基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的數(shù)字邏輯課程改革

林 姍，李 浩

（湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢430068）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，新器件和新方法出現(xiàn)，必然引起專業(yè)基礎(chǔ)課程內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，根據(jù)我國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)于2006年按照《華盛頓協(xié)議》的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和方法開始的工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)高校人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，依照以學(xué)生為中心的人才培養(yǎng)理念，課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。數(shù)字邏輯課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，系統(tǒng)地介紹了數(shù)字邏輯電路分析與設(shè)計(jì)相關(guān)的基本概念、數(shù)學(xué)工具、基本分析方法和設(shè)計(jì)方法等，是學(xué)習(xí)后續(xù)計(jì)算機(jī)組成原理、嵌入式系統(tǒng)等課程的重要基礎(chǔ)，也是需要進(jìn)行課程教學(xué)改革的重要課程。

1 課程教學(xué)中存在的主要問題

（1）教學(xué)內(nèi)容側(cè)重底層單個(gè)器件的功能及其組成的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路,難以滿足實(shí)際生活中的應(yīng)用；系統(tǒng)規(guī)模較小，難以跟上數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展的新技術(shù)和新工具。

（2）傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識(shí)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是教師先在教室講授理論課, 主要講授電路分析與設(shè)計(jì)的相關(guān)理論和基本方法，然后讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要也是驗(yàn)證上課講述的例題，其結(jié)果是大部分學(xué)生機(jī)械地按照實(shí)驗(yàn)要求完成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,大多時(shí)候可能都不清楚要解決的具體問題是什么。

（3）實(shí)踐教學(xué)方法落后，評(píng)價(jià)方式過于單一導(dǎo)致教學(xué)效果較差，學(xué)生認(rèn)識(shí)不到課程的重要性,學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)。

2 課程教學(xué)改革思路

2.1 更新教育理念

為了實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)知識(shí)灌輸向能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變, 應(yīng)更新教育理念，逐步形成以學(xué)生為中心,以掌握知識(shí)為基礎(chǔ), 以能力培養(yǎng)為主線,以素質(zhì)提高為目標(biāo)的新教學(xué)方法[1]。教學(xué)中要將傳統(tǒng)的以教師為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體, 采用啟發(fā)式、討論式和研究式等教學(xué)方法, 真正實(shí)現(xiàn)從灌輸課堂向?qū)υ捳n堂的轉(zhuǎn)變、從封閉課堂向開發(fā)課堂的轉(zhuǎn)變、從知識(shí)課堂向能力課堂的轉(zhuǎn)變、從句號(hào)課堂向問號(hào)課堂的轉(zhuǎn)變。

2.2 優(yōu)化調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字邏輯電路是計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，后繼課程包括計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等。課程內(nèi)容涉及數(shù)字系統(tǒng)構(gòu)成基本功能單元相關(guān)的基礎(chǔ)理論、組合邏輯電路及時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法,是一門工程實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，該課程在自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)體系中占有相當(dāng)重要的地位。同時(shí),對(duì)于后繼專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及提高工程實(shí)踐能力都有著極其重要的作用。計(jì)算機(jī)專業(yè)重在應(yīng)用基本邏輯器件設(shè)計(jì)系統(tǒng),而不是底層器件的設(shè)計(jì),因此，數(shù)字邏輯電路這門課程應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)功能級(jí)器件及其應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生將這些內(nèi)容應(yīng)用于小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。

2.3 改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方式

數(shù)字邏輯電路的實(shí)踐教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為主要目標(biāo),從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)、評(píng)估體系等方面進(jìn)行改進(jìn)，以切實(shí)提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，在能力培養(yǎng)方面有所增強(qiáng)。

3 課程改革的具體實(shí)施

3.1 調(diào)整與優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容

目前，數(shù)字邏輯教學(xué)內(nèi)容主要包括邏輯代數(shù)、集成門電路與觸發(fā)器、組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)、時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)、中規(guī)模集成電路的應(yīng)用及可編程邏輯器件等[2]。在教學(xué)內(nèi)容確定的基礎(chǔ)上, 對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在教學(xué)過程中，首先講解相關(guān)的基本概念，特別是二進(jìn)制數(shù)的表示和邏輯代數(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。然后，進(jìn)入數(shù)字邏輯電路的學(xué)習(xí)，在此過程中重視門電路、觸發(fā)器的外部特性及基本功能，并突出基于它們的組合邏輯電路及時(shí)序邏輯電路相關(guān)應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程。最后，特別強(qiáng)調(diào)要利用仿真軟件測(cè)試設(shè)計(jì)的結(jié)果是否符合功能要求。

具體實(shí)施時(shí)，邏輯門電路著重于邏輯功能、外部特性和典型應(yīng)用，如對(duì)基本與非門、三態(tài)門、集電極開路與非門只介紹其功能、符號(hào)及主要應(yīng)用, 刪去電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理分析。另外，將觸發(fā)器的主要內(nèi)容縮減為一小節(jié)，只通過基于與非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器介紹觸發(fā)器的基本工作原理，特別強(qiáng)調(diào)為何觸發(fā)器具有存儲(chǔ)功能并能實(shí)現(xiàn)時(shí)序電路，然后對(duì)基本R-S觸發(fā)器的不足進(jìn)行分析，并針對(duì)這些不足進(jìn)行改進(jìn)，從而引入JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器及T觸發(fā)器等常用器件，并讓學(xué)生結(jié)合空翻現(xiàn)象理解為何使用邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器，但對(duì)觸發(fā)器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電路不做詳細(xì)展開，從而讓學(xué)生側(cè)重于觸發(fā)器的功能、外部符號(hào)及特性。

3.2 綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題

組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路部分的教學(xué)，結(jié)合實(shí)際生活中的計(jì)數(shù)器、序列檢測(cè)器等電路的設(shè)計(jì)過程讓學(xué)生掌握基于小規(guī)模邏輯電路的設(shè)計(jì)思路和方法；適當(dāng)增加加法器、移位寄存器等器件的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本功能單元的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，對(duì)于同一個(gè)例子分別引入中規(guī)模器件，使知識(shí)更加系統(tǒng)化，并拓展相關(guān)應(yīng)用，達(dá)到觸類旁通的效果。

以組合邏輯電路的設(shè)計(jì)中一位全加器的設(shè)計(jì)為例，通過該設(shè)計(jì)，學(xué)生可了解和掌握組合邏輯電路設(shè)計(jì)的基本步驟，并使用基本邏輯門電路芯片74LS86、74LS00等實(shí)現(xiàn)電路功能的仿真。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生設(shè)計(jì)四位全加器，并指出串行加法器存在的問題，從而引入實(shí)現(xiàn)四位并行加法功能的集成器件74LS283。進(jìn)一步拓展，基于74LS283加入控制輸入端實(shí)現(xiàn)全加/全減器。該例子實(shí)現(xiàn)了基本門電路 → 一位加法器（組合邏輯電路）→ 四位并行加法器（集成器件）→ 基本算術(shù)運(yùn)算器（小規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)）的層層遞進(jìn)，讓學(xué)生更好地理解知識(shí)點(diǎn)并將其應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

3.3 優(yōu)化數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的不僅僅是驗(yàn)證已知的理論，訓(xùn)練學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和根據(jù)所學(xué)知識(shí)解決問題的能力。以湖北工業(yè)大學(xué)為例，根據(jù)學(xué)校的教學(xué)改革要求，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)只有10學(xué)時(shí)，因此，學(xué)校根據(jù)實(shí)際情況對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排進(jìn)行了調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)安排了3個(gè)主題：基本邏輯門電路和觸發(fā)器功能測(cè)試（2學(xué)時(shí)）、組合邏輯電路設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）和時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）。除第1個(gè)主題全為驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，其他兩個(gè)分為驗(yàn)證和進(jìn)階提高兩部分。實(shí)驗(yàn)過程削弱了使用數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)箱的部分，引入并加強(qiáng)了對(duì)仿真軟件的應(yīng)用，仿真軟件建議學(xué)生采用Proteus或者Quartus。這樣可以避免實(shí)驗(yàn)室資源不夠及教學(xué)時(shí)間不足的限制，學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間基于仿真軟件完成驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的主要過程，教師利用實(shí)驗(yàn)課堂針對(duì)學(xué)生個(gè)體存在的問題進(jìn)行輔導(dǎo)和答疑，讓學(xué)生能夠在獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，又能通過與老師的個(gè)別交流解決其自身難以解決的一些問題。

另外，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，需結(jié)合教學(xué)內(nèi)容選擇有一定難度的設(shè)計(jì)作業(yè)，讓學(xué)生完成作業(yè)的同時(shí)自己可利用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并結(jié)合這種方法強(qiáng)化完善課堂的教學(xué)內(nèi)容。比如，由于課程理論教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，一般對(duì)脈沖異步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容只能以一個(gè)例子進(jìn)行介紹。為了讓學(xué)生理解異步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)，可布置一道作業(yè)題：用D觸發(fā)器作為存儲(chǔ)元件，設(shè)計(jì)三位減法計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器在輸入脈沖的作用下實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，且當(dāng)計(jì)數(shù)器歸零時(shí)在輸入脈沖的作用下輸出一個(gè)借位脈沖，并完成該電路功能的仿真。通過這個(gè)作業(yè)，學(xué)生可以有效地掌握脈沖異步時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)的基本過程；器件的選擇，如D觸發(fā)器使用74LS74；根據(jù)選擇的器件優(yōu)化異步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)；電路的繪制；電路功能的仿真等內(nèi)容。這個(gè)過程可極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。

3.4 加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)較少的不足,進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,本課程開設(shè)了課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)的題目大多與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)，如汽車尾燈控制器、數(shù)字密碼鎖電路、洗衣機(jī)工作控制電路等，課程設(shè)計(jì)可使學(xué)生加深理解、鞏固所學(xué)理論知識(shí),同時(shí)提高綜合應(yīng)用的能力。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn),好的選題不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性,還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情。

課程設(shè)計(jì)也是要求學(xué)生采用仿真軟件課下完成設(shè)計(jì)和仿真,這樣可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室資源使用的不足。另外，通過撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，學(xué)生可以進(jìn)一步理清數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和方法,同時(shí)將文獻(xiàn)查閱和論文撰寫綜合起來,增強(qiáng)工程實(shí)踐能力。

3.5 改進(jìn)考核評(píng)價(jià)方式

對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)，不再單一地以平時(shí)作業(yè)和考試成績(jī)?yōu)橹?，而是?qiáng)調(diào)平時(shí)的課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)完成情況以及學(xué)習(xí)過程中相對(duì)自身的進(jìn)步。

針對(duì)學(xué)生的不同情況, 實(shí)行個(gè)性化教學(xué), 做到因人施教。尤其對(duì)于那些對(duì)數(shù)字邏輯這門課程學(xué)習(xí)能力較差的學(xué)生,通過個(gè)別交流讓其掌握分析問題的思路, 解決問題的方法, 使他們能在理解的基礎(chǔ)上逐漸找到適合自身的學(xué)習(xí)方法，并形成自己的思考方式，對(duì)這類學(xué)生以他們相對(duì)自身的進(jìn)步來給定每次作業(yè)和實(shí)踐的成績(jī)更加公平。

另外，實(shí)踐成績(jī)的給定綜合考慮文字性的報(bào)告和完成的電路及其仿真結(jié)果的展示兩個(gè)方面。評(píng)價(jià)時(shí)，只有文字報(bào)告對(duì)仿真結(jié)果的分析條理清晰，知識(shí)點(diǎn)理解正確，且能夠自行設(shè)計(jì)有效的驗(yàn)證方式，并能清楚說明測(cè)試思路才可能為優(yōu)?；蛘咴谠O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)有自己的創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)想法并能付諸實(shí)現(xiàn)。這樣避免了以往只看實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不注重學(xué)生實(shí)踐中間過程帶來的評(píng)價(jià)的片面性。同時(shí)，如果沒有仿真過程的演示和結(jié)果分析，則不能通過本課程實(shí)踐部分的考核，以督促學(xué)生參與實(shí)踐。這種評(píng)價(jià)方式充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣和主觀能動(dòng)性，大多數(shù)學(xué)生都能自覺完成實(shí)踐要求并提出自己的想法。

4 結(jié) 語

數(shù)字邏輯課程的實(shí)踐性很強(qiáng),其教學(xué)重點(diǎn)在于基于門電路和基礎(chǔ)器件的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)。因此針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)特點(diǎn),基于工程教育專業(yè)認(rèn)證，在課程教學(xué)過程中轉(zhuǎn)變教育理念,以學(xué)生為中心，注重學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)體差異；轉(zhuǎn)變教學(xué)方法，從以灌輸為主轉(zhuǎn)向以對(duì)話式教學(xué)為主；同時(shí)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，改進(jìn)考核方式。近三年的教學(xué)實(shí)踐取得了良好的教學(xué)效果，在課堂學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中，學(xué)生能逐步摸索出適合自身的學(xué)習(xí)方法，并有效地提高實(shí)際動(dòng)手和系統(tǒng)解決問題的能力。