從項(xiàng)目實(shí)踐中“揭秘”數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)

王 珂 唐 溢

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，成都 611731）

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)是繼電路分析、模擬電路技術(shù)課程后，電子類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課，該課程擁有學(xué)生開展課外科技創(chuàng)新活動(dòng)所需的必備知識(shí)，是解決工程實(shí)際問題的重要理論和方法的來源。但是，該課程理論性強(qiáng)、實(shí)踐要求高，在新技術(shù)條件下，數(shù)字電路逐漸向高度集成化、智能化發(fā)展。因此，在培養(yǎng)實(shí)用型人才的過程中，對(duì)基礎(chǔ)階段的知識(shí)技能掌握尤為重要。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要偏重于理論授課，但是大部分學(xué)生隨著內(nèi)容的遞進(jìn)、知識(shí)難度的增加，不能很好地和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合到一起，學(xué)習(xí)起來喪失興趣。

如何根據(jù)課程的特點(diǎn)進(jìn)行合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，改善現(xiàn)有的教學(xué)狀況，使學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)際情況分析問題、解決問題，變得尤為重要。而現(xiàn)行的CDIO工程教育模式代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，其教育理念可以很好地解決目前學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程理論知識(shí)時(shí)缺乏工程實(shí)踐能力的現(xiàn)狀。

為了提高數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量，與CDIO教育理念有機(jī)融合，現(xiàn)階段課程的教學(xué)指導(dǎo)思想從理論知識(shí)的集中講授、按圖索驥追求解題技巧轉(zhuǎn)向“CDIO項(xiàng)目實(shí)踐驅(qū)動(dòng)法”，通過不同難度等級(jí)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制作，引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)理論基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高數(shù)字電路的分析設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐意識(shí)[1]。

1 項(xiàng)目實(shí)踐貫穿數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程

1.1 拋出項(xiàng)目

對(duì)于剛接觸一門新課程的學(xué)生來說，興趣至關(guān)重要。首先選用一個(gè)簡單、容易上手但具有代表性的工程項(xiàng)目為切入點(diǎn)，吸引學(xué)生的注意，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生開始本課程學(xué)習(xí)。例如，以“表決器的設(shè)計(jì)與制作”為主題，要求學(xué)生了解該電子產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，查閱資料了解其工作原理，并進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，分組合作研討，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。

1.2 理論儲(chǔ)備

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程是電子類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在電子類專業(yè)的研究生升學(xué)考試中屬于專業(yè)課必考科目，所以系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)非常重要[1]。在課堂教學(xué)中要講技巧、講方法，力爭充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂能動(dòng)性。以知識(shí)點(diǎn)“邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡”的講授為例，隨著變量個(gè)數(shù)的增多，卡諾圖的現(xiàn)有方塊和增加的方塊之間邏輯相鄰關(guān)系，學(xué)生通過折紙的方式可以自己獲得，如圖1所示。為了掌握卡諾圖化簡的技巧，學(xué)生可以先根據(jù)自己對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解得出一個(gè)結(jié)果，然后比對(duì)本結(jié)果是否是最簡的，從中發(fā)現(xiàn)化簡規(guī)律，為自己的“問號(hào)”畫上“句號(hào)”。

圖1 二變量到三變量卡諾圖的轉(zhuǎn)化

1.3 項(xiàng)目實(shí)施

所謂“學(xué)以致用”，就是將學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)應(yīng)用到項(xiàng)目實(shí)踐中。明確項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)習(xí)理論知識(shí)，具備解決實(shí)際問題的能力后，學(xué)生還要將其運(yùn)用到實(shí)際制作中，真正做到以做促學(xué)[2]。在本階段，學(xué)生需要根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)查閱資料，完成方案設(shè)計(jì)、電路原理圖設(shè)計(jì)、元器件的選擇和檢測、電路的硬件制作以及實(shí)物的功能測試和調(diào)試。以設(shè)計(jì)項(xiàng)目一“表決器的設(shè)計(jì)與制作”為例，提出項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的：掌握小規(guī)模組合邏輯電路（SSI）的設(shè)計(jì)方法，鞏固課堂上學(xué)到的知識(shí)；掌握一些常見的數(shù)字電路芯片的使用方法；通過分組完成，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)精神。

1.3.1 方案設(shè)計(jì)

用五個(gè)按鍵代表五位評(píng)委，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，代表同意，該評(píng)委的紅色指示燈亮；開關(guān)沒有被按下去，表示不贊成，該評(píng)委的紅色指示燈不亮；評(píng)委按照自己的意愿投票，選擇是否按下開關(guān)。

按照少數(shù)服從多數(shù)的原則對(duì)五個(gè)開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行譯碼；多數(shù)通過（≥3）時(shí)，表示選手通過考核，綠色指示燈亮；少數(shù)通過（≤2）時(shí)，表示選手未通過考核，紅色指示燈亮。

1.3.2 設(shè)計(jì)過程

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，列出真值表、寫出邏輯表達(dá)式、并化成最簡形式。選擇芯片74LS0074LS1074LS32完成電路設(shè)計(jì)。

1.3.3 電路仿真

為了事先驗(yàn)證功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，本組成員使用multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了功能仿真，如圖2所示。

圖2 五人表決器的仿真圖

1.3.4 實(shí)物功能展示

圖3、圖4為最后的成果展示，可以看出，利用基本的邏輯門電路解決了少數(shù)服從多數(shù)的表決電路的設(shè)計(jì)與制作，功能實(shí)現(xiàn)，效果良好。

圖4 少數(shù)通過的表決情況

圖3 多數(shù)通過的表決情況

1.4 項(xiàng)目答辯和反思

整個(gè)流程下來，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，并且體會(huì)到科技的神奇，簡簡單單的幾個(gè)元器件，通過電路設(shè)計(jì)和制作就組成了以前認(rèn)為很不可思議、很高端大氣的設(shè)備。為了鞏固學(xué)習(xí)過的知識(shí)，查漏補(bǔ)缺，每個(gè)項(xiàng)目完成以后進(jìn)行答辯，回顧整個(gè)過程，回答以下問題：了解了哪些電子元件的工作原理？暴露出哪些知識(shí)掌握上有不足之處？在分組完成的過程中，每個(gè)人的分工是怎么樣的？自己對(duì)各部分電路以及整個(gè)電路的認(rèn)識(shí)、對(duì)各部分功能的準(zhǔn)確分析是否正確？該項(xiàng)目還有沒有拓展的空間？在解答此類問題的過程中，學(xué)生可以提升自己的專業(yè)知識(shí)技能。

在項(xiàng)目實(shí)踐的教學(xué)過程中，教師的作用更多地體現(xiàn)在引領(lǐng)上，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實(shí)施主體是學(xué)生[3]。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果不再有唯一的標(biāo)準(zhǔn)答案，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、積極思考才能建立合理的項(xiàng)目實(shí)踐方案。

2 配套改革環(huán)節(jié)

“CDIO項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法”提出以后，得到課程組幾位教師的一致認(rèn)可。為了通過本次教學(xué)改革令學(xué)生在打好理論基礎(chǔ)的同時(shí)具備分析實(shí)際問題并解決問題的能力，筆者做了以下配套工作。

2.1 劇本式教案的編寫

劇本式教案和以往教案不同之處在于，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，任課過程是在特定的場景下，師生融洽的互動(dòng)過程中進(jìn)行的。這樣的授課過程易于把課堂氣氛調(diào)動(dòng)起來，明顯地提高了學(xué)生的參與度和積極性，使之在互動(dòng)問答中輕松掌握所授知識(shí)。

2.2 吻合課程的項(xiàng)目任務(wù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)理論知識(shí)，合理安排4個(gè)基礎(chǔ)實(shí)踐項(xiàng)目——表決器、搶答器、計(jì)數(shù)器、電子鐘表的設(shè)計(jì)與制作。為每個(gè)項(xiàng)目制定項(xiàng)目要求和目標(biāo)，包括項(xiàng)目的任務(wù)、技術(shù)要求、性能要求、技術(shù)路線等，要求學(xué)生分組根據(jù)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行方案論證、設(shè)計(jì)電路、制作實(shí)物、完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告，并進(jìn)行PPT演講答辯考核，真正做到“學(xué)中做、做中學(xué)、以做促學(xué)”。

2.3 合理設(shè)置課內(nèi)、外教學(xué)過程，形成以過程為重點(diǎn)的考評(píng)體系

將考核分為三個(gè)部分：日?？己恕㈨?xiàng)目考核以及期終考核。根據(jù)學(xué)生的日常表現(xiàn)（聽課效果、作業(yè)情況、考勤情況）來完成日?？己?，以維持正常的上課秩序，保證應(yīng)有的課程進(jìn)度和提高學(xué)生對(duì)本課程的重視程度[4]。根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的完成情況、小組的協(xié)作分工情況、項(xiàng)目匯報(bào)、項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告等綜合評(píng)定學(xué)生的項(xiàng)目考核成績，以了解學(xué)生在課程中的工程綜合素質(zhì)能力的培養(yǎng)情況。每一位學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中是否努力、認(rèn)真，都有跡可循，更能保證最終成績的合理性，而且項(xiàng)目的制作分組完成，集眾人之力，各有所長，也考察了學(xué)生的協(xié)作能力，有利于綜合素質(zhì)的進(jìn)一步提升。

3 結(jié)語

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程屬于電子類經(jīng)典課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)根深蒂固。新的授課形式是否能被學(xué)生認(rèn)可并接受、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是筆者在改革過程中嚴(yán)密關(guān)注的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，在半期和期終，筆者分別就學(xué)生對(duì)教學(xué)要求、內(nèi)容、方法、項(xiàng)目開展情況等進(jìn)行了教學(xué)質(zhì)量調(diào)查和反饋，來了解學(xué)生對(duì)本課程的回饋情況，據(jù)此對(duì)不恰當(dāng)?shù)沫h(huán)節(jié)及時(shí)予以更正。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通過項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生體會(huì)了自己親手制作一個(gè)電路設(shè)計(jì)的過程，將所學(xué)的知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用有效地聯(lián)系起來，拓寬了知識(shí)面，培養(yǎng)了動(dòng)手能力，增強(qiáng)了自學(xué)能力，了解到數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課程的重要性及其實(shí)用價(jià)值。

[1]王敬時(shí)，湯敏.“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)改革探索[J].中國電力教育，2014，（18）：61-62.

[2]賀力克，邱麗芳.數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：21-25.

[3]唐普英，姜書艷，郭小偉.“數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用”探究式教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016，14（6）：102-105.

[4]張翠英，羅偉.基于工作過程課程體系考核方式探析[J].輕工科技，2010，（7）：134-135.