啟發(fā)式教學在現(xiàn)代數(shù)字邏輯教學中的應用

摘要：硬件描述語言的產(chǎn)生及在現(xiàn)代數(shù)字邏輯設計中的應用大大顛覆了經(jīng)典設計方法。在教學過程中，該文為了適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求， 以啟發(fā)式教學為指導，軟硬件相結(jié)合的方式引導學生積極思考， 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，取得了良好的效果。

關鍵詞： 啟發(fā)式；數(shù)字邏輯；硬件描述語言

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2379-03

《數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》課程是高校物理、機械電子、自動化、計算機及信息專業(yè)的必不可少的技術基礎課程。該課程的目標是使得學生可以掌握數(shù)字電子技術的基本原理， 熟悉邏輯代數(shù)、組合和時序電路的基礎知識和基本技能；熟悉小規(guī)模數(shù)字集成電路的工作原理， 特性和功能； 掌握組合、時序邏輯電路的分析及設計方法。為以后《計算機接口技術》、《計算機組成原理》和《微機原理》等后續(xù)課程打下牢固的基礎。然而， 隨著半導體集成電路相關技術的飛速發(fā)展， 特別是隨著硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）的出現(xiàn)，現(xiàn)代數(shù)字邏輯系統(tǒng)的從設計到量產(chǎn)與經(jīng)典數(shù)字邏輯的方法有巨大的差別。而且在新的元器件，新開發(fā)工具和方法的不斷涌現(xiàn)的情況下，如何將現(xiàn)代化基于HDL進行集成電路分析與設計的技術引入教學， 在有限的時間內(nèi)高效的完成經(jīng)典與現(xiàn)代數(shù)字邏輯分析與設計課程的教學， 在教學手段、方法和實踐上都面臨著巨大挑戰(zhàn)[1]。 《數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》課程內(nèi)容枯燥，內(nèi)容多且難度大。開始的時候?qū)υ撜n程缺乏興趣的同學沒有得到及時的引導，到后來就會對該課程產(chǎn)生抵觸心理和厭惡情緒，從而影響教學效果。

啟發(fā)式教學作為一種以學生為主導的、優(yōu)化的教學手段和方法，已經(jīng)深入到了教育教學的各個學科、各個階段[2]。該文為了適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求， 以啟發(fā)式教學為指導，以軟硬件相結(jié)合的方式引導學生積極思考， 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，取得了良好的效果。

1 啟發(fā)式教學的內(nèi)涵與特點

啟發(fā)式教學源于中國古代儒家的教育思想， 是孔子倡的施教原則。啟發(fā)一詞出自孔子的名言“不憤不啟，不悱發(fā)，舉一隅不以三隅反，則不復也”[3]。但是啟發(fā)式教學法并非千篇一律，不同的學科具有不同的表現(xiàn)和應用方法。《數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》教學中啟發(fā)學生的思維的方法有多種，如實際產(chǎn)品啟發(fā)，應用啟發(fā)、實驗啟發(fā)、調(diào)試啟發(fā)、練習啟發(fā)、討論啟發(fā)等，以上方法均可起到啟發(fā)學生思維的作用。

2 現(xiàn)代數(shù)字邏輯授課的特點與挑戰(zhàn)

《數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》有很強的工程實踐性，是深入了解計算機內(nèi)核、結(jié)構的一門關鍵的基礎課程。在教授理論知識的同時，需要開始相應的實驗課程。這樣才能對學生所學知識和技能進行訓練。實驗教學對學生能否真正掌握所學的課程內(nèi)容以及能否靈活運用所學知識去解決實際問題起著決定性的作用[4]。

《數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》課程教學與實驗中存在問題主要有兩方面：一是部分高校雖然開設了《數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》課程，但是沒有將經(jīng)典的數(shù)字邏輯知識與現(xiàn)代的基于硬件描述語言的數(shù)字邏輯相結(jié)合，導致所授知識嚴重落后與現(xiàn)代科技的發(fā)展。二是沒有引入硬件描述語言的系統(tǒng)設計等相關實驗，使得《數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》實驗設施和實驗方法遠落后于當前的工業(yè)應用情況。

因此現(xiàn)代數(shù)字邏輯授課需要把基于硬件描述語言和現(xiàn)代集成開發(fā)環(huán)境的數(shù)字邏輯設計方法與經(jīng)典的數(shù)字邏輯內(nèi)容相結(jié)合。例如在授課的時候既要講述經(jīng)典數(shù)字邏輯內(nèi)容，例如組合時序邏輯器件：與、或、非門、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器以及相關設計方法。也要引入硬件描述語言的內(nèi)容、相應的開發(fā)環(huán)境及設計方法，例如Verilog HDL（ Verilog Hardware Description Language）， 集成開發(fā)環(huán)境Actel Libero IDE，及相應的設計方法。

3 啟發(fā)式教學與現(xiàn)代數(shù)字邏輯教學相結(jié)合

3.1 充分利用多媒體手段進行形象啟發(fā)式教學

數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計》課程， 邏輯代數(shù)推導復雜，邏輯圖多， 在黑板上畫既費事， 又耽誤時間。因此， 應當充分利用多媒體手段改革教學手段和教學方法， 把老師從粉筆加黑板的傳統(tǒng)教學模式中解脫出來。使課堂教學由沉悶的教師單一教學變成圖文并茂、色彩紛呈的豐富教學， 激發(fā)學生主動學習熱情， 提高課堂教學和學習的效率。多媒體技術具有豐富的感染力， 通過聲情并茂的文字、圖像、聲音、動畫、視頻等形式對學生形成刺激， 迅速吸引學生的注意力，去除學生的睡意；能夠喚起學生的學習興趣， 使學生產(chǎn)生學習的心理需求， 進而主動的參與學習活動。而且由于多媒體技術能夠預先將大量的邏輯圖、真值表、邏輯公式存儲在幻燈片文件中， 使得在該課程中利用多媒體教學可以大大的節(jié)約畫圖時間。教師可以將精力和時間更多集中在重點知識和重要分析方法上。

與傳統(tǒng)的基于實際芯片的實驗方法相比，基于Verlog HDL 結(jié)合Actel Libero IDE的實驗方法的優(yōu)點還表現(xiàn)在它的靈活性與可重構性上。采用芯片的實驗方法，一旦所設計的實驗出現(xiàn)了問題，設計者必須對芯片及接線逐一排查。要是出現(xiàn)芯片接觸不良，信號不穩(wěn)定的情況，往往辛辛苦苦花費一兩個小時候搭建電路，卻不到正確的實驗結(jié)果。更有甚者，連錯線，把芯片燒壞。但是，基于HDL 的新型實驗方法卻不會有這些現(xiàn)象發(fā)生。除了燒錄這一步設計實際的芯片硬件連接，其他的電路設計、調(diào)試、調(diào)整、布局布線、仿真都在IDE開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)。

3.3 在互動教學中培養(yǎng)學生的參與意識和學習的主動性

在課堂授課中，教師的任務不僅是要教會學生相關理論知識，而且還要培養(yǎng)學生的自學能力，提高學生的綜合素質(zhì)，鍛煉學生的表達能力。因此在課堂上應該創(chuàng)造條件，為學生搭建展示自我才華的舞臺，而互動教學正是實現(xiàn)這一目標的良好方式之一[5]。

互動教學中，學生要成為教學的參與者。為了促進學生思考，教師可以預先準備好一些互動素材，在課堂上講解知識點的過程中提出相關問題，鼓勵學生積極參與，并以獎勵等方式刺激學生參與的熱情。例如在邏輯代數(shù)化簡的教學中，可以選取卡諾圖化簡問題。化簡中圍繞卡諾圈的范圍大、數(shù)量少和部分重合的關鍵問題作為互動議題，由教師先講解相關知識并提出問題，給學生一段時間進行考慮。然后對例題進行相關變換，鼓勵學生大膽發(fā)言，甚至走上講臺講解其求解思路。更進一步可以引用有趣的實驗活躍課堂氣氛，例如“跑馬燈”實驗， 交通燈控制實驗。通過這樣的互動教學，提高了學生的學習熱情，活躍學生思維，調(diào)動了學生的積極性。這也加深了學生對知識的理解，舉一反三，同時還鍛煉了學生分析問題、解決問題的綜合能力。

4 結(jié)論

數(shù)字邏輯技術發(fā)展至今，相關技術知識已經(jīng)有巨大的變化。從過去純粹的硬件知識到現(xiàn)在的基于硬件描述語言的集成開發(fā)環(huán)境，整個設計方法截然不同。本科教學實驗課程也應當順應變化，引入相關知識充實教學實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力。以啟發(fā)式教學為指導，以軟硬件相結(jié)合的方式引導學生積極思考， 提高學生的創(chuàng)新綜合能力。

參考文獻：

[1] 陳晶.“數(shù)字邏輯”課程教學探討[J]. 中國地質(zhì)教育， 2005（4）：108-109.

[2] 李強，任慶云. 淺談啟發(fā)式教學在化學教學中的應用[J]. 廣州化工， 201240（3）： 145-146.

[3] 楊麗，溫恒福. 啟發(fā)式教學與對話式教學辨析[J]. 教育探索， 2011（2）： 51-53.

[4] 徐尚中，李靖.基于FPGA 的數(shù)字邏輯新型實驗方法研究[J].赤峰學院學報：自然科學版， 2012，28（9）：20-22.

[5] 俞鶴偉. 數(shù)字邏輯課程教學方法探析[J]. 黑龍江教育：高教研究與評估，2011（10）：21-22.