計(jì)算機(jī)導(dǎo)向的數(shù)字邏輯課程教學(xué)模式改革研究

李麗麗

（合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 電子信息系，安徽 合肥 230031）

1 計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字邏輯課程背景

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異，為更好地支撐我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展，需要大量的高等職業(yè)技術(shù)人才，也對高等職業(yè)技術(shù)教育提出了更高的要求。大數(shù)據(jù)、電子商務(wù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興行業(yè)都離不開計(jì)算機(jī)。隨著時(shí)代的發(fā)展，更需要大量應(yīng)用型技術(shù)人才。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其在整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件課程體系中占有比較重要的地位。

計(jì)算機(jī)本身是以數(shù)字邏輯電路為主、以邏輯運(yùn)算為基礎(chǔ)的數(shù)字型智能化機(jī)器。該門課又稱數(shù)字邏輯電路，目的是使學(xué)生掌握數(shù)字邏輯技術(shù)的基本理論，熟悉其基本概念、基本原理和基本分析和設(shè)計(jì)方法。為后續(xù)其它計(jì)算機(jī)硬件課程，如微機(jī)與接口技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用打下一定的基礎(chǔ)[1]。目前國內(nèi)很多高職院校的計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程，該門課也是所有電學(xué)類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。但目前計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字邏輯課程教學(xué)存在教學(xué)目標(biāo)不明確、沒有以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容等缺陷，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想，學(xué)生獲得的實(shí)踐技能較弱。

2 數(shù)字邏輯課程學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

2.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確

現(xiàn)在的學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)雖然較早，但對于計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)原理并不清楚，因此對于計(jì)算機(jī)與數(shù)字邏輯電路之間的聯(lián)系也不了解，對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課的學(xué)習(xí)目的自然也就不明確。學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)之初都是建立在各種軟件的使用之上的，自然也就認(rèn)為計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)該主要學(xué)習(xí)軟件編程，不應(yīng)該學(xué)習(xí)硬件課程，特別是與電路有關(guān)的課程，容易出現(xiàn)“重軟件，輕硬件”[2]，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，以至于課程的教學(xué)效果不理想，通過率也較低。

2.2 基礎(chǔ)知識(shí)薄弱

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門職業(yè)基礎(chǔ)課，我校開在第一學(xué)期，由于前期缺乏電路基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)等先導(dǎo)課程的基本知識(shí)儲(chǔ)備，學(xué)生普遍認(rèn)為數(shù)字電路會(huì)比較難學(xué)，所以對該門課望而卻步，以至于課程教學(xué)效果不理想。

3 數(shù)字邏輯課程教學(xué)現(xiàn)狀

3.1 教學(xué)目標(biāo)不明確

教授計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教師往往是非計(jì)算機(jī)專業(yè)教師，對數(shù)字邏輯電路與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系并不清楚，對該門課與后續(xù)計(jì)算機(jī)其它專業(yè)課程之間的聯(lián)系沒有作仔細(xì)研究，導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)不明確，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)都沒有以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向。授課過程中把數(shù)字電路知識(shí)以教授電學(xué)專業(yè)學(xué)生的教學(xué)方式灌輸給學(xué)生，學(xué)生學(xué)習(xí)起來困難，教師授課效果也不理想。這也直接導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)積極性不高[3]。

3.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)沒有以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向

教師對該門課的教學(xué)目標(biāo)不明確，自然就導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)不合理，沒有以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向來編排和設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。例如，講到集成邏輯門電路的時(shí)候，如把門電路內(nèi)部涉及到的半導(dǎo)體二極管、三極管、MOS 管的特性原理，門電路內(nèi)部電路組成及工作原理灌輸給學(xué)生，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來力不從心，甚至產(chǎn)生厭學(xué)心理，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，而該內(nèi)容在后續(xù)計(jì)算機(jī)專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中用處并不大。

3.3 課程考核方式側(cè)重“結(jié)果”

以往課程考核成績主要以學(xué)生最終期末考試卷面成績?yōu)橐罁?jù)，結(jié)合學(xué)生平時(shí)出勤和作業(yè)情況，給出學(xué)生該門課綜合成績。這樣的考核方式過于強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，不能反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、平時(shí)的課堂表現(xiàn)、參與程度及課內(nèi)實(shí)踐技能水平，不能反映學(xué)生的主動(dòng)性差異，也不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂及實(shí)踐的積極性。

4 數(shù)字邏輯課程教學(xué)模式改革

數(shù)字邏輯課程包括理論課（36 學(xué)時(shí)）、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（12 學(xué)時(shí)）和課后實(shí)訓(xùn)（20 學(xué)時(shí)）。能在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握數(shù)字邏輯的基本理論，建立起邏輯電路的概念，學(xué)會(huì)邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)，理解邏輯電路與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，以及讓學(xué)生獲得實(shí)踐技能和實(shí)際工作能力，文章對計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字邏輯課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革。

鑒于以上數(shù)字邏輯課程學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀和教師的教學(xué)現(xiàn)狀，文章“以教促學(xué)”，“以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向”，從數(shù)字邏輯教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)和考核方式三個(gè)方面進(jìn)行改革。改革思路見圖1。

4.1 數(shù)字邏輯教學(xué)內(nèi)容改革—以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向

4.1.1 理論課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)—以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向

教師首先要明確教學(xué)目標(biāo)。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程為計(jì)算機(jī)后續(xù)專業(yè)課微機(jī)與接口技術(shù)和單片機(jī)原理及應(yīng)用建立了邏輯電路基礎(chǔ)。因此，在理論課教學(xué)中，應(yīng)以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向設(shè)計(jì)理論教學(xué)內(nèi)容課件。在有限的課時(shí)內(nèi)對教學(xué)內(nèi)容盡量精簡、精選，做到“必用、夠用”[4]。選取需要用到的知識(shí)，摒棄與后續(xù)計(jì)算機(jī)專業(yè)課無太大關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，如二極管、三極管特性、門電路內(nèi)部電路原理特性等內(nèi)容。重點(diǎn)講解和實(shí)踐與計(jì)算機(jī)聯(lián)系密切的數(shù)字邏輯部分，“重外輕內(nèi)”[2]，重點(diǎn)讓學(xué)生從數(shù)字邏輯電路的外特性方面理解邏輯的概念，會(huì)應(yīng)用典型的數(shù)字邏輯器件。這樣電路基礎(chǔ)知識(shí)不再構(gòu)成學(xué)生學(xué)習(xí)該門課的障礙，也能讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。例如，在講解數(shù)制和編碼時(shí)，課件和授課內(nèi)容涉及二、八、十六進(jìn)制內(nèi)存編址，計(jì)算機(jī)編碼中的應(yīng)用，所有帶符號(hào)數(shù)在計(jì)算機(jī)中都是以補(bǔ)碼形式表示等；在講解邏輯代數(shù)基礎(chǔ)時(shí)，告訴學(xué)生軟件是以硬件為基礎(chǔ)的，計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的硬件是由邏輯電路組成，所以今后各種軟件編程也會(huì)涉及各種邏輯運(yùn)算，而計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算也是以邏輯運(yùn)算為基礎(chǔ)的；在講解加法器時(shí)，以8086CPU 功能結(jié)構(gòu)圖，告訴學(xué)生CPU 的算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU 的核心電路就是加法器，在CPU 訪問內(nèi)存時(shí)也要用到地址加法器；在講解編碼器時(shí)，提到計(jì)算機(jī)處理的是二進(jìn)制信息，所以一切信息在進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理之前都要進(jìn)行二進(jìn)制編碼，譯碼是編碼的逆過程；在講到譯碼器之時(shí)，先圖示講解譯碼器在計(jì)算機(jī)內(nèi)存尋址中的應(yīng)用，再講解譯碼器的特性和應(yīng)用；講到時(shí)序邏輯電路時(shí)，把時(shí)鐘脈沖信號(hào)與計(jì)算機(jī)CPU 的主頻時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行類比講解；講到計(jì)數(shù)器時(shí)，例舉CPU 內(nèi)部的指令計(jì)數(shù)器、51 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用；講到寄存器時(shí)，通過課件讓學(xué)生大致了解CPU 內(nèi)部的寄存器結(jié)構(gòu)等。（教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及其在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用見圖2）通過這些教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，既可以讓學(xué)生了解典型邏輯電路在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，也可以為今后的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程奠定一定的基礎(chǔ)。

圖2 教學(xué)內(nèi)容在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

4.1.2 實(shí)踐課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)—以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，實(shí)踐內(nèi)容的選取應(yīng)基于理論內(nèi)容，以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向，如：加法器的設(shè)計(jì)、譯碼器的應(yīng)用、譯碼器的擴(kuò)展及應(yīng)用、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)等。且在相關(guān)實(shí)踐之前，先在理論課上讓學(xué)生明確該邏輯電路在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用。

4.2 數(shù)字邏輯課程教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)—以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向

與電子類專業(yè)學(xué)習(xí)數(shù)字電路課程的教學(xué)目標(biāo)不同，綜合高職教育的特點(diǎn)，選取內(nèi)容較精簡的教材《21 世紀(jì)高職高專電子信息類實(shí)用規(guī)劃教材》[5]。在課程開始前以計(jì)算機(jī)原理、電路與邏輯視頻的方式，激起學(xué)生對邏輯電路與計(jì)算機(jī)關(guān)系探究的興趣。然后明確告訴學(xué)生該門課的課程目標(biāo)及課程地位，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。教學(xué)過程中，采用講授法、練習(xí)法、演示法及討論法等多種教學(xué)方法，注重讓學(xué)生理解邏輯器件的外特性，并列舉其在生活中的應(yīng)用。例如講到顯示譯碼器時(shí)，由數(shù)碼管圖片讓學(xué)生列舉數(shù)碼管在生活中的應(yīng)用場景，進(jìn)而引入數(shù)碼管原理，最后用動(dòng)畫的方式引導(dǎo)學(xué)生理解顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字的外特性。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁臑轫?xiàng)目式。實(shí)驗(yàn)時(shí)將每一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化，課前讓學(xué)生先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容，查詢相關(guān)芯片資料及設(shè)計(jì)方法。課上教師先講解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的、設(shè)計(jì)原理步驟等，讓學(xué)生以小組為單位先進(jìn)行邏輯電路設(shè)計(jì)，后根據(jù)自己的設(shè)計(jì)挑選芯片，完成邏輯電路的構(gòu)成和功能驗(yàn)證，最后將整個(gè)過程形成總結(jié)性的報(bào)告，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施、驗(yàn)證和總結(jié)等能力。提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和學(xué)生項(xiàng)目化工作的能力。并以此為基礎(chǔ)，在學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備（DICE-DD-C5系列）的基礎(chǔ)上，將相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的目的、設(shè)備、原理、步驟、數(shù)據(jù)記錄、要求等形成校本實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教材。

4.3 數(shù)字邏輯課程考核方式改革—以過程為導(dǎo)向

將數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的考核方式改成“過程式考核”方式為主。在課堂上采用啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生參與問題的思考和解決過程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用教師引導(dǎo)為主、指導(dǎo)為輔的方式，讓學(xué)生獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)，自主完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并總結(jié)。將學(xué)生課堂參與問題的積極性、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過程的參與性、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目報(bào)告的完善性與平時(shí)出勤情況結(jié)合起來作為學(xué)生“過程式考核”的依據(jù)[3]，旨在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂及實(shí)踐的積極性。