基于EDA與任務驅動的數字邏輯實踐教學模式探討

摘要：根據我校當前實驗設備綜合管理改革和《數字邏輯》課程實踐教學的發展趨勢，在對建構主義理論分析的基礎上，將《數字邏輯》實驗教學與EDA技術相結合，對基于任務驅動的《數字邏輯》實踐教學模式進行了分析和探討。本實踐教學模式既可以彌補實驗經費不足的缺點，也有利于促進學生參與實踐的積極性和培養學生的創新能力。

關鍵詞：任務驅動；EDA；數字邏輯；實驗經費；創新能力

《數字邏輯》是電子信息、計算機科學與技術和軟件工程等學科的基礎課程，同時也是一門實踐性較強的課程。我校四個學院的相關專業都開設了該課程，同時也建立了相應的實驗室。隨著我校對全校范圍實驗設備進行統一管理改革的不斷推進，以及傳統《數字邏輯》實踐教學模式已越來越無法適應社會對現代人才的要求，本文提出了基于EDA與任務驅動的《數字邏輯》實踐教學模式。該模式利用現代EDA技術，并采用任務驅動教學法對《數字邏輯》實踐教學進行改革，從而實現提高實驗設備的使用率和培養學生的創新意識的目的。

一、任務驅動教學法與數字邏輯實踐教學

（一）任務驅動教學法的原理

任務驅動教學法是建構主義學習理論的一種具體應用1]。任務驅動實踐教學法就是讓學生在一個經典任務的驅動下，展開實驗活動，引導學生由簡到繁、由易到難、循序漸進地完成一個項目的設計，從而達到梳理知識脈絡和鍛煉設計思維的目的。在執行任務的過程中鞏固知識、培養動手能力。從學生的角度來說，任務驅動是一種相對自主的學習方法，它適用于學習各類實踐性和操作性較強的知識和技能，可以幫助學生明確學習目標。

（二）基于任務驅動的數字邏輯實踐教學模式的特點

1.老師搭建任務實踐環境。在數字邏輯任務驅動教學模式中，老師主要負責為學生提供符合建構主義思想和實踐教學要求的任務，并介紹相關工具的使用方法。實踐教學中的所有任務來自于學生知道的現實應用。老師全面把握這些任務，包括任務可能涉及的問題和相應的處理經驗。在這種環境中，老師及時轉換角色，不再是知識和理論的灌輸者，而是一個實踐任務的導向官。學生在執行任務時，老師進行一般引導，給學生提供一些獲取信息的方法，如果個別學生遇到困難時，老師才進行單獨輔導。

2.學生成為實踐的主導者。在數字邏輯實踐教學的實施過程中，學生成為主導者，自我設計精神將貫穿于整個實踐活動中。學生在明確任務目標后將主動地學習教材上相關知識，上網查找資料，制定設計方案，再經過不斷修改和完善，同時相互之間還時刻保持暢通的交流，直到任務圓滿完成，這就充分地調動了學生主動求知的欲望。當學生完成任務之后，他們也達到了掌握知識、提高能力的目的，更重要的是學生不僅親身感受了認知的過程，也能體驗任務完成后的成就感，從而激發他們進一步學習的興趣和積極性。在整個過程中，老師重點把握學生作為主導者的執行狀態，既為大部分學生的獨立思考留出充分的空間，又為遇到困難的學生提供必要的指導，鼓勵他們自我學習、相互學習。

（三）數字邏輯實踐課程實施任務驅動教學的可行性

1.數字邏輯是一門相對綜合性不強的基礎課程。數字邏輯課程主要涉及組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路是由與門、或門和非門等門電路組合形成的邏輯電路；時序邏輯電路是由觸發器和門電路組成的具有記憶能力的邏輯電路。相對其他課程，數字邏輯的大部分概念比較容易理解，只要有合適的表現形式，學生還是能輕松地掌握課程中的知識的。

2.豐富的網絡教學資源。我校軟件學院已經建設了省級數字邏輯精品課程網站，網站內容包括課程介紹、教案、視頻課件、習題、在線考試和論壇等，學生可以通過網絡進行自主學習。在執行任務過程中，他們也可以隨時通過網站查找相關知識和尋找問題的解決方法。

3.雄厚的師資力量。為了實施任務驅動教學法，我校整合相關學院的骨干老師，組建一支由教授帶頭、老中青結合的梯隊式教師隊伍，這支隊伍能教學、能科研、能開發，同時隊伍還可開展校企合作、參加各種技術交流以及經常性的教研和科研活動，以不斷提高這些老師的教學、科研和實際開發能力。另外，軟件學院北京基地還聘請了一些著名IT企業的高級專家為兼職教師。校內外教師的互動，不僅為課程實踐教學增添了活力，也極大地加強了老師面向應用的總體實力。

二、EDA技術及其在實踐教學中的優勢

EDA（Electronic Design Automation的簡稱）技術已經在電子設計領域得到廣泛應用2]。發達國家目前已經基本上不存在電子產品的手工設計。EDA技術中最常用的兩個軟件是Multisim和Protel3]。EDA技術在實踐教學中的優勢主要體現如下：

1.幫助學校實現理論教學工作和軟件工具教學的連貫性。開展《模擬電路》、《數字邏輯》、《可編程邏輯器件》和《嵌入式系統設計》等課程時理論教學與EDA技術實踐同步開展，同時也為高校教育提供了跟蹤技術發展的最新趨勢。

2.彌補了實驗經費不足的缺憾。傳統的數字邏輯實驗需要有儀器設備和元器件的支持，整個實驗對元器件的耗資較大，在實驗經費不足的情況下，向學生開放的實驗項目和數量受到限制。特別是近年來，我校招生規模較大，而實驗基礎設施建設滯后，基于EDA技術的數字邏輯實驗方式可以彌補因實驗儀器及經費不足造成的缺點。

3.擴展了學生的實踐空間和實驗內容。基于EDA技術的數字邏輯實驗方式打破了時間和空間的限制，學生可以在不同的時間和地點自主進行實驗，甚至可以根據自己的興趣愛好，選擇一些傳統實驗較少涉及的實驗內容。因此，該方式滿足了不同層次學生的需要，從而大大擴展了實踐空間和實驗范圍。

4.有利于學生主動地開展實驗。傳統的數字邏輯實踐教學，指導老師在課前把儀器設備及元器件準備好，學生根據實驗步驟按部就班地進行，這就不可避免地把學生置于被動地位，學生很少有機會按自己的思維開展設計性實驗。近年來，建構主義教育理念強調教學要以學生為主體，要注重培養學生的創新思維。我校也開始嘗試壓縮驗證性實驗的比例，增加設計性實驗的內容，但在實際運作過程中，往往因儀器和元器件不足而存在著很大的局限性，而EDA技術則使學生進行設計性實驗成為可能。

三、基于EDA與任務驅動的數字邏輯實踐教學探索及效果

在實踐教學的過程中，首先向學生介紹EDA技術的基本使用方法，要求學生在使用相關軟件過程中不斷地深入學習該軟件，為了避免學生進入理論學習的疲倦期，老師沒有把軟件的操作內容全部講授給學生。接下來就是設計數字邏輯實踐任務，根據本課程的知識之間的邏輯規律和學生學習進展狀態，科學地將知識點由淺入深、階梯式融入到一系列具有循序漸進的任務之中，這是實施任務驅動的關鍵，要求老師精心設計出的任務與理論教學內容環環相扣，同時難易適度，并且具有一定的開放性和擴展性。最后學生能在EDA技術支持的實驗環境中開始進行自我設計，在取得階段性成功后，逐步地鼓勵學生提高實驗的難度和深度，讓學生對所學知識的見解得到升華。根據任務驅動原理和數字邏輯課程內容及特點，我們設計了如下一系列的任務。（1）全加器，這個設計任務只是讓學生學會分析任務，提出解決辦法，熟悉EDA相關軟件的操作，為后續任務打下扎實基礎。（2）多數表決器，它是一個組合邏輯知識的典型任務，可以讓學生熟悉真值表轉換為邏輯表達式、邏輯表達式轉換為邏輯電路等相關知識。學生經過EDA仿真驗證之后再進行實際電路連接并且讓他們取得一定成就感，同時產生濃厚興趣。（3）交通信號燈控制器，該任務則是個綜合性電路，它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發生器等部分組成。可以說它是對組合邏輯電路和時序邏輯電路的綜合，也是對EDA的高級應用。學生先利用EDA實現模擬、數字等電路，然后利用器件編輯功能去實現其他復雜電路，并在計算機中仿真，驗證之后再進行實踐操作，既減少了實踐中的很多誤操作、降低實驗費用，也有利于增強學生對實驗課程的學習興趣。（4）數字秒表電路，針對學生已經具備一定的設計能力，這個任務只給出功能要求，提供結構設想，要求學生自己先利用EDA軟件進行設計，然后驗證，最后才進行物理實踐。

數字邏輯教學組老師在實施本模式教學后，再經過對比以前傳統教學下學生的學習效果，最后教學組老師總結出幾點認識：

一是有效地緩解了實驗教學對設備的嚴重依賴，提高了教學效率。

二是激發了學生學習的興趣和主動性。在本模式的實施中，我校軟件學院嵌入式方向的學生由被動學習向主動學習轉變，并且積極參與了全國、省市和學校等各種的嵌入式系統設計比賽，同時獲得較好成績。

三是培養了學生的團結精神和創新思維。基于EDA技術的數字邏輯實驗方式解放了學生的思想，擴大了他們實踐空間和實驗范圍，同時讓學生明白在完成復雜任務時必須在團結大家的力量的基礎上才可能去創新。在本模式教學下，教學組成立了學習興趣小組，建立了學生梯隊，逐步形成一支具有團結和創新精神的學習團隊。

四、結語

在數字邏輯實踐教學中引入EDA技術和任務驅動教學法對培養創新和實用人才、對改善傳統的教學模式和提高教學質量都有著重要的意義。EDA技術自動化程度高、功能完善，有良好的數據開放性和擴展性，因此非常適合計算機類專業課程的實踐教學。總之，我校在數字邏輯實踐教學中引入EDA技術，不僅僅降低了實驗投入經費，而且激發了學生的學習興趣，增強了學生的自主創新能力。

參考文獻：

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[2]崔曉，張武勤.EDA教學中培養學生創新能力的探索[J].信息系統工程，2010，（1）：121-124.

[3]劉建清.從零開始學電路仿真Mutisim與電路設計Protel技術[M].北京：國防工業出版社，2006.

基金項目：2009年江西省級精品課程（贛教高字[2009]83號）