超过百kHz。一个如此低频率的电路怎么可能出现在数字系统中呢?显然是低速理念在做怪。殊不知现代数字系统与模拟电路已是两个分离的世界,它们被独立研究,单独设计,它们之间的联系只能是A/DD/A。无疑,数字技术教学中,落后的技术理念引起的概念和技术误导是明显的。

6)教学目标定位过低

在长期延续下来的低速小规模理念的引导下,数字电路教学低下的教学目标定位是必然的。大多数教学情况除了满足于纯笔头的书面考核外,其动手能力的训练基本仍停留在几十年一贯制的基于74系列器件的译码器、计数器、抢答器和交通灯控制之类低层次简单设计上。这势必使学生以极低的起点和过窄的视野去面对大量重要的后续课程的学习。

相比于此领域的教学改革先行者的成就,其间的差距是巨大的。例如国内已有不少院校(包括我校部分专业)将数字电路放在第一或第二学期,实践训练的内容包括超过数万至数十万逻辑门规模的数字系统自主设计训练,不少受益的学生在各类电子设计竞赛中获得了好成绩;又如美国Stanford大学将数字电路课Digital System(1)也放在本科第2学期;清华大学电子系本科生从一入学就人手获得一块Altera FPGA实验开发板,该校计算机专业本科二年级学生就能自主设计出各种极具创新特色的数字系统,如VGA图形显示控制、数字立体声播放器设计等数字游戏项目;美国Michigan大学本科一年级学生就能设计数字电子琴,其中FPGA控制VGA显示五线谱,PS/2键盘作为琴键;东南大学在一次省级数字电路课程电子设计竞赛中,有一组同学完成了指纹识别数字锁的设计而获一等奖。

7)课程安排的时间太晚

目前此课程绝大多数情况下仍被放在本科第4甚至第5学期。这在30年前没有什么不妥,因为那时数字技术起步不久,还没有什么上规模的数字产品,与数字技术相关的课程也非常少,因此那时的数字电路课对后续课程或就业的影响甚微。此外,那时的数字技术尚处于低速小规模手工技术阶段,这使得数字电路与模拟电路常同时出现于同一电路结构中,从而要求学习者较多地关注脉冲及数字信号的产生与处理上(而非现代数字技术所追求的功能实现和系统优化上),这就要求读者具备更多的数学知识、半导体器件知识和模拟电子线路的基础知识,于是使得此课程根本无法提前安排。

但在今天,随着基于数字技术基础的大量相关课程的爆炸式涌现,该课程已成为许多重要后续课程必不可少的基础课。然而第45学期过晚的课程安排导致余下过短的时间(通常不到1年)使学生难以应付大量的后续课程的加入,更不可能有足够的时间通过有效的实践来消化它们,学习效果自然大打折扣。而这些课程又多数与未来的就业或可能的深造关系密切。实际上,这种状态改变的关键是应认识到,当今是数字技术和系统集成的时代,对于数字技术的学习,完全可以暂时把模拟电子技术及其理论暂时先放在一边,从而有条件将此课程的教学提前几个学期进行。

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