【建设一流本科】跨越之路:从数字电路设计“小白”到MCU系统设计“大神”

——胡剑浩教授在“数字逻辑与微处理器系统设计”课程上的教改探索

文:罗莎 学生记者团 何雨婷 图:罗莎 / 来源:新闻中心 / 2021-05-06 / 点击量:1331

  从只会做题解题的“考试型选手”,到具有动手能力的“实践派”;从缺乏面向实际困难和开放性问题的信心与能力,到充满探索新知识的力量与勇气;从零基础的数字电路设计“小白”到独立完成具有一定竞争能力的MCU系统设计“大神”……这其中的距离,对英才实验学院本科二年级的同学们而言,可以通过《数字逻辑与微处理器系统设计》课程教学中的能力和信心建设活动进行跨越。

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  大二下学期正处在基础课向专业课转变的的时间节点上,经过这门课程的洗礼,褪去面对工程实践问题的青涩,同学们完成了从单纯做题到创新设计的蜕变。

  课程负责人、通信抗干扰技术国家级重点实验室胡剑浩教授表示,《数字逻辑与微处理器系统设计》课程,融合了《数学逻辑设计与应用》和《微机原理》这两门工科本科教学中的基础课程,在保持数字逻辑设计基本思想和技术手段的基础上,创新知识图谱与课程体系,让学生掌握相关基础知识的同时,建立完成复杂数字系统优化设计的信心和能力培养,感受研究型学习和自主学习带来的挑战和成果,为后续进入系统性的专业课奠定基础。

教学改革:基础课“双剑合璧”,软硬件协同发力

  随着技术水平进步和设计方法的改变,原来的课程体系早已跟不上时代发展对技术的需求和对人才培养的要求。躬耕教学多年的胡剑浩敏锐地捕捉到不同时代背景下对教学和人才培养的不同要求,参考了国外相关领域名校的教法,与时俱进地做出教学改革。

  “这门课其实是在《数学逻辑设计与应用》和《微机原理》两门工科基础课程的基础上合并而来”,谈起课改的由来,胡剑浩介绍说,从数字逻辑的角度来看,可以为《微机原理》提供基础电路和软件联合设计的支撑;从微机原理的角度来看,可以为《数字逻辑设计与应用》提供构建复杂数学系统设计所需要的知识体系。

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  正如两本不尽相同、但在配合使用时却能发挥出巨大威力的武功秘籍,这两门基础课程的“双剑合璧”,整合而成的《数字逻辑与微处理器系统设计》是一门面向工程应用的基础课程,实现了教学中面向复杂数字系统设计所需知识图谱构建和设计能力培养,助力学子在学习的过程中更好地发展思维,实现能力的跃升。

  “我们希望通过这门课的教学,给学生建立一个面向复杂数字系统的设计信心”,胡剑浩说。

  但课程的融合绝非1+1这样简单,繁多而且关系复杂的知识点、开放且具有挑战性的课程设计,对于一门创新型挑战性课程而言,无一不是一道道必须迈过去的坎儿。

  本着建设一流本科课程的教育初心,《数字逻辑与微处理器系统设计》课程组给出了这样的答卷:

  首先是解决知识点繁杂的问题。由两门基础性工科课程融合而来的创新课程,其覆盖面之广、知识点之多都是其他课程难以企及的,如何在一个学期的学时内,将林林总总的知识点教授给学生且还要让学生熟练掌握运用?

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  “纲举目张,建立知识图谱”,胡剑浩给出了简明扼要的解决方案,课程组在实际教学中以计算机微处理器系统或者MCU为一条主线,去牵引所有的知识点的教学和学习过程,沿着这条主线行进,同学们通过课程学习能自主地建立起一个完整的知识图谱,从而也更好地提高学习效率。

  其次,引导学生面向复杂数字系统设计过程中的自学与讨论,也是该挑战性课程的特色之一。在设计过程中,同学们往往能发现完成设计目标所面临的关键问题与技术挑战,从而通过自主学习、研究型学习去寻找解决问题的方法,最终理解与掌握面向复杂系统的设计方法学和测试方法学。

  “这样做的好处,不仅在实践中提高了学生的动手能力,同时也通过解决实际技术问题,让学生获得自主学习和研究型学习的成就感,进而形成自主探索的习惯;另一方面,极大地提高了教学活动的效率。”胡剑浩认为。

课程体系:竞赛式&开放式互为补充 相得益彰

  “80、90年代的工科学生,往往有一股天生牛犊不怕虎的冲劲,他们敢于去动手面向工程实践完成设计工作;而现在的大学生,虽然有更好的基础与条件,但普遍更偏重于做题解题,对于要完成面向实际动手或开放性问题的挑战性设计普遍缺乏信心”。

  “自信是成功的第一秘诀”,胡剑浩强调说。面对完成MCU的系统设计这样一个跨度非常大的挑战时,课程开始时同学们多半会感到困难重重,甚至无从下手;这个时候通过课程的训练,助力学子建立自主学习、研究型学习的自信心尤为重要。

  虽然英才实验学院的同学们普遍有着较强的基础能力与良好的学习态度,但解题能力不等于设计和创新能力,以往的学习过程也不等于复杂系统的设计过程。对于本科二年级的同学们来说,虽然他们都习惯了传统的“软件”或“硬件”能力的培养,但面对复杂数字系统的软硬协同优化设计,往往缺乏动手的能力与实验的勇气。

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  面对课程设计难度大的挑战,如何提高学生的自信心、激发学生的积极性?课程组设计了“课堂讲述基本原理、设计思路和方法→课程设计→实验制作、测试与分析→课堂报告、总结、评述”的特色化教学过程。

  为鼓励学生开展研究性学习,课程设计采用“竞赛制”的评分方式。鼓励学生将课程学习知识点与其它课程知识相结合开展自由创作设计,以本课程知识系统为关键技术,以创新设计为主要的评分点。

  “跑得更快”“跑得更省力”“跑步过程中的风险系数更低”……在“竞赛式”课堂模式下,完成MCU最基本的功能仅仅只能代表能够及格;要取得更好的成绩,学生们需要参加面向典型实际应用的性能竞赛,以体现不同的设计在不同指标体系下的竞争性。

  合抱之木,生于毫末;九层之台,起于累土。《数字逻辑与微处理器系统设计》课堂并不讲究能“一步登天”。

  “在这门课上,我们设计了很多个小目标,每个小目标通过努力你能够跳上去,当你完成了第一个目标;第二个目标就有了希望,……当你这个学期做完之后,你会发现你站在很高的位置了;这也是就信心和能力的建设。”胡剑如是说。

  事实上,从零基础开始的学生,经过一个一个的训练之后,可以完成一些复杂的电子设计与数字系统的设计,得到能力与信心的双重提升。

  创新完善的课程考核方式也是该课程的特点之一。科学完善的平时成绩考核体系结合参考国内外著名高校同期考题作为卷面考核基础,以竞赛为为驱动,以创新为目标,科学全面地评估了学生的理论基础、工程实践能力与创新设计能力。

  就像武侠小说中的武林大会,评价体系并不只有单一的考核标准,计算能力、硬件效率等组成了多个“排行榜”。在排行榜里面,学生的成绩都取决于最高的排名。这样学生们可以面向一个目标或几个目标,自主地开展方案研究和设计攻关;同时学习的积极性也得到大大提升。

教学相长:师生共同成就精彩课堂

  上过这门课程的同学的反馈最多的从开始时的“压力山大”到课程结束时的“受益匪浅”,事实上,《数字逻辑与微处理器系统设计》课程组的老师们在传授专业知识的同时,更注重向同学们传授深刻的人生道理。

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  在同学们的个人主观感受之外,该挑战性课程的客观教学效果也是卓有成效的。18级黄见同学参加了“慧眼2020”XXX竞赛,测试系统设计及数据库准备;18级郭洪诚同学参加了创新特区2020年10月立项重点项目课题“XXXXXX处理平台”研发工作;19级夏子寒同学在IEEE Trans CASI发表论文Neural Synaptic Plasticity Inspired Computing: A High Computing Efficient Deep Convolutional Neural Network Accelerator. (SCI一区);此外,还有其他同学发表论文8篇,包括两篇SCI论文,6篇EI论文。  

  以竞赛的形式完成学习,让学生感受到挑战、乐趣和自我能力的提升;同时非标准性的答案也为评价提供了一种学生乐于接受的相对公平方法。“在竞赛的环境中,同学们的积极性得到无限激发,设计的成果从完成基本功能到面向不同指标体系,实现了质的飞跃。”胡剑浩欣慰地说,“该课程对于培养团队协作能力、创造性思维、解决复杂问题能力的科研型人才很有帮助,将来学生的竞争力会体现在多个方面。”

  古语云:教学相长也。《数字逻辑与微处理器系统设计》课程的成功,除了教学团队的付出之外,也离不开学生们的配合。这样一门极具挑战性的课程,不仅仅需要同学们在课堂上聚精会神,同时在课余时间也得付出巨大的精力,在整个学期的学习中,同学们的配合、英才实验学院教务处、辅导员老师们的配合也尤为关键。也正是师生间的相互理解、相互配合,共同成就了这一门精彩的课堂。

  “我们的教学活动只是学生培养过程中的一块砖,首先要把这块砖做好,然后在其中赋予它更多的内涵,比如说建立成为一个优秀设计师的信心和自主学习的方法,形成一些探索或者研究性学习的习惯,以及在工程实践过形成良好的团队协作精神,这些都是打磨好这块砖所应思考的。”胡剑浩说。

 

  相关链接:课程主讲教师简介

  胡剑浩,1993和1999年获得电子科技大学工学学士和博士学位,2000年入选首批香港特区输入内地优秀人才计划,2006年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2009年至今,承担各类纵向科研任务20项(其中负责15项,主研5项)。共获得科技奖励6项,其中省部级科技进步一等奖2项,二等奖3项,三等奖1项;共发表论文140余篇、专著3部、授权发明专利20余项。


编辑:罗莎  / 审核:罗莎  / 发布者:陈伟