數(shù)字邏輯金課建設(shè)探索

謝躍雷 楊海燕 陳小毛

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

為建設(shè)高水平本科教育，吳巖提出了“金課”的概念[1，2]，并且指出高等學(xué)校淘汰“水課”，打造有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。 “金課”又可稱為一流課程，是推動(dòng)中國高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量提升， 實(shí)現(xiàn)高等教育高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢，是當(dāng)下高等學(xué)校教育教學(xué)改革方向。 大學(xué)課程是高等教育領(lǐng)域的最基本元素[3，4]，大學(xué)人才培養(yǎng)的職能通過課程教學(xué)來實(shí)現(xiàn)，因此大學(xué)課程質(zhì)量直接影響著人才培養(yǎng)的質(zhì)量，加大“金課”建設(shè)力度，是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的關(guān)鍵。

數(shù)字邏輯是電子信息類專業(yè)的工程基礎(chǔ)課程，在電路課程體系中， 上接電路分析及模擬電子技術(shù)課程，下續(xù)微機(jī)原理、EDA 技術(shù)、單片機(jī)等課程。 其主要內(nèi)容包括數(shù)制與碼制、邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路、組合及時(shí)序邏輯電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)電路、AD/DA、脈沖波形產(chǎn)生與整形電路等，為后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的數(shù)字邏輯電路技術(shù)知識(shí)，是當(dāng)今熱門的人工智能、5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息技術(shù)的硬件載體。 以學(xué)生為中心，提高數(shù)字邏輯課程教學(xué)質(zhì)量和水平，是影響電子信息類高等教育效果的重要因素之一，也是電子信息類高校建設(shè)“金課”體系的重要內(nèi)容之一[5，6]。

結(jié)合我校數(shù)字邏輯課程的現(xiàn)狀，從課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式四個(gè)方面進(jìn)行了完善，努力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，增強(qiáng)學(xué)生的工程觀念，理論與實(shí)踐相結(jié)合，積極引導(dǎo)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題，以高階性、創(chuàng)新性、有挑戰(zhàn)度的“金課”為標(biāo)準(zhǔn)，探索數(shù)字邏輯課程的教學(xué)改革。

1 高階性的課程目標(biāo)

課程目標(biāo)是指學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)后，所需達(dá)到的知識(shí)、能力、素質(zhì)方面的要求。 根據(jù)我校本科教育“以工為主，電子信息學(xué)科優(yōu)勢突出、特色鮮明，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才，創(chuàng)辦教學(xué)研究型大學(xué)”的辦學(xué)定位，我們從知識(shí)、能力、素質(zhì)三個(gè)方面制定了數(shù)字邏輯課程目標(biāo)，具體如下：

1.1 知識(shí)目標(biāo)

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)，包括進(jìn)制碼制、邏輯代數(shù)、數(shù)字集成器件、存儲(chǔ)單元、A/D 和D/A 及時(shí)鐘信號(hào)的知識(shí)； 能夠分析數(shù)字電路中器件的連接問題、同步存儲(chǔ)問題，能夠根據(jù)實(shí)際工程需要選擇合適的器件；重點(diǎn)是掌握組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用。

1.2 能力目標(biāo)

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握組合、時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法，建立數(shù)字電路的邏輯思維概念；能夠利用真值表、邏輯圖、邏輯式、狀態(tài)表、狀態(tài)圖、時(shí)序圖分析電路的邏輯功能，評價(jià)數(shù)字電路的性能；能從電子信息領(lǐng)域?qū)嶋H問題出發(fā)，建立合理數(shù)字邏輯模型，并設(shè)計(jì)出數(shù)字邏輯電路，為解決復(fù)雜電子信息領(lǐng)域工程問題打下基礎(chǔ)。

1.3 素質(zhì)目標(biāo)

根據(jù)我校課程思政的建設(shè)要求，在課程實(shí)施過程中，強(qiáng)調(diào)數(shù)字電路相關(guān)的工程倫理、法律規(guī)定、職業(yè)規(guī)范、科學(xué)道德，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和家國情懷，樹立實(shí)事求是、探索創(chuàng)新的科學(xué)精神。

與舊的課程目標(biāo)相比，新制定的課程目標(biāo)突出了高階性，彌補(bǔ)了舊的課程目標(biāo)中強(qiáng)調(diào)數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)，能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)不突出的缺點(diǎn)。 數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)與能力素質(zhì)的有機(jī)融合，能夠培養(yǎng)學(xué)生解決電子信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的高級思維和能力。

2 創(chuàng)新性教學(xué)內(nèi)容及方式

“金課”是知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，課程建設(shè)是“金課”建設(shè)的根，課程內(nèi)容是課程的靈魂，所以在“金課”建設(shè)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)“內(nèi)容為王”，要注重課程內(nèi)容提煉、融合和創(chuàng)新，使課程內(nèi)容不僅具有基礎(chǔ)性、傳承性，還能體現(xiàn)數(shù)字電路的前沿性、時(shí)代性。 課程內(nèi)容的“新”和“舊”，都是相對的，沒有新知識(shí)的加入課程就無法進(jìn)步，完全放棄舊知識(shí)會(huì)使課程如同空中樓閣，讓人不知所然。 課程內(nèi)容強(qiáng)調(diào)數(shù)字電路知識(shí)的廣度、深度，培養(yǎng)學(xué)生深度分析、勇于創(chuàng)新的能力。 根據(jù)這一思想， 將數(shù)字邏輯課程內(nèi)容及教學(xué)方式改革如下：

2.1 梳理知識(shí)體系，壓縮陳舊內(nèi)容，引入前沿技術(shù)

數(shù)字電路是從邏輯學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，梳理其知識(shí)內(nèi)容，我們將其歸納為理論體系“邏輯代數(shù)—?jiǎng)討B(tài)模型—組合及時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)”， 電路體系“門電路—數(shù)字電路—數(shù)字系統(tǒng)”。 理論體系中，與、或、非三種基本邏輯運(yùn)算互相組合，利用真值表、邏輯式、狀態(tài)方程等動(dòng)態(tài)模型工具，可描述實(shí)現(xiàn)各種各樣的組合電路功能及任何在時(shí)間上具體規(guī)則次序的功能。 電路體系中，晶體管互相連接實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算就構(gòu)成了門電路，各類門電路互相連接可構(gòu)成各種組合功能，門電路互相連接且引入時(shí)鐘構(gòu)成觸發(fā)器，觸發(fā)器和門互相連接構(gòu)成時(shí)序邏輯電路，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能。 對于以上內(nèi)容體系，我們進(jìn)行了濃縮和充實(shí)，將理論體系中邏輯代數(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)壓縮，將基于動(dòng)態(tài)模型的傳統(tǒng)時(shí)序邏輯分析與設(shè)計(jì)進(jìn)行精練。 在電路體系中，壓縮晶體互連構(gòu)成門電路的相關(guān)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)門器件之間的互連準(zhǔn)則。

數(shù)字電子技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在教學(xué)內(nèi)容上要解決好基礎(chǔ)與前沿、基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用、理論與實(shí)踐等之間的關(guān)系，處理好博與專、新與舊、深與淺的關(guān)系，建立先進(jìn)科學(xué)的教學(xué)結(jié)構(gòu)、時(shí)時(shí)更新的課程內(nèi)容。在理論體系中，引入最新算法模型思想，以算法模型來描述任意待實(shí)現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)，然后將算法模型轉(zhuǎn)換成算法狀態(tài)機(jī)模型， 進(jìn)而利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)該數(shù)字系統(tǒng)。 在電路體系中引入現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)的思想，借助可編程邏輯器件FPGA 或CPLD，在EDA 軟件上以編程的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)。

2.2 立德樹人，加強(qiáng)課程思政

素質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開課程思政，數(shù)字邏輯課程中具備了許多可挖掘的思政資源， 根據(jù)教學(xué)大綱，通過將教學(xué)內(nèi)容恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)起學(xué)生的家國情懷、民族精神和個(gè)人道德，啟發(fā)學(xué)生形成正確的人生觀、世界觀、方法論。 如在邏輯代數(shù)知識(shí)點(diǎn)中，通過介紹邏輯代數(shù)的創(chuàng)始人喬治·布爾的生平，讓學(xué)生體會(huì)到嚴(yán)謹(jǐn)、條理、認(rèn)真、努力勤奮的科學(xué)精神，這是從事科學(xué)研究最基本的素養(yǎng)及成功的基礎(chǔ)。 在門電路的知識(shí)點(diǎn)中，通過介紹集成電路是怎么制造出來的，再結(jié)合美國對中興、華為的芯片禁用封殺的事實(shí)，激起學(xué)生的愛國主義熱情，讓學(xué)生能夠更加積極主動(dòng)全身心投入到數(shù)字電路的學(xué)習(xí)中，為我國集成電路事業(yè)努力奮斗；通過介紹薩支唐院士發(fā)明了集成電路的CMOS 工藝， 讓學(xué)生明白華人對集成電路發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，激發(fā)民族自豪感。 在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器知識(shí)點(diǎn)中，通過介紹中國朗科公司發(fā)明U 盤這一事實(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，發(fā)揚(yáng)愛國主義熱情。

2.3 融合信息技術(shù)的教學(xué)方式

在2020 年之前， 我校的數(shù)字邏輯教學(xué)為傳統(tǒng)的線下授課方式。 不可否認(rèn)，線下授課作為教學(xué)的主體，是效率最高的一種教學(xué)方式。 教師對于學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的掌控也更加方便，對于知識(shí)的傳授過程更直觀。 然而突發(fā)的疫情，使得線上授課成了唯一的選擇。 為適應(yīng)這一變故，筆者拍攝了數(shù)字邏輯知識(shí)點(diǎn)視頻，并在中國大學(xué)MOOC 平臺(tái)上構(gòu)建了異步SPOC 課程，同時(shí)在B 站上發(fā)布數(shù)字邏輯課程學(xué)習(xí)視頻，結(jié)合騰訊課堂實(shí)施了線上教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)及測試。 同時(shí)利用雨課程這一智慧教學(xué)工具， 實(shí)現(xiàn)課前推送預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，課間良好互動(dòng)。建立課程QQ 群，隨時(shí)隨地在線答復(fù)學(xué)生的各種問題。 同時(shí)在教學(xué)中，利用騰訊課程大班講授基礎(chǔ)知識(shí)， 騰訊會(huì)議組織學(xué)生進(jìn)行小班討論問題、新技術(shù)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 有挑戰(zhàn)度的考核方式

課程考核是判斷學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)后，是否達(dá)到了課程目標(biāo)的有效方式，同時(shí)衡量一門課程是否有難度和挑戰(zhàn)性，最有效的方法就是看這門課程的考核內(nèi)容，如何進(jìn)行考核。 因此，為增加課程的挑戰(zhàn)度，考核方式改革如下：

第一，提高平時(shí)成績比重，重過程考核，關(guān)注多個(gè)環(huán)節(jié)考核，進(jìn)一步提升考核的公平性。 我校數(shù)字邏輯課程的考核形式為7 種，各形式及占比如下：課堂考核（10%）、作業(yè)考核（15%）、期中考核（10%）、期中考核（10%）、討論課發(fā)言（5%）、大作業(yè)考核（10%）及期末考試（40%）。

第二，采用了豐富多樣的考核方式。 利用雨課堂進(jìn)行了學(xué)生考勤、課堂表現(xiàn)、章節(jié)測試考核，利用批改的方式考核學(xué)生平時(shí)作業(yè)、期中考試、期末考試，利用驗(yàn)收視頻及大作業(yè)報(bào)告考核數(shù)字邏輯大作業(yè)，評價(jià)學(xué)生的表達(dá)能力及解決復(fù)雜工程問題的能力，利用小組討論發(fā)言情況考核學(xué)生的能力目標(biāo)及素質(zhì)目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程的考核和管理。

4 結(jié)語

大學(xué)“金課”的打造，對我國人才培養(yǎng)以及“人才強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實(shí)施意義重大。 本文通過對“金課”的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的解析，對數(shù)字邏輯課程進(jìn)行了教學(xué)改革探索，從課程目標(biāo)體系、課程內(nèi)容、教學(xué)方法與學(xué)習(xí)結(jié)果評價(jià)四個(gè)方面，給出了建設(shè)數(shù)字邏輯一流課程的措施。 “金課”建設(shè)，既需要所在大學(xué)的支持，也需要教師本身提升對教學(xué)的認(rèn)識(shí)，以不斷完善自身的知識(shí)體系，結(jié)合本校人才培養(yǎng)定位、課程目標(biāo)與課程內(nèi)容對標(biāo)“兩性一度”，完善學(xué)生的課程學(xué)習(xí)評價(jià)體系，運(yùn)用多種信息技術(shù)手段與教學(xué)方法提升課程的含“金”量。