“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)改革探索

摘要：隨著科技進(jìn)步，數(shù)字系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用不斷深入并迅速拓展，當(dāng)今社會(huì)對(duì)電子信息類專業(yè)畢業(yè)生的要求越來越高，作為專業(yè)基礎(chǔ)課的“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”在其知識(shí)體系中占據(jù)重要地位。結(jié)合近年來的教學(xué)工作，分析了傳統(tǒng)的教學(xué)方式和方法中存在的問題，此基礎(chǔ)上從教學(xué)內(nèi)容、手段、考核方式等方面詳細(xì)闡述了“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)改革的指導(dǎo)思想和相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：數(shù)字系統(tǒng)；邏輯設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號(hào)：1007-0079（2014）18-0061-02

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，是電子、電氣、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)體系中的重要一環(huán)。在教育部高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)制定的《教學(xué)基本要求》中，將數(shù)字電路相關(guān)課程分為“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”兩類，[1]兩門課程南通大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）均有開設(shè)，前者主要針對(duì)電子、電氣類部分專業(yè)；后者主要針對(duì)電子信息類專業(yè)，包含64學(xué)時(shí)的理論課和為期兩周的實(shí)踐環(huán)節(jié)。本課程是“電路”和“模擬電子技術(shù)”的后續(xù)課程，又是“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“單片機(jī)技術(shù)與微機(jī)原理”“自動(dòng)控制原理”等專業(yè)課的先修課程，在電子信息類專業(yè)課程設(shè)置中起到承上啟下的重要作用。本課程的教學(xué)質(zhì)量顯著影響著學(xué)生理解和掌握電子信息專業(yè)知識(shí)體系。

一、傳統(tǒng)“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)模式

傳統(tǒng)的“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程教學(xué)主要是基本概念、基本分析設(shè)計(jì)方法的理論講授，學(xué)生只是機(jī)械化的接收知識(shí)，課程所得僅僅是擴(kuò)充了知識(shí)量和按步驟求解習(xí)題的能力，并不能根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況分析問題，也不能基于實(shí)際需求設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，與當(dāng)今社會(huì)對(duì)畢業(yè)生的要求有較大距離。同時(shí)，“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”一般使用的是相同的教材，過去在教學(xué)內(nèi)容安排上兩者也很相似，教學(xué)中都側(cè)重內(nèi)部電路的分析，并不能很好地適應(yīng)電子通訊類和計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)要求。進(jìn)入新世紀(jì)后，電子、通訊等領(lǐng)域的相關(guān)理論和技術(shù)日新月異，但是“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”作為一門經(jīng)典課程變革緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后與科技的發(fā)展，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和工程意識(shí)非常不利。

二、堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，不斷完善教學(xué)

我校是偏工科以二本專業(yè)為主的普通省屬高校，相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生的求職方向主要是制造業(yè)，一般從事簡(jiǎn)單研發(fā)和生產(chǎn)工作，艱深的理論知識(shí)和復(fù)雜的內(nèi)部電路分析對(duì)其幫助不大，同時(shí)造成較大的課業(yè)負(fù)擔(dān)，打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情?；谏鲜銮闆r，結(jié)合筆者多年“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本課程教學(xué)的指導(dǎo)思想應(yīng)從集中講授理論方法和過分追求解題技巧，轉(zhuǎn)向更多地引入實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生了解芯片的外部特性、分析系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)中大規(guī)模集成電路的應(yīng)用能力和工程意識(shí)。以下分別從教學(xué)內(nèi)容、方法、手段以及考核方式等方面闡述教學(xué)改革的具體措施。

1.教學(xué)內(nèi)容改革

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”是電子通訊類專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課之一，是掌握理解其后諸多專業(yè)課的知識(shí)鋪墊，故而基本定義、定理和分析方法的講授必須清楚透徹，但是在內(nèi)容安排上應(yīng)有所側(cè)重。本課程是一門應(yīng)用型工科課程，學(xué)生在打好理論基礎(chǔ)的同時(shí)還需要具備分析實(shí)際問題并解決問題的能力，在教學(xué)中也要有所體現(xiàn)。

我校該課程開設(shè)在“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用”之后，學(xué)生對(duì)數(shù)字電路、數(shù)字信號(hào)和數(shù)值已有相當(dāng)了解，這部分內(nèi)容課時(shí)安排上應(yīng)有所減少。一些傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)，如“邏輯門電路”“脈沖波形的變換和產(chǎn)生”“數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器”掌握即可，這部分內(nèi)容應(yīng)將重點(diǎn)放在相關(guān)功能器件的外部特性和使用上，對(duì)于內(nèi)部電路的分析可以適當(dāng)放低要求。其中“邏輯門電路”與模擬電子技術(shù)中三極管和場(chǎng)效應(yīng)管部分的一些內(nèi)容重疊，教學(xué)中在減縮的同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)說明兩者的區(qū)別，在模擬電子技術(shù)中主要使用的是三極管和場(chǎng)效應(yīng)管的放大區(qū)，而數(shù)字電路中使用的三極管和場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)；部分知識(shí)點(diǎn)，如“邏輯代數(shù)”“組合邏輯電路”“時(shí)序邏輯電路”在教學(xué)中應(yīng)有所加強(qiáng)，尤其是后兩者。[2]基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和學(xué)生未來實(shí)際工作的需要，教學(xué)中應(yīng)增加硬件描述語(yǔ)言（Verilog HDL）以及一些相關(guān)的專業(yè)仿真軟件的講授。同時(shí)，理論教學(xué)要與實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)等教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合。利用EDA軟件，如MAX+plusⅡ、QuartusⅡ、ModelSim等進(jìn)行模擬仿真設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱下載調(diào)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，幫助學(xué)生熟悉數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，提高學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)其工程意識(shí)。

對(duì)于一些重要芯片和結(jié)構(gòu)，如74系列、555定時(shí)器和后續(xù)課程中會(huì)涉及到的PLD、ROM、RAM、總線等，除了教材上提到的功能表、外部特性、簡(jiǎn)單應(yīng)用的例題外，可以結(jié)合后續(xù)課程的內(nèi)容作一定拓展，使學(xué)生在更好掌握芯片功能的基礎(chǔ)上，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用有更深刻生動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

教學(xué)中除了經(jīng)典例題的講解外，應(yīng)補(bǔ)充一些實(shí)際電氣工程案例。在詳細(xì)介紹其工程背景、施工標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)說明其解決實(shí)際問題的思路，引導(dǎo)學(xué)生利用已有理論知識(shí)分析經(jīng)典案例的設(shè)計(jì)方案并學(xué)習(xí)其設(shè)計(jì)思考方式。這樣既追隨了時(shí)代的腳步、科技的發(fā)展，也加深了學(xué)生對(duì)于基本理論、分析設(shè)計(jì)一般方法的理解，提高學(xué)生實(shí)際工作能力，更好地適應(yīng)社會(huì)的需求。[3]

2.教學(xué)方法及手段改革

當(dāng)前“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”的課堂教學(xué)多采用多媒體和板書相結(jié)合的方式，這樣可以緩解本課程知識(shí)量大、推導(dǎo)繁瑣、例題較多與相對(duì)緊張的課時(shí)安排之間的矛盾。同時(shí)多媒體動(dòng)畫可以生動(dòng)清晰地說明很多動(dòng)態(tài)過程，例如如何利用譯碼器實(shí)現(xiàn)多芯片并聯(lián)以及位拓展、觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)邏輯門的翻轉(zhuǎn)和狀態(tài)變化、555定時(shí)器工作原理和充放電回路等，通過動(dòng)畫色彩和分步展示幫助學(xué)生充分理解其中的變化和實(shí)現(xiàn)方式，收到良好的教學(xué)效果。但是由于理論教學(xué)和教學(xué)實(shí)踐相互獨(dú)立，再生動(dòng)的理論教學(xué)也很難讓學(xué)生對(duì)一些定義定理，如邏輯門的延時(shí)、波形的變換等產(chǎn)生實(shí)際概念。由于課時(shí)安排的困難，理論課和教學(xué)實(shí)踐很難同時(shí)開設(shè)，為了解決這一問題，筆者在理論教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真內(nèi)容，將仿真軟件的模擬結(jié)果制成CAI課件，[4]利用仿真演示展示一些抽象的定理和概念，使教學(xué)過程更加生動(dòng)有趣。

3.考核方式改革

在成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方面，改變傳統(tǒng)的依靠綜合考試分?jǐn)?shù)給平時(shí)成績(jī)的方式，平時(shí)成績(jī)以課程設(shè)計(jì)工作的完成情況為標(biāo)準(zhǔn)。允許學(xué)生以獨(dú)立或小組形式自由選題，以口頭講解和書面報(bào)告的方式匯報(bào)工作，以最終完成情況（完成度、創(chuàng)新性）和個(gè)人貢獻(xiàn)給出成績(jī)。學(xué)期總評(píng)成績(jī)將綜合考察期末筆試結(jié)果和平時(shí)成績(jī)，既考核了學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)概念、基礎(chǔ)理論的掌握，又有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。

三、結(jié)論

本文基于電子通信類專業(yè)知識(shí)體系的構(gòu)成，說明了“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程的基礎(chǔ)性和重要性，同時(shí)依據(jù)當(dāng)今科技飛速發(fā)展下，新時(shí)代對(duì)電子通信類專業(yè)畢業(yè)生的實(shí)際要求和本課程的特點(diǎn)指出傳統(tǒng)“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)中存在的若干問題。最后，結(jié)合筆者的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出教學(xué)改革的指導(dǎo)思想，探討解決當(dāng)前一些問題的可行方法，詳細(xì)闡述了教學(xué)改革措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).電子電氣課程基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]康華光，鄒壽彬，秦臻.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]俎云霄，于歆杰，鄭君里.本科課程設(shè)置新計(jì)劃解讀及思考——以MIT的EECS系為例[J].高等理科教育，2010，（6）：40-43.

[4]黃勛，章國(guó)安，孫強(qiáng).“數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)”CAI的研究和應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2009，（3）：65-66.

（責(zé)任編輯：王意琴）