以計(jì)算思維為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯課程教學(xué)研究

徐娟，石雷，畢翔

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥230009）

1 背景

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)（以下簡稱數(shù)字邏輯）課程是計(jì)算機(jī)類相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等課程的先導(dǎo)課程[1]，在整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件的知識(shí)體系中占有重要地位，肩負(fù)著引導(dǎo)學(xué)生了解計(jì)算機(jī)硬件組成，掌握其工作原理并進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件電路分析與設(shè)計(jì)的重要使命。因此，如何提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)出軟硬兼?zhèn)涞挠?jì)算機(jī)工程高級專門人才，是我們在數(shù)字邏輯課程教學(xué)研究中需要首先解決的問題[2-3]。然而，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)字邏輯課程教學(xué)面臨著新的問題和挑戰(zhàn)：一是課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐脫節(jié)；二是MOOC等新教學(xué)模式的出現(xiàn)，徹底突破了傳統(tǒng)“固定課堂+固定教師+固定內(nèi)容”的教學(xué)方式[4-5]；三是當(dāng)前計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中“欺軟怕硬”和“唯工具論”的現(xiàn)象比較突出。為了應(yīng)對上述問題，近年來國內(nèi)外高等教育界大力倡導(dǎo)通過計(jì)算思維的培養(yǎng)來改革計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的教學(xué)[6-7]。

2 以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程教學(xué)改革現(xiàn)狀

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，其特點(diǎn)是形式化的表示和機(jī)械化的執(zhí)行，本質(zhì)內(nèi)容是抽象和自動(dòng)化，涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[8]。以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程教學(xué)改革目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維意識(shí)和方法，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中具備從本質(zhì)上和全局上解決問題的能力，從而能夠更深層次地理解計(jì)算機(jī)科學(xué)[9]。近年來，美國NSF持續(xù)支持眾多計(jì)算思維訓(xùn)練與人才培養(yǎng)方面的研究項(xiàng)目[10]，我國的陳國良院士[11]、李廉教授[12]、戰(zhàn)德臣教授[7]等多名計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)軍學(xué)者也一直倡導(dǎo)圍繞計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)改革。2013年5月，教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布了《計(jì)算思維教學(xué)改革宣言》[13]。經(jīng)過4年多的發(fā)展，目前各高校已基本形成共識(shí)，即計(jì)算機(jī)相關(guān)課程教學(xué)改革的重要方向之一就是以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維為導(dǎo)向，進(jìn)行課程實(shí)踐和探索[14]。

3 以計(jì)算思維為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯課程教學(xué)體系

結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)的時(shí)代特征，教學(xué)目標(biāo)是通過“課程授課—小班討論課—課程實(shí)驗(yàn)”組織形式的基本教學(xué)體系及內(nèi)容組織方式，著力挖掘數(shù)字邏輯課程的計(jì)算思維屬性。在課程講授中，教師要講透計(jì)算思維在數(shù)字邏輯課程中的表現(xiàn)，突出“問題—計(jì)算—可計(jì)算與可實(shí)現(xiàn)”的思考過程；通過教學(xué)形式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考評機(jī)制的改革和實(shí)踐，探索以計(jì)算思維為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯課程教學(xué)新模式，為適應(yīng)我國信息技術(shù)的發(fā)展培養(yǎng)出更多具有計(jì)算思維的高級專門人才。

3.1 改革教學(xué)形式，加強(qiáng)師生互動(dòng)

傳統(tǒng)“固定課堂+固定教師+固定內(nèi)容”的教學(xué)方式已經(jīng)無法適應(yīng)MOOC時(shí)代知識(shí)學(xué)習(xí)的要求，有必要在原有課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，增加小班討論課的課外教學(xué)環(huán)節(jié)，通過建設(shè)課程網(wǎng)站讓學(xué)生進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。目前，我校數(shù)字邏輯課程總學(xué)時(shí)48學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)8學(xué)時(shí)。眾所周知，在48學(xué)時(shí)中想涵蓋數(shù)字邏輯的全部內(nèi)容、面面俱到是不可能的，因此，教師在授課過程中往往壓縮了很多外延內(nèi)容，而只保留核心的知識(shí)點(diǎn)。對于計(jì)算思維的培養(yǎng)而言，外延知識(shí)往往會(huì)對學(xué)生起到更好的啟發(fā)和引導(dǎo)效果，因此可以另外設(shè)置8學(xué)時(shí)的小班討論課，使學(xué)生利用課余時(shí)間通過課程網(wǎng)站的交互形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。線上學(xué)習(xí)中，規(guī)定3～4名學(xué)生為一個(gè)小組，小組內(nèi)學(xué)生自由組合，每組安排不同的報(bào)告主題和任務(wù)，學(xué)生在課余時(shí)間自行收集和整理報(bào)告內(nèi)容，任課教師或者助教在指定時(shí)間內(nèi)在線參與小組討論和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，最終要求學(xué)生定時(shí)提交任務(wù)報(bào)告。

小班討論課的落實(shí)是MOOC時(shí)代數(shù)字邏輯課程教學(xué)方式的變革，能夠提供更為靈活便捷的教學(xué)手段和豐富多樣的教學(xué)內(nèi)容。以“半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展與應(yīng)用”為主題的小班討論課為例，我們建議學(xué)生以“半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)及應(yīng)用現(xiàn)狀”為主線，從多個(gè)方面收集素材并進(jìn)行學(xué)習(xí)調(diào)研，如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展歷程、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、目前主流的廠家及最新產(chǎn)品、未來半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展趨勢等。通過這種教學(xué)形式，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)關(guān)注和了解與課程相關(guān)的工業(yè)界發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)水平。學(xué)生感受到自己所學(xué)的知識(shí)在工程技術(shù)領(lǐng)域中大有可為，會(huì)極大地激發(fā)對所學(xué)專業(yè)課程的興趣，催生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力。更重要的是，雖然數(shù)字邏輯課程中涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的內(nèi)容比較淺顯，但是其代表的約束優(yōu)化問題卻是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的根本問題。從產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計(jì)和開發(fā)的全生命周期而言，如何在一定的成本、設(shè)計(jì)代價(jià)和時(shí)間約束下滿足產(chǎn)品功能需求，這才是研發(fā)人員需要具備的重要能力，也是計(jì)算思維能力的重要體現(xiàn)。

3.2 精心組織教學(xué)內(nèi)容，講透基本原理

計(jì)算思維在數(shù)據(jù)邏輯課程內(nèi)容中應(yīng)該均有體現(xiàn)。教師需要針對教學(xué)大綱中所涉及的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，講清楚知識(shí)點(diǎn)從何而來，知識(shí)點(diǎn)形式化表述、建模與解決方法，以及知識(shí)點(diǎn)對于計(jì)算及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵作用這3個(gè)方面的內(nèi)容。課堂講授環(huán)節(jié)應(yīng)該堅(jiān)持把基本問題、基本原理和基本方法講透徹、講明白的原則，輔之以工業(yè)界實(shí)際應(yīng)用技術(shù)和案例，說明基本問題、基本原理和基本方法的來龍去脈、重要性及應(yīng)用方法。與具體工具和技能相關(guān)的訓(xùn)練，應(yīng)該在小班討論課和實(shí)驗(yàn)課中有所加強(qiáng)，以更加活躍、輕松和便于互動(dòng)的方式呈現(xiàn)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)自主發(fā)掘問題從何而來、實(shí)際用途等。此外，教師要有意地引導(dǎo)這兩個(gè)部分的教學(xué)環(huán)境，使二者能進(jìn)行有效且良性的互動(dòng)。

3.3 開展研究性教學(xué)，著力提升討論課質(zhì)量

數(shù)字邏輯是整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)體系中的奠基課程，也是計(jì)算機(jī)類相關(guān)專業(yè)的一門核心主干課程。教師在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)該強(qiáng)調(diào)理解一門技術(shù)比學(xué)會(huì)一門技術(shù)更重要，引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算機(jī)的角度理解問題、建立模型和思考問題，嘗試自主給出解決方案。

基于這一指導(dǎo)思想，我們嘗試采用研究性教學(xué)模式，以問題為中心，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)、研究能力和創(chuàng)新精神。研究性教學(xué)是指教師通過對課程內(nèi)容及教學(xué)活動(dòng)的精心設(shè)計(jì)和組織，靈活創(chuàng)設(shè)情境，利用設(shè)疑引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生投入問題情景的發(fā)現(xiàn)、探究和解答中的一種師生互動(dòng)型教學(xué)形式。研究性教學(xué)的教學(xué)模式靈活多樣，可以綜合運(yùn)用基于問題的教學(xué)模式、網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)、案例教學(xué)、研討式學(xué)習(xí)等。如何將這些形式多樣的研究性教學(xué)模式貫穿到數(shù)字邏輯的教學(xué)活動(dòng)中，并切實(shí)達(dá)到師生互動(dòng)、教學(xué)相長的優(yōu)質(zhì)教學(xué)效果，是我們研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。例如，在學(xué)習(xí)時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以從日常生活中隨處可見的“搶答器電路”這一實(shí)際問題引入，先分析實(shí)際搶答中的設(shè)計(jì)規(guī)則和依據(jù)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)序電路的邏輯問題，使學(xué)生在尋求解決問題的過程中具備時(shí)序電路的分析和設(shè)計(jì)能力。

3.4 設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)課程，變驗(yàn)證性為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

數(shù)字邏輯總課時(shí)為48個(gè)課時(shí)，其中40個(gè)理論課時(shí)，8個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比例為5:1，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對較少。在有限的實(shí)驗(yàn)課中，目前各高校多采用一些固化的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如基本邏輯門的驗(yàn)證、常用中規(guī)模組合模塊的芯片功能驗(yàn)證等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，即使尚未理解芯片功能的工作原理，只要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的操作提示，在實(shí)驗(yàn)箱上插接集成電路芯片和連接線，撥動(dòng)開關(guān)，觀察指示燈，也可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。這樣“照本宣科”式的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)操作容易造成部分學(xué)生不求甚解、蒙混過關(guān)，無法達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

事實(shí)上，對于數(shù)字邏輯這種理論性和實(shí)踐性并重的專業(yè)基礎(chǔ)課而言，針對書本上的理論知識(shí)如數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與分析，教師如果只是單純課堂講授，學(xué)生很難清晰、準(zhǔn)確和直觀地理解。只有開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，才能使學(xué)生對抽象問題具象化，加深對理論的理解，從而真正將計(jì)算思維應(yīng)用到解決現(xiàn)實(shí)問題的過程中。因此，我們探討基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字邏輯實(shí)踐教學(xué)模式，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，分成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、一般設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)這3個(gè)層次。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握數(shù)字邏輯的基本理論、實(shí)驗(yàn)規(guī)范、數(shù)字電路測試及故障排查，進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。例如，全加器實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用數(shù)據(jù)選擇器74LS153設(shè)計(jì)一個(gè)全加器，學(xué)生需要掌握數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)的基本操作方法，完成對數(shù)據(jù)選擇器74LS153的功能驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)分析數(shù)字電路的設(shè)計(jì)任務(wù)，并提出相應(yīng)的解決辦法，為后續(xù)的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

一般設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握簡單數(shù)字邏輯電路的分析方法和設(shè)計(jì)方法。例如，多人表決器實(shí)驗(yàn)是組合邏輯電路的典型任務(wù)，可以讓學(xué)生掌握組合電路設(shè)計(jì)的基本原理和方法，將課堂上講授的“邏輯問題—真值表—邏輯表達(dá)式—邏輯電路”等相關(guān)知識(shí)切實(shí)運(yùn)用到實(shí)際問題的解決中。學(xué)生通過實(shí)際電路連接，可以直觀地看到模擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，極大地鼓舞學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生對數(shù)字電路系統(tǒng)的綜合分析和設(shè)計(jì)能力。例如，基于FPGA的交通信號燈控制器實(shí)驗(yàn)是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，主要由FPGA芯片、譯碼器、定時(shí)器、脈沖信號發(fā)生器等模塊組成，是對組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的綜合應(yīng)用。學(xué)生需要在FPGA的開發(fā)環(huán)境中，完成系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)、功能模擬和時(shí)序模擬，最后下載到器件上進(jìn)行實(shí)踐操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程完全按照實(shí)際工程項(xiàng)目的開發(fā)流程進(jìn)行，啟發(fā)學(xué)生以計(jì)算思維的意識(shí)和方法分析和解決問題。

3.5 加強(qiáng)平時(shí)考查，形成綜合考評機(jī)制

數(shù)字邏輯課程成績的構(gòu)成和評定方法在開課時(shí)公布于課程網(wǎng)站，其中期末考試的成績占40%，課堂測試占15%，作業(yè)撰寫占15%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占15%，小班討論占15%。平時(shí)成績中，各個(gè)環(huán)節(jié)的成績在該項(xiàng)考核內(nèi)容結(jié)束后隨即輸入課程網(wǎng)站，避免課程結(jié)束統(tǒng)一錄入各個(gè)環(huán)節(jié)成績時(shí)可能出現(xiàn)系統(tǒng)不確定等情況，通過設(shè)計(jì)嚴(yán)格、合理和有效的考評機(jī)制，評估和提升課程的教學(xué)效果。一方面，這些措施可以改變少數(shù)學(xué)生平時(shí)不學(xué)、考前突擊的不良學(xué)習(xí)習(xí)慣；另一方面，也可以更加客觀、全面地評價(jià)學(xué)生在課程各個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效果和綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語

以計(jì)算思維為導(dǎo)向的課程改革是近年來計(jì)算機(jī)相關(guān)課程教學(xué)改革的重要方向。我們以挖掘數(shù)字邏輯課程的計(jì)算思維屬性為目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)課程，創(chuàng)新教學(xué)形式，豐富教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生以計(jì)算思維分析問題和解決問題的能力，為建立符合時(shí)代特征的以計(jì)算思維為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯教學(xué)模式提供了新思路。

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