项目编号：202102278057
项目类型：新工科建设项目
项目实施背景
当前高速发展的技术及各类突破性的创新成果层出不穷，给电子信息领域的人才培养和教学改革提出了新的要求。本项目在教育部新工科建设的背景下，通过融合微机原理和数字逻辑基础两门课程的知识点，建立合二为一的数字系统分析与设计新坐标。两门课程的合并需要一个强有力的纽带连接，开源指令集架构及其微处理器芯片是两门课程融合教学的最佳桥梁。本项目以当前流行的开源RISC-V架构替换卡脖子指令集架构，相应地革新教学模式，以海思RISC-V架构微处理器为教学实体，激发学生使用数字逻辑基础知识在开源架构上大胆创新，培养面向未来的创新型人才。
改革思路及举措
项目的总体目标是通过更新“微机原理与系统设计”课程教学内容，打通“数字电路”与“微机原理”两门课程的合并壁垒，满足面向未来的创新创业人才培养的需要。两门课程合并后知识点的组织形式是本项目的主要研究内容之一，其次是在国产微处理器基础上开发相关实验内容，满足本课程实验教学需要，进一步完善理论教学内容与实验项目对应关系，为合并后理论教材与实验教材编写奠定基础，最终将合并后的课程打造成新的一流课程。
图1 教学改革总体思路
项目建设内容主要包含：
（1）以RISC-V架构替换申请人编写的微机原理教材中的x86架构，完成教材中微处理器部分内容的更新。相应地更新总线、存储器系统、I/O接口部分的内容，使之与RISC-V处理器能配合形成微系统；
（2）深度挖掘“数字电路”和“微机原理”两门课程中零散知识点之间的结合点，深度融合两门课程知识点，推出知识点融合教学典型案例；
（3）建设合并后的数字逻辑与微处理器实验课，首先设计适合课程理论教学以及学生实验用的RISC-V汇编语言程序设计集成开发环境，然后结合RISC-V微处理器芯片和FPGA芯片开发典型实验案例，最终建成能够满足学院700余位本科生的实验平台。
教学改革应该遵循循序渐进的原则，首先在普通班、教改班和卓越工程师班3个小班进行教学试点，在试点教学中主要解决两门课程融合后知识点的组织形式、课时分配、教学进度、线上与线下配合、初步开设实验、学生反馈授课效果等问题，为进一步在学院所有专业全面开展教学改革、修订课程大纲、编写课程教材积累经验。
具体举措包括：
图2 电子系统抽象层级与本课程定位
（1）梳理两门课程知识点，推陈出新，抓住核心关键知识点，增加当今数字逻辑与处理器领域的流行设计理念、方法、技术和常用器件，实现课程知识点融合，理论与实践相结合。知识点梳理后，明确了合并后课程在电子系统抽象层级中的定位，如图2所示。两门课程知识点优化后，建立了两门课程知识点之间的关联关系，课程知识图谱如图3所示。
图3 课程知识图谱
（2）确定了以微机原理宏观知识点为躯干，以数字电路微观知识点为血肉来组织课程内容，按照系统--单元--系统的方式来实施的总体教学方案，以不变的数字逻辑设计基本原理，应对不断涌现的新型微处理器和应用。课程融合方案和实施方式示意图如图4所示。
图4 课程融合方案和实施方式
（3）校企联合的实验平台建设，课程组教师设计能够满足教学需要的RISC-V汇编语言程序设计和仿真软件，使学生能够轻松掌握汇编语言程序设计，并深刻理解微处理器内部结构。根据老师提出的实验要求，由企业为课程开发实验平台，设计满足特定需求的实验系统，图5为海思为学生开展实验设计的软件、实验箱、实验板，实验板核心芯片是RISC-V架构的Hi3861SoC，结合外围模块可支持学生完成交通灯控制实验、温湿度监测与告警实验、无线Wifi灯光远程控制实验等。除了海思提供的实验平台外，课程组开发了以国产FPGA为核心，结合RISC-V软核开展实验教学的实验平台。
图5 海思实验平台
项目成果
1. 在理论课教学方面，更新了教学内容，编写了“数字逻辑与微处理器”课程教学大纲、课程讲义，制作了统一的教学课件；在实验课教学方面，采用华为Hi3861SoC芯片和LiteOS Studio开发环境，设计了8个实验案例，编写了实验课教学大纲和实验指导手册；
2. 在西电智课平台建立了改革后的课程网站，录制了部分MOOC视频，课程二维码如图6所示；
图6 课程网站MOOC视频二维码（a）理论课、（b）实验课
3. 课程组教师发表相关教学改革论文6篇，开发了适合教学使用的RISC-V汇编语言程序设计与仿真软件1套，获软件著作权1项；
4. 教学改革支撑学生参加大学生电子设计竞赛、光电设计竞赛、互联网+创新创业大赛、研究生创新实践系列大赛等赛事，获全国一等奖2项，省级一等奖3项，校一等奖3项；
5. 教学改革支撑课程组教师参加全国青年教师电子线路、电子技术基础授课竞赛和电工电子基础实验教学案例设计竞赛等比赛，获全国一等奖3项、二等奖4项，参赛情况如图7所示。
图7 课程改革支撑教师教学竞赛获奖
项目创新点及成效
1. 本项目将微机原理教学中长期使用的x86架构替换为开源处理器架构RISC-V，以华为海思的RISC-V处理器（例如物联网SOC Hi3861）作为实体来学习微处理器，RISC-V架构更有利于激发学生设计和实现微处理器，有助于为国家培养面向未来的创新型人才。此外，RISC-V架构是一个全新的开源架构，它既适合于高性能计算领域，例如PC和服务器，也适合于嵌入式开发领域，例如微控制器MCU和移动处理器，弥补了目前微机原理课程教学内容在嵌入式领域的空缺；
2. 本项目将“数字电路”和“微机原理”两门课程合并教学，剔除知识点重合部分，压缩课程总体学时，为本科生开展实践和创新创业活动提供宝贵时间。此外，两门课程合并教学，知识点融会贯通必然提高了课程挑战度，“数字电路”是底层基础，“微机原理与系统设计”是上层应用，两者有机融合使学生更容易理解数字系统的分析与设计方法，再结合RISC-V开源架构，更有利于激发学生设计和实现RISC-V架构微处理器的热情，课程合并后学生不仅能够应用微处理器解决实际问题，更进一步掌握了微处理器设计与实现方法，极大地提高了学生的能力和水平。
教学改革取得了很好的成效，课程组首先在电子工程学院教改班、卓越班、遥感班3个班级开展了一年试点教学，学生普遍反映，改革后课程难度有所提升，学好本课程具有挑战度，但受益良多。项目负责人开展了课程改革经验分享的师资培训，全校共100余位教师通过线上和线下参加了培训活动，随后推广到学院所有专业，目前已有3个年级共2100多名学生受益。此外，项目组于2024年3月16-17日在西安举办了微处理器设计及应用师资培训活动，通过培训与研讨助力其他高校开展基于自主创新的嵌入式软硬件系统的课程改革，培养更多嵌入式系统设计课程青年教师，满足企业对嵌入式系统设计人才的迫切需要。
应用及推广情况
1. 教学改革成果有力支撑了课程组申报“数字逻辑与微处理器课程群虚拟教研室”，并成功入选教育部全国首批虚拟教研室建设试点。通过虚拟教研室平台开展研讨活动，项目负责人在全国100多所高校中分享了校企联合课程改革的经验，图8是虚拟教研室开展的部分研讨活动。目前已有多所高校开始尝试类似的课程改革，本项目开展的教学改革起到了很好的示范效应；
图8 虚拟教研室开展的部分研讨活动
2. 课程组总结了开展融合课程教学改革的经验，项目负责人及主要成员受邀在教指委组织的全国教学论坛上进行汇报分享6次，在西北、华中等地区教学研讨会进行报告多次，有助于将本项目教学改革经验推广到全国其他高校，扩大改革成效；
图9 慕课西部行同步课堂
3. 为了使改革成果让其他高校学生也同步受益，通过慕课西部行平台，2023年4月我校与塔里木大学联合开展了《数字逻辑与微处理器》同步课堂，两所学校的学生同上一门课，使其他高校也能及时体验本项目改革成果。图9为同步课堂展示。
经验总结
在人工智能浪潮席卷各行业和领域的情况下，培养学生创新意识和判断力是高校人才培养的重点，因此有必要提高大学生学业挑战度，而知识点的融会贯通就是提高学业挑战度的自然途径，本项目一方面对大学生进行了合理增负，提升了学业挑战难度；另一方面两门基础课的有机融合有助于激发学生投入微处理器芯片设计和应用工作的热情，使学生能力和水平得到跨越式提高。
