《數(shù)字邏輯電路》教學(xué)改革研究

劉俊景　梁桂英

摘 要：《數(shù)字邏輯電路》是一門工程實踐性很強的課程。針對課程教學(xué)的內(nèi)容和特點，著重研究了教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面的改革。這些改革探索不僅有利于提升課堂教學(xué)效果，還有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：《數(shù)字邏輯電路》；教學(xué)改革；EDA；課堂教學(xué)效果

中圖分類號：G423.07 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.128

《數(shù)字邏輯電路》課程是通信工程、電子信息類專業(yè)、計算機科學(xué)與技術(shù)、電氣工程及其自動化等專業(yè)的主干技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門理論與實踐密切結(jié)合的課程。其任務(wù)是能熟練運用有關(guān)知識和理論分析組合、時序邏輯電路，能根據(jù)具體設(shè)計要求，綜合運用多種方法完成組合、時序電路的設(shè)計和驗證。通過學(xué)習(xí)《數(shù)字邏輯電路》課程，使學(xué)生掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本方法、基本理論、綜合應(yīng)用方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為《微機原理與接口技術(shù)》《電子測量原理》《單片機原理及應(yīng)用》等課程的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的《數(shù)字邏輯電路》教學(xué)模式采用黑板板書和PPT 的形式，以教師講授傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容為主，學(xué)生聽講為輔的灌輸式教學(xué)，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)，缺乏學(xué)習(xí)興趣，課堂學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果很不理想。針對數(shù)字電路傳統(tǒng)教學(xué)方法中的問題，我院在教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段上都進行了改革。

1 教學(xué)改革的內(nèi)容

1.1 互動式教學(xué)模式

互動式教學(xué)是主講教師啟發(fā)式的講授、課堂上師生互動式的教學(xué)方法。采用這種方法的關(guān)鍵在于主講教師要做好充分準備。教師在授課的同時，要注重用實際生活中的例子啟發(fā)學(xué)生，比如在講單穩(wěn)態(tài)電路時，指出該電路具有定時和延遲特性，使它在測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中發(fā)揮很好的作用。例如，在樓道照明設(shè)施的控制器中，采用一種聲控和光控開關(guān)，當(dāng)控制器收到聲音后，把它放大并整形，作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號。單穩(wěn)態(tài)在聲音的觸發(fā)下進入暫穩(wěn)態(tài)，輸出高電平使燈亮起來。經(jīng)過一定的時間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)，輸出低電平使燈自動滅掉。同時，根據(jù)實際應(yīng)用提出問題，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們積極思維，進而采取講課、課堂討論和自學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式。

1.2 引入EDA

將EDA引入《數(shù)字邏輯電路》教學(xué)中，對于一些抽象、復(fù)雜的變化過程，可以通過EDA的仿真，隨時以圖形、表格或曲線顯示出來。在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生可以通過修改相應(yīng)電路和具體參數(shù)，仔細觀察輸出結(jié)果，加深對數(shù)字電路本質(zhì)和特點的理解，全面掌握《數(shù)字邏輯電路》的重點內(nèi)容。這樣，不僅拓寬了教學(xué)面，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，還收到事半功倍的教學(xué)效果。

在教學(xué)過程中，首先要保持數(shù)字電路內(nèi)容的完整性和理論的系統(tǒng)性，包括組合邏輯電路、時序邏輯電路、程序邏輯電路和可編程邏輯器件等基本內(nèi)容。在電路設(shè)計中，減少以卡諾圖為邏輯化簡手段和相應(yīng)傳統(tǒng)設(shè)計方面的內(nèi)容，增加Verilog HDL設(shè)計內(nèi)容。采用多媒體教學(xué)方式，結(jié)合理論教學(xué)的進程，及時利用EDA在計算機上進行設(shè)計、仿真驗證，以增強學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認識，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

下面以組合邏輯電路四位全加器的設(shè)計為例，介紹EDA在數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1.2.1 傳統(tǒng)的設(shè)計方法

組合邏輯電路的傳統(tǒng)設(shè)計步驟是：①分析邏輯問題，根據(jù)問題列出真值表。②根據(jù)真值表畫卡諾圖，利用卡諾圖化簡法得出最簡表達式。如果采用公式化簡法，需由真值表寫邏輯函數(shù)表達式，根據(jù)公式化簡。③根據(jù)設(shè)計要求轉(zhuǎn)換簡化后的表達式。④畫邏輯圖。

1.2.2 引入EDA的現(xiàn)代設(shè)計方法

引入EDA的數(shù)字邏輯電路現(xiàn)代設(shè)計過程如下：

分析設(shè)計要求：確定a，b是2個4位二進制加數(shù)輸入端，cin是進位輸入端，sum是和數(shù)輸出端，cout是進位輸出端。

用Verilog HDL語言描述輸入與輸出信號之間的邏輯電路關(guān)系，即：

module adder（a，b，cin，sum，cout）；

parameter width=4；

input [width-1：0] a，b；

input cin；

output [width-1：0] sum；

output cout；

assign {cout，sum} = a+b+cin；

endmodule

用Quartus II開發(fā)環(huán)境編輯、編譯、綜合和仿真用Verilog HDL語言描述的組合邏輯電路，得到的仿真波形如圖 1所示。

圖1 四位全加器仿真圖

從圖1中可以看出，sum=a+b+cin，cout是進位輸出，滿足設(shè)計要求。

將Quartus II軟件綜合后的adder. sof文件下載到FPGA實驗箱進行硬件的驗證。

分析這2種設(shè)計方法可知：采用基于EDA的現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計方法，不要求學(xué)生必須列出真值表，推導(dǎo)出邏輯函數(shù)式，也不需要人工化簡得到最簡表達式，因為這些都可以使用Quartus II軟件由計算機完成，并且可通過仿真波形檢驗設(shè)計的電路是否滿足題目的要求。這樣可以使一些看不見、摸不著的抽象理論知識通過仿真和硬件驗證比較直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 因此，在《數(shù)字邏輯電路》的教學(xué)過程中，學(xué)院要求教師首先簡要講授傳統(tǒng)設(shè)計方法，讓學(xué)生了解數(shù)字邏輯電路傳統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，然后引入基于EDA的現(xiàn)代設(shè)計方法，讓學(xué)生感受到使用現(xiàn)代設(shè)計方法的優(yōu)勢。

1.3 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，大多數(shù)學(xué)生只是在課堂上有機會與教師交流，在課下學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)問題也不能及時解決。這在一定程度上影響了他們的學(xué)習(xí)進度，最終影響學(xué)習(xí)效果。因此，要充分利用高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將課程的所有資料都放到精品課程網(wǎng)站中，以便學(xué)生能夠課前課后隨時查找授課的知識點，節(jié)省了大量的時間。建立的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程主頁 http：//202. 193.64.134/jpkc/中主要包括：《數(shù)字邏輯電路》理論課件、實驗課件、教學(xué)錄像、在線自測、在線答疑、教學(xué)改革、教學(xué)信息發(fā)布和試題庫等信息。利用網(wǎng)絡(luò)課程可以進一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，不斷提高他們的自學(xué)能力。

2 結(jié)束語

通過對教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段創(chuàng)新的探索與積極實踐，加深了學(xué)生對理論知識的理解和掌握，激發(fā)了學(xué)生課外的學(xué)習(xí)興趣，提高了他們的學(xué)習(xí)積極性和在工程實踐設(shè)計方面的能力，培養(yǎng)了他們分析問題和解決問題的創(chuàng)新思維，實現(xiàn)了對《數(shù)字邏輯電路》課程的精講、多練、勤思的目的，教學(xué)質(zhì)量也達到了新的高度。近年來，我院學(xué)生在全國各類大學(xué)生電子設(shè)計競賽中連獲佳績，這與將EDA技術(shù)應(yīng)用于《數(shù)字邏輯電路》課程的教學(xué)中是分不開的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還將在教學(xué)實踐中努力探索新的教學(xué)方法，持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量，以達到更佳的教學(xué)效果，為培養(yǎng)出創(chuàng)新意識強、應(yīng)用能力強、設(shè)計能力強的大學(xué)生而努力。

參考文獻

[1]易藝，郝建衛(wèi).FPGA在數(shù)字邏輯電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2016，16（2）.

[2]甄倩倩，王丁磊.《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2016，15（1）.

[3]江國強.新編數(shù)字邏輯電路[M].第2版.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2013.

[4]張娜.基于項目化《傳感器與檢測技術(shù)》教學(xué)的探討[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（4）.

[5]馬艷娥，郭晉蜀.數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)方法的創(chuàng)新探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（5）.

〔編輯：白潔〕