設(shè)計(jì)性數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)之于軟件工程教學(xué)改革的實(shí)踐

張 晶

（同濟(jì)大學(xué) 軟件學(xué)院，上海 201804）

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的重要組成部分，隨著高校教學(xué)改革的深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重心逐步由實(shí)驗(yàn)室硬件和環(huán)境的建設(shè)，轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)內(nèi)容和形式的創(chuàng)新。國家教育部在“關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見”中指出，“高等學(xué)校要重視本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”“并開出一批新的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”。開放式實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)、管理模式，為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供環(huán)境基礎(chǔ)。

構(gòu)建模塊化與層次性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和個(gè)性化與發(fā)展性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中取得了一定的成效。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與問題

1.1 現(xiàn)狀

同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院作為國家示范性軟件學(xué)院，一貫重視本科生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的課程設(shè)置，注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，多門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程均以獨(dú)立設(shè)課的方式存在，與相關(guān)基礎(chǔ)理論課程相對(duì)應(yīng)。其中，面向軟件工程專業(yè)本科生開設(shè)的“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”就是這樣一門實(shí)驗(yàn)必修課程。

該課程內(nèi)容主要包括邏輯組合電路實(shí)驗(yàn)和時(shí)序控制電路實(shí)驗(yàn)兩大部分，旨在通過一系列的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)踐與理論相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)“數(shù)字邏輯原理”理論課程知識(shí)要點(diǎn)的理解，并具備一定的電路設(shè)計(jì)能力，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性。該課程也是后續(xù)課程，尤其是領(lǐng)域軟件系統(tǒng)方向（包括體系結(jié)構(gòu)、嵌入式等）的重要先導(dǎo)課程之一。

多年的教學(xué)實(shí)踐表明，獨(dú)立設(shè)課的實(shí)驗(yàn)課程有效提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)要點(diǎn)的理解和掌握程度，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。然而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式不應(yīng)是一成不變的，需要不斷提煉和改進(jìn)。

1.2 問題

根據(jù)軟件工程專業(yè)課程體系的自身特點(diǎn)，在 “數(shù)字邏輯原理”理論課程教學(xué)中，著重于對(duì)相關(guān)理論的闡述和介紹，要求學(xué)生掌握數(shù)字邏輯的基本原理和電路的工作原理及其應(yīng)用，而沒有過多涉及硬件設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，如HDL、FPGA、CPLD等。與此相適應(yīng)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置也圍繞著中小規(guī)模集成電路芯片的應(yīng)用為基礎(chǔ)，涉及到基本門電路、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、觸發(fā)器、鎖存器、計(jì)數(shù)器等相關(guān)芯片，實(shí)驗(yàn)過程以接線調(diào)試為主要實(shí)驗(yàn)手段，考核方式以現(xiàn)場驗(yàn)收和實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合為主。

基于上述情況，存在的問題主要集中在3個(gè)方面：

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向軟件工程專業(yè)，學(xué)生主觀上缺乏學(xué)習(xí)硬件知識(shí)的積極性，認(rèn)識(shí)上存在一定的誤區(qū)。

4.3 加拿大預(yù)防VAP臨床實(shí)踐指南 加拿大重癥監(jiān)護(hù)委員會(huì)2004年制定預(yù)防VAP臨床實(shí)踐指南(CPGs)，于2008年重新召集20名專家共同修訂。預(yù)防VAP的CPGs分為3個(gè)部分(此處僅列舉推薦和考慮使用條目)［57］:①物理性策略包括:推薦盡量避免使用經(jīng)鼻氣管插管、除非有污跡否則不要頻繁更換呼吸機(jī)管路、每5～7天更換熱濕交換器、使用密閉式吸痰系統(tǒng)及聲門下吸引管;②位置策略包括:盡可能保持45°半臥位、考慮使用旋轉(zhuǎn)床;③藥理性策略包括:考慮使用抗菌劑口腔沖洗，其他一些預(yù)防措施因證據(jù)不足暫不列入。

（2）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比例較高，面對(duì)既定實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生進(jìn)行“按部就班”的操作，生搬硬套謀求實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）在實(shí)驗(yàn)過程中遇到異?，F(xiàn)象或結(jié)果，學(xué)生不假思索會(huì)直接求助指導(dǎo)教師。

這樣的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)效果顯然達(dá)不到教學(xué)大綱的要求，并不能加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)的理解和掌握。如何充分激發(fā)軟件工程專業(yè)學(xué)生對(duì)于硬件實(shí)驗(yàn)的興趣，調(diào)動(dòng)他們的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力，加強(qiáng)發(fā)現(xiàn)問題及解決問題能力的培養(yǎng)，是擺在我們面前亟待解決的問題。

2 教學(xué)改革方案

2.1 開放式實(shí)驗(yàn)室

同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院探索并實(shí)施開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理模式，主要體現(xiàn)為：

（1）實(shí)驗(yàn)室在工作日全天候開放。

（2）學(xué)生在集中聽取實(shí)驗(yàn)章節(jié)后，自主完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。

（3）學(xué)生在提交預(yù)習(xí)報(bào)告后，可以通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)自行選擇時(shí)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約。

（4）學(xué)生在登記后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室自主完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

（6）教師與助教提供全程、全方位的指導(dǎo)和幫助，不僅在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場，還可以通過網(wǎng)絡(luò)方式建立師生聯(lián)系。

這種開放模式推行之初，確實(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。大多數(shù)學(xué)生認(rèn)可這樣的自主學(xué)習(xí)氛圍，愿意在實(shí)驗(yàn)過程中主動(dòng)思考、自行解決問題，并體會(huì)到其中的樂趣，也體會(huì)到科研工作的艱辛，教學(xué)效果取得了一定成效。

但在隨后的教學(xué)實(shí)踐中，成績分析顯示優(yōu)良率和不及格率均有逐年上升的趨勢，呈現(xiàn)出兩極分化的態(tài)勢；成績分布標(biāo)準(zhǔn)方差指數(shù)逐年上升，成績分布曲線有向馬鞍型分布的發(fā)展趨向。如何在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中加強(qiáng)監(jiān)管，提高整體成績水平，基本杜絕不及格現(xiàn)象，也需要在積累良好經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程加以改進(jìn)。

2.2 實(shí)施方案

在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，著手對(duì)數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行重新梳理和規(guī)劃，對(duì)該課程的教學(xué)方式做了一些改進(jìn)，主要圍繞以下5個(gè)方面進(jìn)行：

2.2.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的銜接

每學(xué)期在制訂排課計(jì)劃時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)進(jìn)行進(jìn)度協(xié)商，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程緊隨理論教學(xué)的節(jié)奏進(jìn)行安排。通常是相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)后的1～2周內(nèi)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生更容易接受。這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，學(xué)生對(duì)涉及到的原理知識(shí)“記憶猶新”，也可以通過實(shí)驗(yàn)操作“溫故知新”，有助于對(duì)相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解和掌握，做到知其然并且知其所以然。

2.2.2 規(guī)范整體教學(xué)流程

每學(xué)期首堂實(shí)驗(yàn)課，安排專門的學(xué)時(shí)向全體學(xué)生介紹實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)流程，普及實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)和操作要求，并帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)設(shè)備，認(rèn)識(shí)集成電路芯片等主要配件，掌握電路連接方法和萬用表的使用方法。這樣，為整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)做了一個(gè)良好的鋪墊，也初步激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們面對(duì)實(shí)驗(yàn)課程心中有數(shù)，不至于茫然無措。

實(shí)驗(yàn)過程仍以在實(shí)驗(yàn)箱上接線調(diào)試為主，不盲目引入和開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，旨在為學(xué)生營造一個(gè)真實(shí)的動(dòng)手環(huán)境，可以在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題并加以解決。對(duì)于硬件實(shí)驗(yàn)中不可避免的設(shè)備故障及配件損耗，則通過加強(qiáng)日常維護(hù)和更新來降低故障率，盡可能保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。目前，在院校兩級(jí)經(jīng)費(fèi)的支持下，基本能做到主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備5年左右分批次輪換更新，實(shí)驗(yàn)易耗配件（主要是集成電路芯片）2年內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充更新。從另一個(gè)方面來看，也教會(huì)學(xué)生一些基本的故障判斷和問題排除方法，這也有助于提升其動(dòng)手能力。

2.2.3 改進(jìn)邏輯電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在完成一系列驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)之后，設(shè)置邏輯電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并作為課程考核項(xiàng)目。該項(xiàng)目要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，自行設(shè)計(jì)邏輯電路方案并加以調(diào)試實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)驗(yàn)講解中，教師會(huì)提供4～5個(gè)方案作為藍(lán)本，如彩燈模擬電路、時(shí)鐘模擬電路、搶答器模擬電路、電子鎖模擬電路等，供學(xué)生參考，并明確鼓勵(lì)自行設(shè)計(jì)的電路方案，對(duì)自行設(shè)計(jì)方案提高評(píng)分點(diǎn)，這樣很好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)思考和創(chuàng)新的積極性。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)安排4個(gè)學(xué)時(shí)，分在兩周進(jìn)行。第一周，在課堂集中講解實(shí)驗(yàn)要求之后，學(xué)生自由分組（每組不超過4人），開始進(jìn)行為期一周的方案設(shè)計(jì)。要求自行選擇所需的集成電路芯片，方案規(guī)模適中，不盲目求大、求難；第二周，進(jìn)行現(xiàn)場接線調(diào)試并限時(shí)考核驗(yàn)收，要求學(xué)生根據(jù)已經(jīng)初步做好的方案原理圖或接線示意圖，在兩個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)現(xiàn)場完成接線及調(diào)試任務(wù)，并由指導(dǎo)教師進(jìn)行驗(yàn)收。驗(yàn)收過程中需進(jìn)行演示邏輯電路功能并接受答辯，講述設(shè)計(jì)思路和工作原理。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的最終成績由現(xiàn)場答辯分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)兩部分組成。

2.2.4 把控實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量

每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，都要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告（通常為兩周，留給學(xué)生充分的時(shí)間撰寫報(bào)告）。明確實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范編寫格式，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中小結(jié)部分的考核，要求小結(jié)篇幅適當(dāng)、內(nèi)容充實(shí)，杜絕空洞無物的語句。實(shí)驗(yàn)小結(jié)可以闡述對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到問題的思考，還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)方案提出建設(shè)性意見。

經(jīng)過兩年來的實(shí)踐和改進(jìn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范程度得到很大提高，優(yōu)良率始終保持在70%以上，且穩(wěn)中有升。每學(xué)期結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行歸檔，擇優(yōu)做成示范文檔供后期學(xué)生參考。

3 實(shí)踐成效

數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)作為軟件工程專業(yè)一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，并沒有淪為數(shù)字邏輯理論課的附屬課程，而是與之相輔相成，起到了良好的理論聯(lián)系實(shí)際的作用。本文結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，通過分析在以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，給出了幾點(diǎn)改革措施，并進(jìn)行了初步的實(shí)踐。

改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)過兩個(gè)年級(jí)的試行，取得了較好的效果。

（1）從教學(xué)過程來看，由于融入大量思考性內(nèi)容，促使學(xué)生不能完全依賴于實(shí)驗(yàn)教材“埋頭苦干”，而必須投入到積極思考當(dāng)中。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣明顯提高，課堂氣氛熱烈，學(xué)生之間的相互討論成為常態(tài)現(xiàn)象，也敢于對(duì)教材中存在的問題提出疑問。

（2）從考核情況來看，越來越多的學(xué)生選擇自行設(shè)計(jì)內(nèi)容作為考核項(xiàng)目，更有一些學(xué)生主動(dòng)在課外學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)輔助軟件（如Multisim仿真軟件等），進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，極大提高了設(shè)計(jì)水平和效率。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2013學(xué)年和2014學(xué)年學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案的比例分別為18%和31%，有較大提升。學(xué)生樂于在實(shí)驗(yàn)中融入自己的想法，如“乒乓球模擬”“比大小”“節(jié)奏大師模擬”“音樂節(jié)拍器模擬”等，思路之開闊讓人耳目一新。

（3）在實(shí)驗(yàn)報(bào)告方面，內(nèi)容和質(zhì)量均有顯著提升，反映了學(xué)生分析問題、解決問題的能力得到提高，對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解也有所加深，學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到了發(fā)掘。其中2013學(xué)年數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)成績優(yōu)良率達(dá)88.9%；而2014學(xué)年優(yōu)良率更是達(dá)到92.1%，系首次突破 90%。

（4）從成績分布情況來看，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的引入表面上看提高了實(shí)驗(yàn)難度，但是成績優(yōu)良率并沒有降低，不及格人數(shù)也處在可控范圍內(nèi)（不超過3%）。其中，2013學(xué)年數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)不及格率為1.8%；2014學(xué)年無不及格現(xiàn)象，也是首次實(shí)現(xiàn)全通過。

種種跡象表明，在校院兩級(jí)支持下，在一系列的教改措施實(shí)行后，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)作為一門基礎(chǔ)硬件實(shí)驗(yàn)課，在軟件專業(yè)學(xué)生的心目中，不再是一門枯燥無味、為學(xué)分而學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)課，而是可以發(fā)揮自己主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新才華的場所。

4 結(jié)語

通過一系列的改革措施，引導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行獨(dú)立思考，加強(qiáng)動(dòng)手能力和解決問題能力的培養(yǎng)。由此可見，規(guī)范的教學(xué)方法和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在學(xué)生的能力培養(yǎng)中都是非常必要的。數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程的改革有效提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也改觀了軟件專業(yè)部分學(xué)生對(duì)硬件學(xué)習(xí)的抵觸情緒，從而有助于提升軟件專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)高校人才培養(yǎng)與時(shí)代發(fā)展需要相適應(yīng)。

［1］ 張小林，周美華，李茂康.綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（7）：94－96.

［2］ 易昆南，于菲菲.在綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（8）：8－9，14.