將課程設(shè)計(jì)引入“數(shù)字邏輯基礎(chǔ)”教學(xué)探索

易 婷

(復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200433)

“數(shù)字邏輯基礎(chǔ)”課程是我校工科專業(yè)的一門(mén)平臺(tái)基礎(chǔ)課程，主要講授數(shù)字邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)。這是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，如何在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力和解決問(wèn)題能力，一直是這門(mén)課的任課教師考慮的問(wèn)題。高校在完成這門(mén)課程的理論教學(xué)之后，都會(huì)開(kāi)設(shè)相應(yīng)的軟件和硬件實(shí)驗(yàn)［1-3］。由于上述實(shí)驗(yàn)是在完成這門(mén)課程的理論教學(xué)之后進(jìn)行的，這使得理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間會(huì)存在一定的脫節(jié)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者在進(jìn)行這門(mén)課的理論教學(xué)時(shí)，嘗試通過(guò)在課堂教學(xué)中安排課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在進(jìn)行理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，就有機(jī)會(huì)將學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。多年教學(xué)實(shí)踐表明，這種將課程設(shè)計(jì)引入課堂教學(xué)的方式能取得良好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生歡迎。

1 課程設(shè)計(jì)的實(shí)施安排

我?！皵?shù)字邏輯基礎(chǔ)”課程由課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分組成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)從第五教學(xué)周開(kāi)始(此時(shí)課堂教學(xué)已經(jīng)講到組合電路的分析與設(shè)計(jì))，每周一次實(shí)驗(yàn)課。學(xué)生已初步掌握了EDA軟件的使用方法，這為在此后的課堂教學(xué)中結(jié)合課程設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分采用EDA工具，完成編碼器、7段數(shù)碼顯示電路、加法器、同步計(jì)數(shù)器和順序脈沖信號(hào)發(fā)生器等模塊電路的分析和設(shè)計(jì)。

課程設(shè)計(jì)的選題首先是設(shè)計(jì)性的，即要求設(shè)計(jì)一個(gè)電路或小型系統(tǒng)。在選擇設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，主要考慮以下四個(gè)方面:綜合性、應(yīng)用性、趣味性以及具有一定的復(fù)雜度，即側(cè)重于綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。題目來(lái)源可以是任課教師推薦的，也可以是學(xué)生自選的。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)的課題數(shù)必須足夠多以保證學(xué)生有足夠的選擇空間。

在實(shí)施課程設(shè)計(jì)時(shí)，任課教師會(huì)在第六教學(xué)周前，將課程設(shè)計(jì)的題目發(fā)給學(xué)生，學(xué)生選擇自己要做的課題。對(duì)于需要多人共同完成的課題，學(xué)生自行選出小組負(fù)責(zé)人。學(xué)生應(yīng)在第十六教學(xué)周前完成課程設(shè)計(jì)，并完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容包括設(shè)計(jì)目標(biāo)，電路的實(shí)現(xiàn)方案和模塊劃分，模塊電路和整個(gè)電路的設(shè)計(jì)、仿真及結(jié)果分析。還有在課程設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題分析和解決辦法以及課程設(shè)計(jì)的體會(huì)等。在第十六教學(xué)周和/或第十七教學(xué)周，每位學(xué)生都要到講臺(tái)上就自己所完成的課題向全班展示，并對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行解答。設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫(xiě)和課堂上的答辯，有助于加深學(xué)生對(duì)所做課題的理解，學(xué)會(huì)如何對(duì)所完成的工作進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)還可以提高他們的表達(dá)能力。

課程設(shè)計(jì)以學(xué)生為主體，任課教師和助教在整個(gè)課程設(shè)計(jì)過(guò)程中所起的作用主要是對(duì)學(xué)生遇到的問(wèn)題(例如EDA軟件使用和電路設(shè)計(jì)問(wèn)題等)進(jìn)行解答、跟學(xué)生就電路的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行討論，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生用多種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)同一電路功能，在課程設(shè)計(jì)答辯時(shí)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和內(nèi)容補(bǔ)充，引導(dǎo)學(xué)生提問(wèn)等。

由于課程設(shè)計(jì)答辯需要占用一定的教學(xué)課時(shí)，而減少授課內(nèi)容，任課教師可將部分原本在課堂上講授的內(nèi)容結(jié)合到課程設(shè)計(jì)的課題中去，通過(guò)課程設(shè)計(jì)展示和教師的補(bǔ)充講解傳授給全班學(xué)生。

2 課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)例

2.1 課程設(shè)計(jì)的三類選題

(1)知識(shí)加深型

該類課題內(nèi)容是課堂教學(xué)中的一些授課內(nèi)容的延伸和加深。例如，“如何設(shè)計(jì)一個(gè)帶直接置位端和直接復(fù)位端的主從結(jié)構(gòu)邊沿觸發(fā)器，并用它設(shè)計(jì)一個(gè)異步復(fù)位的九進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器”這道課程設(shè)計(jì)題目是跟邊沿觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)相關(guān)的。要完成這個(gè)課程設(shè)計(jì)，首先需要充分理解教材上的相關(guān)內(nèi)容。教材上介紹的主從結(jié)構(gòu)的邊沿觸發(fā)器都用到了CMOS傳輸門(mén)。但是承擔(dān)這個(gè)課題的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用Xilinx ISE設(shè)計(jì)工具進(jìn)行電路仿真時(shí)，庫(kù)里面沒(méi)有提供CMOS傳輸門(mén)。所以必須考慮用其它方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)電路。例如，利用教材上的電路圖，用三態(tài)門(mén)來(lái)代替CMOS傳輸門(mén);或者用2個(gè)D鎖存器來(lái)構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器。在該學(xué)生的設(shè)計(jì)報(bào)告中，闡明了上述邊沿觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，并采用兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)了九進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，還對(duì)異步復(fù)位的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，給出了解決異步復(fù)位缺點(diǎn)的方法—異步復(fù)位同步釋放。

(2)知識(shí)拓展型

該類課題中加入了一些學(xué)生以后學(xué)習(xí)中會(huì)用到的知識(shí)。例如，“設(shè)計(jì)一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)四位二進(jìn)制碼和溫度計(jì)碼的相互轉(zhuǎn)換”這道題目引入了“溫度計(jì)碼”的概念。溫度計(jì)碼是模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器中常用的一種編碼方式。選擇這道題目的學(xué)生必須先去查找與溫度計(jì)碼相關(guān)的資料，知道它具有什么特點(diǎn)，然后才能完成相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)。最后，該學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)答辯介紹有關(guān)溫度計(jì)碼的知識(shí)。

(3)比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)

上述的兩類題目較簡(jiǎn)單，每道題目由一位學(xué)生獨(dú)立完成。而本類課題都是一個(gè)小的數(shù)字系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的綜合性和趣味性。每個(gè)課題需由2-4位學(xué)生合作完成。為了順利完成所承擔(dān)的課題，各小組首先需要進(jìn)行討論，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行定義、完成功能劃分和模塊劃分，并確定模塊與模塊之間的連接關(guān)系，再將任務(wù)分配給各個(gè)組員。由各個(gè)組員完成模塊電路的設(shè)計(jì)，再將已完成的模塊電路連接起來(lái)，完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用EDA工具進(jìn)行系統(tǒng)功能仿真和驗(yàn)證。

例如，“智力競(jìng)賽搶答器邏輯電路設(shè)計(jì)”這道課程設(shè)計(jì)題目是由四位學(xué)生共同來(lái)完成的。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，他們將整個(gè)電路分成四個(gè)模塊:①搶答電路;②計(jì)時(shí)電路;③加減計(jì)分電路;④計(jì)分顯示電路。每個(gè)成員承擔(dān)其中一個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。整個(gè)電路涉及到的內(nèi)容包括基本型異步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)及競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的消除(搶答電路)、同步減法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)(計(jì)時(shí)電路)、寄存器的設(shè)計(jì)和組合電路的設(shè)計(jì)(包括加/減法器、除法器和譯碼器等)。

以上內(nèi)容幾乎涉及到了這門(mén)課程的所有內(nèi)容。

2.2課程設(shè)計(jì)實(shí)施的效果和學(xué)生體會(huì)

(1)通過(guò)課程設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，學(xué)會(huì)對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用;可以開(kāi)闊眼界，體現(xiàn)學(xué)以致用的原則;學(xué)生對(duì)自己所完成的課題任務(wù)有成就感和滿足感，這表明課堂教學(xué)中引入課程設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)很有意義。

(2)學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)到細(xì)節(jié)的重要性、團(tuán)隊(duì)合作精神和隊(duì)友之間良好溝通的重要性、合理安排時(shí)間的重要性、以及工作態(tài)度認(rèn)真的重要性。

(3)課程設(shè)計(jì)是一個(gè)提出問(wèn)題到解決問(wèn)題再到改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程，為學(xué)生提供一次能綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)知識(shí)的機(jī)會(huì)。

(4)課程設(shè)計(jì)的答辯實(shí)際上是對(duì)課堂上已學(xué)過(guò)的知識(shí)的詳細(xì)的回顧，有利于對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)的復(fù)習(xí)、以及對(duì)所學(xué)知識(shí)的拓展和延伸。

3 結(jié)語(yǔ)

我們通過(guò)在“數(shù)字邏輯基礎(chǔ)”的課堂教學(xué)中引入課程設(shè)計(jì)，提供三種類型的課題，讓學(xué)生在完成課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)會(huì)靈活應(yīng)用所學(xué)過(guò)的知識(shí)，學(xué)會(huì)通過(guò)自主查找資料、與教師討論等方式來(lái)解決問(wèn)題，學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，學(xué)會(huì)團(tuán)隊(duì)合作，收獲學(xué)習(xí)的快樂(lè)和成就感。同時(shí)通過(guò)課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生體會(huì)到數(shù)字邏輯電路在實(shí)際生活中的應(yīng)用，體會(huì)到數(shù)字邏輯電路之魅力。

由于教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，所有的課程設(shè)計(jì)都由學(xué)生在課余時(shí)間完成。這固然會(huì)增加學(xué)生課外學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，但是學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)的過(guò)程也是對(duì)課堂上所學(xué)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)掌握的過(guò)程，所取得的學(xué)習(xí)效果遠(yuǎn)大于純粹做習(xí)題所獲得的學(xué)習(xí)效果。

［1］王勇.“模擬與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)”的課程設(shè)置［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(1):6-7

［2］田東.數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)的改革與探討［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23(5):118-119

［3］侯素芳，任艷頻.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容改革的研究與實(shí)踐［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(1):108-110