計(jì)算機(jī)類專業(yè)“數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)”教學(xué)模式探索*

王華彬　錢付蘭　李學(xué)俊　陶亮（安徽大學(xué)　計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽　合肥　230601）

計(jì)算機(jī)類專業(yè)“數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)”教學(xué)模式探索*

王華彬錢付蘭李學(xué)俊陶亮
（安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230601）

摘要：現(xiàn)有的數(shù)字邏輯課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，一般僅包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)；為了提升計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的實(shí)際工程分析能力，引入了課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)。通過設(shè)計(jì)小型數(shù)字系統(tǒng)，加深了學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的認(rèn)識，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯；課程設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)

Abstract:The existing practice teaching of digital logic course generally includes confirmatory experimental teaching; in order to improve the practical engineering analysis capability of computer science students, the curricu-lum design is introduced. Designing small digital system can deepen students' knowledge of computer systems design, and lay a solid foundation for the learning of subsequent courses.

Keywords:digital logic; curriculum design; practice teaching

一、概述

“數(shù)字邏輯”課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)開設(shè)的一門應(yīng)用數(shù)字電路進(jìn)行小型數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。其目的是使學(xué)生掌握組合電路和時序電路的工作原理、分析方法和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的思維能力[1]。當(dāng)前，大部分高校的數(shù)字邏輯課程的實(shí)踐教學(xué)只是在課堂教學(xué)之外引入了實(shí)驗(yàn)課程，并且使用的是“實(shí)驗(yàn)箱和邏輯門電路”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生并不能夠理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)意義[2]。另外，數(shù)字邏輯課程屬于一門實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，不僅要重視基礎(chǔ)理論教學(xué)，還應(yīng)該加強(qiáng)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)類專業(yè)“數(shù)字邏輯”課程在實(shí)踐教學(xué)中存在的問題如下[3，4]：

（1）課程概念較多且比較抽象，在實(shí)際教學(xué)中以理論教學(xué)為主，忽視了依托實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行講授的實(shí)踐教學(xué)方法。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是簡單的機(jī)械式重復(fù)，按照課本要求設(shè)計(jì)全加器、選擇器、譯碼器等簡單電路，學(xué)生不知器件的實(shí)際用途，也不會利用所學(xué)的知識組合設(shè)計(jì)應(yīng)用性電路系統(tǒng)。

（3）傳統(tǒng)教學(xué)一般未考慮數(shù)字邏輯與其他課程的相關(guān)性，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往包含軟件和硬件設(shè)計(jì)，學(xué)生無法掌握完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

因此，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)類專業(yè)“數(shù)字邏輯”課程，多重視系統(tǒng)理論完整性，忽略了整體優(yōu)化，尤其是實(shí)踐教育環(huán)節(jié)有待優(yōu)化?！皵?shù)字邏輯”課程建設(shè)大綱中，除要安排理論教學(xué)外，還需有大量的實(shí)踐環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到后續(xù)的計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程，如《計(jì)算機(jī)組成原理》的學(xué)習(xí)，因此，需要改革課程的實(shí)踐教學(xué)體系，為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

本文對計(jì)算機(jī)專業(yè)的“數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)”教學(xué)體系建設(shè)方案進(jìn)行探索，構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，制定教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)模式，并設(shè)計(jì)考核方式。

二、數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，一般是讓學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不需要進(jìn)行分析和討論即可完成。“數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)”計(jì)劃設(shè)計(jì)為探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，要求所設(shè)計(jì)的小型數(shù)字系統(tǒng)具有實(shí)用、新穎、有趣等特點(diǎn)，能夠激發(fā)起學(xué)生的研究興趣和熱情。課程設(shè)計(jì)與課程實(shí)驗(yàn)相比有本質(zhì)的區(qū)別，其目的不是為了獲得某一結(jié)果或證實(shí)某一結(jié)論，而是通過對實(shí)際項(xiàng)目的理解和分析，學(xué)習(xí)科學(xué)研究問題的方法，并彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足之處。其意義在于，通過課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)給予了學(xué)生自由研究和創(chuàng)新的機(jī)會，通過對一個小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)字電路設(shè)計(jì)、調(diào)試和創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識、獨(dú)立地解決實(shí)際問題的能力，為今后從事相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。

（一）實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

隨著計(jì)算機(jī)處理能力的提升，EDA（電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析）技術(shù)已成為電路系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的有力工具，借助EDA軟件進(jìn)行數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)，突出了以學(xué)生為中心的開放模式，激發(fā)學(xué)生大膽想象并嘗試各種不同的設(shè)計(jì)方案、采用不同的集成元器件，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識有所幫助。

Multisim軟件是在EWB的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的專業(yè)仿真軟件，可以對數(shù)字電路進(jìn)行模擬仿真分析，已經(jīng)成為數(shù)字邏輯電路仿真實(shí)驗(yàn)的理想工具[5]。因此，數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)計(jì)劃基于Multisim軟件平臺搭建實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境。

（二）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

計(jì)劃設(shè)計(jì)3-4個實(shí)用的小型數(shù)字系統(tǒng)項(xiàng)目作為課程設(shè)計(jì)題目，在五周共計(jì)20學(xué)時的集中教學(xué)時間內(nèi)，學(xué)生3-5人一組，選擇一個項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，課程結(jié)束時，分組展示課程設(shè)計(jì)成果，并書寫課程設(shè)計(jì)報告。

在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生已經(jīng)掌握了組合邏輯電路、時序邏輯電路以及中大規(guī)模電路設(shè)計(jì)的方法。因此，在課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，計(jì)劃引入綜合性的小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而系統(tǒng)選題的設(shè)計(jì)是非常重要，要求綜合考慮各方面問題。首先，課題的難度要合適，既要保障大部分學(xué)生通過上學(xué)期的學(xué)習(xí)以后，能夠設(shè)計(jì)出給定的數(shù)字系統(tǒng)；同時，要求學(xué)生需要花費(fèi)一定的精力進(jìn)行思考和分析才能完成。其次，課題的內(nèi)容要與實(shí)際相結(jié)合。與學(xué)生生活相關(guān)的數(shù)字系統(tǒng)，能夠吸引學(xué)生的興趣，并激發(fā)學(xué)生研究的熱情。部分課程設(shè)計(jì)題目如下：

設(shè)計(jì)1：設(shè)計(jì)并制作一個帶有校時功能、可定時起鬧的數(shù)字電子鐘。

（1）計(jì)時以24小時為一個周期；

（2）“時”、“分”采用十進(jìn)制數(shù)字顯示；

（3）“秒”信號采用小數(shù)點(diǎn)顯示，具體為驅(qū)動發(fā)光二極管；

（4）要求具有校準(zhǔn)時間功能，可調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)時間或指定時間；

（5）要求具有鬧鈴功能，可以設(shè)定鬧鈴時間，并按時發(fā)出聲音，且發(fā)出的聲音長短可調(diào)；

設(shè)計(jì)2：設(shè)計(jì)一個運(yùn)算器系統(tǒng)。

（1）要求能夠進(jìn)行8位數(shù)字的加、減、乘、除四則運(yùn)算；

（2）要求能夠顯示操作數(shù)以及運(yùn)算結(jié)果；

（3）要求源操作數(shù)和目的操作數(shù)能夠在四個不同的寄存器間任意選擇；

RSA數(shù)字簽名方案主要由三個部分組成：密鑰生成算法、簽名算法、驗(yàn)證算法。下面給出RSA數(shù)字簽名算法的代碼實(shí)現(xiàn)。

（4）要求能夠提供“溢出”報警信號。

設(shè)計(jì)3：設(shè)計(jì)一個汽車尾燈控制電路。

（1）汽車左右各具有三個尾燈，共計(jì)六個。設(shè)計(jì)兩個控制開關(guān)，具有四種組合，分別代表汽車的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停車四個狀態(tài)；

（2）系統(tǒng)運(yùn)行如下：汽車正常前進(jìn)時，六個燈全亮；汽車右轉(zhuǎn)時，右邊的三個燈自左向右順序循環(huán)點(diǎn)亮；汽車左轉(zhuǎn)時，左邊的三個尾燈自右向左順序循環(huán)點(diǎn)亮；汽車停車時六個燈全部隨CP時鐘閃爍；

（3）添加譯碼器和七段顯示數(shù)碼管，用于顯示汽車前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停車，對應(yīng)七段數(shù)碼管的顯示分別為：D、L、R、P；

（4）最后，添加蜂鳴器，用于在轉(zhuǎn)向時，發(fā)出示警聲音。

（三）教學(xué)實(shí)施方式

數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)計(jì)劃安排在本科二年級下半年的前五周，每周半天4節(jié)課，共計(jì)20個課時。學(xué)生可以在給定的課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)中選擇一個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）制定出設(shè)計(jì)方案；

（2）選定合適的器件，畫出邏輯圖；

（3）畫出集成電路芯片布局布線圖；

（4）利用仿真軟件，進(jìn)行調(diào)試；

（5）寫出設(shè)計(jì)報告并提出改進(jìn)意見。

具體實(shí)施方式為：第一次課程結(jié)束后，課程組長組織組員選定題目，討論課程設(shè)計(jì)的具體分工和實(shí)施計(jì)劃，并遞交計(jì)劃文檔。中間的三周為具體實(shí)施階段，指導(dǎo)老師每次課程中需要檢查各小組的實(shí)施進(jìn)展，了解遇到的問題，并討論解決方案；最后一周學(xué)生需要書寫課程設(shè)計(jì)報告，并設(shè)計(jì)課程PPT，展示所設(shè)計(jì)的成果，向全班學(xué)生講解其系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

（四）課程考核方法

課程的考核成績?yōu)槿齻€部分，其中：課程設(shè)計(jì)報告占50%，課程匯報占20%，平時表現(xiàn)占30%。上述三項(xiàng)一項(xiàng)不合格則整體成績不合格，設(shè)計(jì)報告雷同者成績不合格。

課程設(shè)計(jì)報告內(nèi)容包括：

（1）問題描述與分析（設(shè)計(jì)任務(wù)）；

（2）背景知識；

（3）設(shè)計(jì)思路和內(nèi)容；

（4）對關(guān)鍵電路進(jìn)行分析；

（5）測試以及結(jié)果分析；

（6）總結(jié)。

所選設(shè)計(jì)難度不同，完善程度不同等均影響到最終成績判定。設(shè)計(jì)內(nèi)容上只提出基本設(shè)計(jì)要求，只達(dá)到基本要求者，僅能獲得基本分，學(xué)生需要發(fā)揮想象力，擴(kuò)充電路功能才能評優(yōu)。課程匯報的評價方式為：現(xiàn)場學(xué)生對每組的匯報進(jìn)行打分，教師根據(jù)學(xué)生的評價計(jì)算加權(quán)分值。平時表現(xiàn)通過考勤以及對本次課程設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行考核，用于區(qū)分組內(nèi)成員之間的分值，具體由指導(dǎo)老師進(jìn)行評價。

三、結(jié)束語

本文分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)數(shù)字邏輯課程實(shí)踐教學(xué)中的不足，并引入了數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。講解了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建方法，設(shè)計(jì)了具體的課程設(shè)計(jì)案例，分析了教學(xué)實(shí)施方式，并給出了課程的考核方法。通過引入小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，完善了數(shù)字邏輯課程的實(shí)踐教學(xué)體系，提高了學(xué)生對數(shù)字邏輯課程的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識，提升了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力以及工程項(xiàng)目思維和素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]盛建倫，劉淑霞，王勇，等.數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（4）：216-219.

[2]詹瑾瑜，廖建明.數(shù)字邏輯課程教學(xué)方法研究與探討[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（2）：91-94.

[3]肖娟，張雯.轉(zhuǎn)型發(fā)展中數(shù)字邏輯課程教學(xué)改革研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2015（9）：17-19.

[4]唐志強(qiáng).計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)的改革與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（10）：182-184.

[5]徐銀霞.Multisim12.0仿真軟件輔助數(shù)字邏輯課程教學(xué)的研究[J].教育教學(xué)論壇，2015（7）：233-234.

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）03-0066-02

*基金項(xiàng)目：安徽省高等教育振興計(jì)劃項(xiàng)目（2013zytz008），安徽省高等教育振興計(jì)劃“重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目”（2013zdjy040），安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項(xiàng)目（2014jyxm048）

作者簡介：王華彬（1983-），男，博士，安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)改革，模式識別和人工智能。