ChatGPT在數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

林云霞 李本田

摘要：針對當(dāng)前數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程教學(xué)存在的問題，本文嘗試將ChatGPT引入該課程的整個教學(xué)過程，從解釋抽象概念、提供個性化答疑和輔導(dǎo)、實現(xiàn)虛擬仿真、輔助實驗四個角度探討了ChatGPT在數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用。ChatGPT作為一種新型的教學(xué)輔助工具，在數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程中展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用前景。通過充分利用ChatGPT的優(yōu)勢，可以幫助教師提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和理解能力，為數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程的教學(xué)提供新的可能性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯電路設(shè)計；ChatGPT；課程教學(xué)；應(yīng)用探討

中圖分類號：G42? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0159-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程是一門電子工程和計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的課程，主要教授學(xué)生數(shù)字邏輯電路的基本概念、原理和設(shè)計技巧。這門課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、問題解決能力和電路設(shè)計技能，為培養(yǎng)從事半導(dǎo)體、芯片設(shè)計和計算機(jī)硬件的信息技術(shù)專業(yè)人才提供必要的支撐。然而，當(dāng)前數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程教學(xué)存在一些挑戰(zhàn)和問題，如學(xué)生難以理解抽象的數(shù)學(xué)概念和模型，知識點繁雜，實踐機(jī)會較少，學(xué)生難以學(xué)以致用?；贕PT（生成式預(yù)訓(xùn)練轉(zhuǎn)換）技術(shù)，ChatGPT（Generative Pre-trained Transformer） 通過對大量語料庫進(jìn)行無監(jiān)督學(xué)習(xí)，從中學(xué)習(xí)自然語言的語法規(guī)則和上下文關(guān)系，能夠生成符合自然語言習(xí)慣的文本，從而可以用于模擬自然對話或回答問題。這使得它能夠用自然語言處理用戶的查詢、提供答案、解釋概念、編寫文本等。鑒于ChatGPT自身所具有的能力，本文對ChatGPT作為教學(xué)工具應(yīng)用于整個數(shù)字邏輯電路設(shè)計的教學(xué)過程展開探討，以期充分利用其優(yōu)勢解決長期存在于數(shù)字邏輯電路設(shè)計教學(xué)過程中的問題，從而大幅提升該課程初學(xué)者的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，深化學(xué)生概念理解，提高學(xué)生參與度，并為學(xué)生提供更靈活的數(shù)字邏輯電路設(shè)計學(xué)習(xí)體驗，進(jìn)一步提升數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程的教學(xué)成效。

1 課程現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 多角度改革

針對數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)中存在的問題，國內(nèi)眾多高校教師從多個角度采取了一系列措施和針對性改革，如教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)方法的改革、虛擬仿真工具的使用、混合教學(xué)模式的使用、實踐教學(xué)的改進(jìn)、課程考核的改革、校企協(xié)同育人。在教學(xué)內(nèi)容調(diào)整方面，汪美霞等[1]增加關(guān)于HDL硬件描述語言的內(nèi)容，引入相關(guān)實例和講解。肖春寶等[2]從專業(yè)本身角度出發(fā)，提出部分內(nèi)容可不必深究，如集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，另外教學(xué)內(nèi)容應(yīng)與時俱進(jìn)，適當(dāng)拓展前沿理論知識和內(nèi)容。從教學(xué)方法的改革角度，林純等[3]提出根據(jù)教學(xué)大綱，結(jié)合教學(xué)總學(xué)時，為每個章節(jié)制定特定的教學(xué)形式和學(xué)時。從虛擬仿真工具的使用角度，汪美霞等[1]引入類似Logsim等電路仿真工具，充分利用仿真工具對邏輯電路進(jìn)行動態(tài)演示，從而使得電路原理更加清晰直觀、生動形象。此外，還可將仿真工具作為學(xué)生自我學(xué)習(xí)的輔助工具。馬習(xí)平等[4]利用Logsim仿真軟件設(shè)計課程教學(xué)案例和實驗內(nèi)容。從混合教學(xué)模式的使用角度，汪美霞等[1]采用線上課程與課堂教學(xué)過程融合的教學(xué)模式，除課堂教學(xué)外，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)完善課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)等環(huán)節(jié)。朱正東等[5]提出一種“1+1”MOOC混合教學(xué)模式，即一種“先線上后線下”的教學(xué)方式。該方式要求學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)MOOC中的內(nèi)容以為課堂教學(xué)做好準(zhǔn)備，接下來在線下課堂與授課老師討論相關(guān)知識點，解決課程中的重點和難點問題。從實踐教學(xué)的改進(jìn)角度，汪美霞等[1]提出建立貫通式實驗教學(xué)目標(biāo)、調(diào)整實驗內(nèi)容、注重實驗項目的層次性、創(chuàng)新實驗教學(xué)的實施模式。王華本[6]重點探討該課程的JK觸發(fā)器，借助Proteus仿真工具，通過在Proteus中進(jìn)行仿真實踐，將理論與實踐相結(jié)合，對其功能進(jìn)行了深入分析，總結(jié)出一系列規(guī)律。從課程考核改革的角度，馬習(xí)平等[4]采用多樣化的考核方式，如從考勤、完成預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)和階段性作業(yè)5個方面考量學(xué)生的平時成績，同時將實驗成績的比重提高到20%。肖春寶等[2]以重點考查學(xué)生的分析問題、解決問題的能力為導(dǎo)向，根據(jù)畢業(yè)要求在考試中以分析和設(shè)計題等主觀題為主，允許有不同答案。課程成績包含平時成績、實驗成績和考試成績，合理調(diào)整每項成績的比例。從校企協(xié)同育人的角度，朱學(xué)玲[7]深入分析了校企育人過程中的實際問題，將學(xué)校的理論教學(xué)與企業(yè)的工程相結(jié)合，對數(shù)字邏輯電路課程內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，提升校企融合度和數(shù)字邏輯電路課程與后續(xù)專業(yè)課程的整體融合度。

1.2 問題剖析

經(jīng)過以上一系列教學(xué)改革，數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)取得了一定成效，但仍然存在以下若干問題影響著教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，主要包括：1） 學(xué)生理解難度較高，尤其是基礎(chǔ)較差的學(xué)生，難以理解抽象概念如數(shù)字系統(tǒng)、邏輯運算、Verilog基本語法、基本邏輯電路等，且難以掌握部分重要方法，如邏輯函數(shù)的化簡等；2） 學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和理解能力不同，對學(xué)生來講需要個性化的教學(xué)方式和資源支持；3） 教學(xué)資源不足，一些學(xué)校仍然缺乏足夠的數(shù)字邏輯電路教學(xué)資源和設(shè)備。針對這些問題，可結(jié)合ChatGPT的智能輔助以提升教學(xué)質(zhì)量和效果。

2 ChatGPT的基本原理和功能

ChatGPT 是由OpenAI開發(fā)的一個基于GPT語言模型技術(shù)的問答工具，它是一個高度復(fù)雜的聊天機(jī)器人，能夠完成各種基于文本的請求，包括回答簡單問題以及如生成感謝信這樣更復(fù)雜的任務(wù)。此外，ChatGPT還能夠利用其豐富的數(shù)據(jù)存儲和高效的設(shè)計來理解和解釋用戶的請求，然后生成適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)。

GPT的訓(xùn)練過程包含兩個階段：通過未標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行生成式無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，以及通過有監(jiān)督的區(qū)分性微調(diào)來改善特定任務(wù)的性能。在預(yù)訓(xùn)練階段，模型類似于人在新環(huán)境中自然地學(xué)習(xí)，而微調(diào)階段則涉及更有指導(dǎo)性和結(jié)構(gòu)性的創(chuàng)作者的改進(jìn)。ChatGPT基于GPT-3架構(gòu)，并具有生成類人文本的能力，使其在語言翻譯、生成摘要和問題回答等自然語言處理任務(wù)中能夠發(fā)揮巨大作用。除了對寫作職業(yè)的潛在影響外，ChatGPT還可能對一系列其他行業(yè)產(chǎn)生重大影響。如ChatGPT分析和解釋大量文本的能力，可能有助于文件的研究和準(zhǔn)備工作，這使其可以在法律行業(yè)中發(fā)揮一定作用。此外，ChatGPT對書面作品質(zhì)量的監(jiān)督能力，使其能夠?qū)W(xué)生作業(yè)進(jìn)行評分并提供反饋，可見ChatGPT也可在教育領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

3 ChatGPT在數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 解釋抽象概念

學(xué)生可以通過與ChatGPT交互來幫助自己理解數(shù)字邏輯電路中的抽象概念，如從自己的需求出發(fā)向chatGPT提出關(guān)鍵具體的問題，比如：“什么是邏輯門？”“觸發(fā)器是如何工作的？”等。ChatGPT將提供簡單、清晰的回答，圖1為交互示例。

除此之外，學(xué)生可以描述一個特定的數(shù)字邏輯問題，然后與ChatGPT一起討論如何解決該問題，比如要求ChatGPT構(gòu)建簡單的邏輯電路或解釋一個已存在的電路，圖2為相關(guān)示例。

另外，學(xué)生可以向ChatGPT請教關(guān)于數(shù)字邏輯的具體工作流程，例如從輸入到輸出的邏輯轉(zhuǎn)換過程。ChatGPT可以幫助學(xué)生理解數(shù)字邏輯電路設(shè)計中的模糊概念。學(xué)生可以假設(shè)場景請ChatGPT解釋在該場景下邏輯電路的工作原理，示例如圖3。

以上是學(xué)生利用ChatGPT來幫助自己理解抽象概念的相關(guān)方法，以此可以提升他們數(shù)字邏輯電路設(shè)計這門科目的學(xué)習(xí)效果。另外，學(xué)生也應(yīng)該積極學(xué)習(xí)，多實踐和思考，以鞏固所學(xué)知識。

3.2 個性化答疑和輔導(dǎo)

學(xué)生可以向ChatGPT尋求關(guān)于自身不能解決的練習(xí)題或者問題的解答，從而加強(qiáng)對數(shù)字邏輯電路的理解，示例如圖4。

ChatGPT可以為學(xué)生提供個性化的資源鏈接、書籍推薦等，以便學(xué)生能夠深入了解數(shù)字邏輯電路的相關(guān)知識，如圖5。

通過與ChatGPT進(jìn)行交互，學(xué)生可以獲得個性化的答疑和輔導(dǎo)，同時也可以在自己的學(xué)習(xí)過程中更好地理解和掌握數(shù)字邏輯電路的知識（圖6） 。

3.3 實現(xiàn)虛擬仿真

使用ChatGPT設(shè)計數(shù)字邏輯電路案例和模擬實驗可以幫助學(xué)生理解和實踐數(shù)字邏輯的概念，大致流程包括確定目標(biāo)、提出問題、設(shè)計討論、仿真實驗、分析和評估。具體來說，首先，定義想要設(shè)計和模擬的數(shù)字邏輯電路，可以是具有某種特定邏輯功能的數(shù)字邏輯電路，如加法器、多路選擇器或計數(shù)器等。接下來，與ChatGPT對話，提出與目標(biāo)相關(guān)的問題，詢問關(guān)于電路的輸入輸出關(guān)系、電路的結(jié)構(gòu)或特定元件的行為等方面的問題。然后，與ChatGPT共同討論電路設(shè)計，描述設(shè)計思路，并從ChatGPT那里獲得反饋和建議，討論不同的設(shè)計選擇、元件的選取和連接方式等。接下來，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行數(shù)字邏輯電路的仿真實驗。根據(jù)ChatGPT給出的設(shè)計建議，使用相應(yīng)的仿真軟件（如Logisim、Multisim等）來搭建和驗證電路。最后，通過與ChatGPT的交互，分析和評估電路設(shè)計，討論電路的性能、延遲、功耗等因素，并與ChatGPT一起探討優(yōu)化和改進(jìn)的方法。

值得注意的是，雖然ChatGPT可以提供有關(guān)電路設(shè)計和行為的建議，但它并不是一個完整的仿真工具，仍然需要使用適當(dāng)?shù)碾娐贩抡孳浖眚炞C和評估設(shè)計的數(shù)字邏輯電路。此外，應(yīng)將ChatGPT提供的信息視為參考意見，學(xué)生仍然需要通過實際實驗和進(jìn)一步的學(xué)習(xí)來鞏固和擴(kuò)展自身對數(shù)字邏輯的理解。

3.4 輔助開展實驗

現(xiàn)有數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程實驗教學(xué)存在實驗難度較大、實驗教學(xué)與理論教學(xué)脫軌、實驗前學(xué)生準(zhǔn)備不足等問題，因此，我們設(shè)計了與理論教學(xué)內(nèi)容相匹配且由易到難的5個實驗。每個實驗均引入ChatGPT，明確在實驗前學(xué)生需借助ChatGPT解決的問題，為實驗做足準(zhǔn)備，從而保證實驗效率和質(zhì)量。表1展示了5個實驗的具體內(nèi)容。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程在計算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域的教學(xué)中占據(jù)了重要地位。本文通過探討ChatGPT在數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程中的應(yīng)用，深入研究了其在學(xué)科教育中的潛在優(yōu)勢。ChatGPT作為一種基于自然語言處理的人工智能模型，為數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程的教學(xué)提供了新的可能性。通過與ChatGPT進(jìn)行互動，學(xué)生可以獲得個性化的問題解答、輔導(dǎo)和實驗指導(dǎo)。同時，ChatGPT可以輔助學(xué)生在實驗開始之前理清實驗的基本原理，為實驗的真正展開做好充足準(zhǔn)備，從而大幅提升實驗效率，獲得課程學(xué)習(xí)的成就感。通過充分利用ChatGPT的優(yōu)勢，可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和理解能力，為數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程的教學(xué)注入新的活力。本研究有望為數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程的教學(xué)實踐提供有益的參考和啟示。

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【通聯(lián)編輯：張薇】