計(jì)算機(jī)類專業(yè)數(shù)字邏輯課程體系建設(shè)研究

王華彬 周健 李學(xué)俊

摘 要：現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)類專業(yè)數(shù)字邏輯課程體系缺乏系統(tǒng)性，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容缺乏工程規(guī)模。為了滿足系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，首先構(gòu)建合理的數(shù)字邏輯課程知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)與后續(xù)課程知識(shí)的良好銜接；其次構(gòu)建適合計(jì)算機(jī)類專業(yè)本科生學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)工程實(shí)踐項(xiàng)目；最后把工程化項(xiàng)目合理引入課堂理論教學(xué)過程，在講授原理性知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程項(xiàng)目分析和設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯；實(shí)踐教學(xué)；系統(tǒng)能力

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）24-0085-03

Abstract： The existing digital logic course system is lack of systematicness in computer major ， and the practical teaching content is lack of engineering scale. In order to meet the requirements of system capability， first of all， constructing a rational knowledge system of digital logic course， to achieve a good connection with the knowledge of the follow-up courses； secondly， the construction of digital system engineering practice project suitable for the study and design of computer major undergraduate students； finally， introducing engineering project into the course of classroom theory teaching， training students engineering project analysis and design ability， at the same time， teaching principles of knowledge.

Keywords： digital logic； practice teaching； system capability

一、概述

2015年11月15日，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布了“基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程建設(shè)報(bào)告”，報(bào)告指出，當(dāng)前我國(guó)計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)中存在一些普遍性問題：“課程知識(shí)體系缺乏系統(tǒng)性，學(xué)生不能很好地建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀念，且實(shí)踐過程中缺乏足夠的工程訓(xùn)練規(guī)模與難度”。在此背景下，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出：在高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)中推動(dòng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重大課題。

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力”指能夠理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和開放性，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制，并綜合運(yùn)用多種知識(shí)與技術(shù)完成全系統(tǒng)開發(fā)的能力。以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)改革，是指將本科生自主設(shè)計(jì)“一臺(tái)功能計(jì)算機(jī)、一個(gè)操作系統(tǒng)核心、一個(gè)編譯系統(tǒng)”確立為教學(xué)目標(biāo)，并據(jù)此重構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程群（這里特指“數(shù)字邏輯”“計(jì)算機(jī)組成”“操作系統(tǒng)”“編譯原理”四門課程），形成邊界清晰且有序銜接的課程群知識(shí)體系[1]，在實(shí)驗(yàn)體系規(guī)劃上強(qiáng)調(diào)按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程規(guī)模開發(fā)系統(tǒng)，同時(shí)注重探索系統(tǒng)開發(fā)的工程化方法以提高學(xué)生達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度[2]。

經(jīng)過以上分析可知，“數(shù)字邏輯”是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)體系構(gòu)建的首要環(huán)節(jié)，而現(xiàn)有的課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法難以滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，當(dāng)前數(shù)字邏輯課程理論和實(shí)踐教學(xué)存在的問題如下[3][4]：

（一）知識(shí)體系難以滿足系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是一個(gè)完整的體系，強(qiáng)調(diào)課程之間知識(shí)的整合和銜接。而“數(shù)字邏輯”課程是一個(gè)獨(dú)立的知識(shí)體系，強(qiáng)調(diào)完整性，相關(guān)知識(shí)比較全面，但是忽略了和后續(xù)課程知識(shí)的相關(guān)性，不能有效整合與銜接，使得學(xué)生難以系統(tǒng)地理解課程知識(shí)體系。

（二）實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容缺乏工程規(guī)模

數(shù)字邏輯課程的實(shí)踐教學(xué)只是簡(jiǎn)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(jiǎn)單的電路，學(xué)生往往不知器件的實(shí)際用途，也不會(huì)利用所學(xué)的知識(shí)組合設(shè)計(jì)應(yīng)用性電路系統(tǒng)；學(xué)生只是學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)方法，缺乏開發(fā)具有工程規(guī)模系統(tǒng)的實(shí)踐。雖然小規(guī)模實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到讓學(xué)生基本理解、掌握系統(tǒng)運(yùn)行原理和初步具備系統(tǒng)開發(fā)能力的目的，但由于缺乏足夠的工程工作量，使得復(fù)雜系統(tǒng)中存在的較為深刻的問題難以暴露。因此，學(xué)生雖然經(jīng)過了訓(xùn)練，但卻因訓(xùn)練強(qiáng)度不足，不能對(duì)系統(tǒng)有較為深刻的認(rèn)識(shí)，也就無法完成具有工程規(guī)模的系統(tǒng)級(jí)開發(fā)。

（三）缺乏工程性，綜合式教學(xué)方法

數(shù)字邏輯課程涉及較多的基本概念和硬件知識(shí)，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。傳統(tǒng)教學(xué)過程主要突出原理性、分析式教學(xué)方法，缺乏工程性、綜合式教學(xué)方法；突出原理性知識(shí)的傳授，注重是什么，有什么，而往往沒有講授一套有效的工程性構(gòu)建方法。學(xué)生雖然知道基本概念，卻難以完成具有一定規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。

因此，現(xiàn)有的“數(shù)字邏輯”課程，強(qiáng)調(diào)了知識(shí)體系的完整性，忽略了與后續(xù)課程之間的銜接；完成了大量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，欠缺開發(fā)一定工程規(guī)模系統(tǒng)的實(shí)踐訓(xùn)練；突出原理性知識(shí)的傳授，沒有講授一套有效的工程性構(gòu)建方法[5]。

為了在計(jì)算機(jī)類專業(yè)中推動(dòng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革，本文擬對(duì)基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的“數(shù)字邏輯”課程教學(xué)體系建設(shè)方案進(jìn)行改革探索，包括：構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程知識(shí)體系，設(shè)計(jì)面向工程應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，研究工程化項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法等。

二、基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的數(shù)字邏輯課程體系建設(shè)方案

構(gòu)建符合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求的數(shù)字邏輯課程體系，主要包括以下內(nèi)容：構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)與后續(xù)課程的遞進(jìn)式銜接；建立面向工程應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)體系，并研究工程化項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的課堂教學(xué)方法，提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力以及工程項(xiàng)目思維和素養(yǎng)。其中，需要重點(diǎn)研究的問題包括：

1. 如何根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，構(gòu)建合理的數(shù)字邏輯課程知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)與后續(xù)課程知識(shí)的良好銜接。

2. 如何構(gòu)建適合計(jì)算機(jī)類專業(yè)二年級(jí)本科生學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)工程實(shí)踐項(xiàng)目，既能達(dá)到教學(xué)效果，又不至于因?yàn)轫?xiàng)目過于復(fù)雜，打擊學(xué)生積極性。

3. 如何把工程化項(xiàng)目合理引入課堂理論教學(xué)過程，在講授原理性知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程項(xiàng)目分析和設(shè)計(jì)能力。

（一）構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程知識(shí)體系

基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的數(shù)字邏輯課程在知識(shí)體系總量上與以往的教學(xué)模式?jīng)]有太大的差別，但需要針對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)目的、技術(shù)途徑和方法，對(duì)各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在教學(xué)學(xué)時(shí)和講解重點(diǎn)上進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充。因此，本文面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求，以《計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范》（CSCE）為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮課程銜接和實(shí)驗(yàn)工程性和規(guī)模性，研究數(shù)字邏輯課程所涉及的知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)以及和后續(xù)課程之間的關(guān)系，最終建立符合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的主要知識(shí)體系。

在系統(tǒng)能力培養(yǎng)中，數(shù)字邏輯知識(shí)體系是計(jì)算機(jī)組成原理的邏輯知識(shí)和處理器設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)單應(yīng)用的基礎(chǔ)，重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)是數(shù)值編碼、組合電路設(shè)計(jì)、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)、寄存器（狀態(tài)存儲(chǔ)器件）、寄存器傳輸控制和可編程技術(shù)。在課程知識(shí)點(diǎn)銜接上要強(qiáng)調(diào)寄存器傳輸控制，同時(shí)在課程教學(xué)中增加信號(hào)接口的一般性概念介紹。表1所示為本文擬構(gòu)建的面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的數(shù)字邏輯知識(shí)體系，主要包括：數(shù)據(jù)表示，數(shù)字系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)，接口通信等知識(shí)單元。

與現(xiàn)有的數(shù)字邏輯課程知識(shí)體系相比較，一方面：深入講解寄存器、存儲(chǔ)器、譯碼器，等與后續(xù)課程相關(guān)的知識(shí)模塊（表2為數(shù)字邏輯課程的知識(shí)模塊和其他課程之間的關(guān)聯(lián)表）；同時(shí)，增加數(shù)字系統(tǒng)接口通信知識(shí)模塊的教學(xué)，要求學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)VGA接口的訪問，通過VGA在顯示器上顯示字符或者圖案。

（二）建立面向工程應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)體系

1. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

數(shù)字邏輯實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生需實(shí)用硬件實(shí)驗(yàn)箱或EDA軟件工具，完成包括譯碼器、加法器、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、寄存器等一系列計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)硬件組件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。學(xué)生在完成這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同時(shí)，就完成了指令譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、ALU、數(shù)碼寄存器、移位寄存器和寄存器堆、32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、程序計(jì)數(shù)器、乘法單元等 CPU 主要功能部件的設(shè)計(jì)。這些功能部件將在后續(xù)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中被直接使用。

“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容主要包含兩個(gè)方面，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用性系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這二類實(shí)驗(yàn)的前提是學(xué)生已經(jīng)掌握所涉及的知識(shí)，通過實(shí)驗(yàn)，鞏固、加深和拓寬學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。擬構(gòu)建的“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”教學(xué)體系，計(jì)劃安排9次，共計(jì)36個(gè)學(xué)時(shí)，擬設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如表3。

2. 課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

增加數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用Verilog硬件描述語言和軟件工具，設(shè)計(jì)面向工程應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的習(xí)慣，激發(fā)其創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力。具體設(shè)計(jì)過程中，要求學(xué)生查手冊(cè)比較相關(guān)器件的差別，選定合適的器件，制定出設(shè)計(jì)方案，并畫出邏輯圖；畫出集成電路芯片布局布線圖；安裝、調(diào)試通過并比較其他不同的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)報(bào)告并提出改進(jìn)意見。擬設(shè)計(jì)的部分面向工程應(yīng)用的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目如表4。

3. 數(shù)字系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)搭建

現(xiàn)有的基于數(shù)字邏輯課程實(shí)驗(yàn)箱一般是基于“邏輯門電路+插線”的方式，只能做簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法滿足數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。因此，必須設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。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(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)有所幫助。

本文計(jì)劃設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)如下：

包含傳統(tǒng)的IC插座，支持使用基本的74系列芯片進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的應(yīng)用性設(shè)計(jì)。目的是為了讓學(xué)生對(duì)基本芯片和簡(jiǎn)單電路連接有直觀的認(rèn)識(shí)。

包含F(xiàn)PGA芯片I/O接口，支持軟件編寫小型數(shù)字系統(tǒng)，學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計(jì)以及Verilog HDL硬件編程語言，用于小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（三）探究工程化項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的課堂教學(xué)方法

“數(shù)字邏輯”課程課堂教學(xué)中需要引入“工程化項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)方法，將主要授課內(nèi)容融入到一個(gè)個(gè)項(xiàng)目中去，構(gòu)建項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)體系。

“工程化項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)法是基于工作過程的一種探究式教學(xué)方法，由教師將所要學(xué)習(xí)的新知識(shí)隱含在一個(gè)或幾個(gè)基于工作過程為導(dǎo)向的項(xiàng)目之中，學(xué)生通過自己對(duì)工作過程的項(xiàng)目進(jìn)行分析、討論，明確工作過程的項(xiàng)目大體涉及哪些知識(shí)，在老師的指導(dǎo)和幫助下找出解決問題的方法，最后通過項(xiàng)目的完成而實(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的傳授?；谝怨ぷ鬟^程為導(dǎo)向的“工程化項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)法與傳統(tǒng)的教學(xué)法相比，主要有三大轉(zhuǎn)變：以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以課本為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目為中心，以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨ぷ鬟^程為中心。

“工程化項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)法在“數(shù)字邏輯”課程中應(yīng)用，正是基于數(shù)字邏輯課程具有較強(qiáng)實(shí)踐性的特點(diǎn)，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)不可能完全分開，在課堂教學(xué)中引入相應(yīng)的小型電路系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施教學(xué)，可以起到事半功倍的效果。

三、結(jié)束語

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)類專業(yè)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，數(shù)字邏輯課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的首要環(huán)節(jié)，因此，本文研究的內(nèi)容是當(dāng)前國(guó)內(nèi)本科教學(xué)改革的主流和前沿；另外“工程教育認(rèn)證”是當(dāng)前國(guó)內(nèi)本科高校的重要工作內(nèi)容之一，認(rèn)證要求學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力，現(xiàn)有的數(shù)字邏輯課程教學(xué)難以滿足工程認(rèn)證要求，經(jīng)過本文的研究，通過建立面向工程應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)體系，在教學(xué)中引入工程化數(shù)字系統(tǒng)項(xiàng)目，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

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