“數(shù)字邏輯”課程教學(xué)方法探討

摘要：“數(shù)字邏輯”是計(jì)算機(jī)專業(yè)一門重要的硬件基礎(chǔ)課程。結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)字邏輯的教學(xué)方法進(jìn)行深入探討，在課堂教學(xué)中采用任務(wù)式教學(xué)，增加課堂討論，借助仿真軟件進(jìn)行電路演示，利用硬件描述語言進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)與硬件描述語言實(shí)驗(yàn)等有機(jī)結(jié)合、互為補(bǔ)充，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，取得了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯；課堂教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：徐銀霞（1979-），女，湖北武漢人，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，講師。（湖北 武漢 430073）

中圖分類號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）28-0104-02

“數(shù)字邏輯”是計(jì)算機(jī)專業(yè)一門重要的硬件基礎(chǔ)課程，其主要目的是使學(xué)生掌握數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的理論知識(shí)，熟悉各種不同規(guī)模的邏輯器件，掌握各類邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的基本方法，為數(shù)字計(jì)算機(jī)或其它硬件電路分析與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。[1]“數(shù)字邏輯”課程教學(xué)一般采用課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，使得學(xué)生掌握數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)的一些理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試以及分析問題、解決問題的能力。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果一直是教學(xué)當(dāng)中的重中之重，因此如何有效利用有限的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)是一個(gè)值得探討的問題。筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)就“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)方法做一次探討。

一、“數(shù)字邏輯”課程的課堂教學(xué)

課堂教學(xué)效果直接決定學(xué)生理論知識(shí)掌握的程度，也影響隨后的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐能否順利進(jìn)行。在課堂教學(xué)中采用任務(wù)式教學(xué)、課堂討論、電路仿真演示以及硬件描述語言電路設(shè)計(jì)等方式進(jìn)行教學(xué)，取得了滿意的效果。

1.任務(wù)式教學(xué)

明確任務(wù)，使學(xué)生掌握方法，做到舉一反三。教學(xué)過程中將 “數(shù)字邏輯”課程的知識(shí)點(diǎn)歸納整理成若干個(gè)任務(wù)。比如數(shù)字電路按邏輯功能分成組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類，主要的問題是電路分析與設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。按電路規(guī)模要求重點(diǎn)掌握的是小規(guī)模和中規(guī)模電路，所以任務(wù)主要有小規(guī)模組合電路的分析、小規(guī)模組合電路的設(shè)計(jì)、中規(guī)模組合集成芯片、中規(guī)模組合電路分析、中規(guī)模組合電路設(shè)計(jì)；小規(guī)模時(shí)序電路分析、小規(guī)模時(shí)序電路設(shè)計(jì)、中規(guī)模時(shí)序集成芯片、中規(guī)模時(shí)序電路分析、中規(guī)模時(shí)序電路設(shè)計(jì)等等。對(duì)于每一個(gè)問題明確任務(wù)，分析解決辦法，歸納一般的解答步驟及注意事項(xiàng)，舉例證明方法的可行性。比如對(duì)于中規(guī)模組合芯片的學(xué)習(xí)，僅以數(shù)據(jù)選擇器為例，引導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱芯片資料，閱讀資料找出芯片的功能表、輸出表達(dá)式，邏輯圖和引腳圖以及典型應(yīng)用。這樣，學(xué)生不僅掌握了該芯片的全部知識(shí)要點(diǎn)，還可以掌握中規(guī)模組合集成芯片這類芯片的學(xué)習(xí)方法。此后，對(duì)于所有此類芯片學(xué)生都能夠通過自行查找芯片資料來掌握，節(jié)約了課堂時(shí)間，學(xué)生也獲得了自主學(xué)習(xí)的成就感。

2.增加課堂討論

精講多練，給予學(xué)生充分的討論時(shí)間。為提高學(xué)習(xí)效果，在提出任務(wù)、介紹原理及方法后，布置課堂練習(xí)。學(xué)生可以一邊練習(xí)一邊自由討論，已理解的同學(xué)在討論中充當(dāng)老師，可以加深印象，鞏固知識(shí)；而沒有理解的同學(xué)可以在討論中積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的積極性，比教師反復(fù)講解的效果好。這種方式可以避免“滿堂灌”式的教學(xué)方式，活躍課堂氣氛，創(chuàng)造學(xué)習(xí)氛圍，提高學(xué)習(xí)興趣，實(shí)踐證明取得了良好的效果。

3.電路仿真演示

在數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)的理論教學(xué)過程中，很多學(xué)生會(huì)覺得枯燥且難以理解。借助Multisim11.0仿真軟件進(jìn)行數(shù)字電路的模擬和課堂演示，可以直觀地顯示電路的功能和時(shí)序電路的時(shí)序波形。比如在講解中用16進(jìn)制計(jì)數(shù)器74161實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，其中復(fù)位法可通過置0或者異步清零兩種方法使得計(jì)數(shù)器從11回0，但置0法必須在計(jì)數(shù)到1011時(shí)使得置數(shù)端為0，異步清零必須在計(jì)數(shù)器為1100時(shí)使得清零端為0才能保證計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制。如果僅用理論講解學(xué)生比較難理解，但通過仿真演示后學(xué)生能夠恍然大悟。因此仿真軟件的使用可以使“數(shù)字邏輯”理論課的教學(xué)更加生動(dòng)活潑，而且學(xué)生在遇到疑問時(shí)也可以通過仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)生通過直觀的仿真結(jié)果，對(duì)電路的工作過程進(jìn)行透徹的分析，提高了學(xué)習(xí)的興趣和效率，促進(jìn)自學(xué)能力和創(chuàng)新能力的提高。

4.引入硬件描述語言

硬件描述語言用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式，適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在教學(xué)的過程中將硬件描述語言Verilog HDL引入課堂，比如在講解邏輯門、數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等基本單元電路的原理之后，給出模塊對(duì)應(yīng)的硬件描述語言，演示仿真波形和綜合結(jié)果。學(xué)生從仿真波形中觀察信號(hào)的邏輯變化，對(duì)數(shù)字邏輯電路的掌握更加透徹，同時(shí)也豐富了教學(xué)內(nèi)容。Verilog HDL語言是一種非常實(shí)用的硬件描述語言，易學(xué)易用，學(xué)生只要有C語言編程基礎(chǔ)，便容易掌握。編程也可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，同學(xué)們感到非常新奇，將被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣，取得了很好的教學(xué)效果。

二、“數(shù)字邏輯”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“數(shù)字邏輯”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。[2]通過數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以基本掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試步驟，學(xué)會(huì)借助萬用表、示波器等實(shí)驗(yàn)儀器排除實(shí)驗(yàn)當(dāng)中遇到的各種故障，從而獨(dú)立分析設(shè)計(jì)各種規(guī)模的數(shù)字電路。實(shí)踐教學(xué)中將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)與硬件描述語言設(shè)計(jì)三種類型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，三者互為補(bǔ)充，提高實(shí)驗(yàn)效果，充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

1.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般利用面包板及用中小規(guī)模芯片完成電路設(shè)計(jì)。其接線模式可以使學(xué)生直觀了解數(shù)字電路是如何工作的，從而掌握電路測(cè)試、調(diào)試以及維修技能。但是部分學(xué)生視這一過程為簡(jiǎn)單的連線工作，往往只注重結(jié)果，不重視過程，造成實(shí)驗(yàn)課就是反復(fù)的接線和碰運(yùn)氣，學(xué)生不能駕馭整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，產(chǎn)生畏難和退縮心里。在實(shí)驗(yàn)課前要求學(xué)生書寫預(yù)習(xí)報(bào)告，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、芯片選型，上網(wǎng)查閱芯片資料，掌握閱讀芯片資料的方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，可以避免機(jī)械化操作，學(xué)會(huì)排除故障，增強(qiáng)操作信心。

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不可避免地會(huì)遇到種種問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出錯(cuò)：可能是電路設(shè)計(jì)或連線過程中出現(xiàn)了問題，也有可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)器材出現(xiàn)了故障。教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)儀器找到故障點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)問題之所在，并想出解決辦法。在未來的實(shí)際工作中，學(xué)生將會(huì)遇到各種各樣的問題，而實(shí)驗(yàn)課正是鍛煉如何解決這些問題的好機(jī)會(huì)。因此實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該向?qū)W生講明排除故障的必要性，并引導(dǎo)其對(duì)獨(dú)立解決各種疑難問題的興趣，增強(qiáng)其信心，令其克服畏難情緒。一旦學(xué)生掌握了排除故障的方法，獨(dú)立解決了問題，他們就會(huì)很有成就感，甚至就此對(duì)排除故障產(chǎn)生了濃厚的興趣。[3]實(shí)踐表明學(xué)生能自主完成所有設(shè)計(jì)，自主分析討論實(shí)驗(yàn)過程中碰到的問題，逐個(gè)排查故障點(diǎn)，最終完成電路調(diào)試。

2.仿真實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)適于以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的一些中小規(guī)模電路的構(gòu)建與測(cè)試。對(duì)于一些比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)則比較費(fèi)時(shí)，如數(shù)字鐘、搶答器、拔河游戲機(jī)、彩燈控制器等。而且在實(shí)驗(yàn)過程中常常因一根導(dǎo)線連接錯(cuò)誤、一個(gè)連接點(diǎn)接觸不良，就致使實(shí)驗(yàn)受阻甚至無法完成，給學(xué)生以挫折感，影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，不利于動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

Multisim11.0是一個(gè)集原理電路設(shè)計(jì)和電路功能測(cè)試為一體的虛擬仿真軟件，其元器件庫提供了數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，其中包含了數(shù)字器件。虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，如數(shù)字萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、直流電源、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀等，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路。[4]采用Multisim11.0軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能充分發(fā)揮想象力，按照自己的想法創(chuàng)建各種電路，從而擺脫實(shí)驗(yàn)箱的束縛。實(shí)踐證明將Multisim11.0應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠使學(xué)生提高學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)習(xí)樂趣，充分發(fā)揮學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

3.硬件描述語言開發(fā)數(shù)字電路

當(dāng)數(shù)字邏輯電路及系統(tǒng)的規(guī)模比較小而且簡(jiǎn)單時(shí)，用電路原理圖輸入法基本足夠了，但是需要手工布線，需要熟悉器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引線特點(diǎn)，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)電路規(guī)模大時(shí)工作量會(huì)相當(dāng)大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間往往不能保證。隨著可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，硬件描述語言已成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要描述方式，采用硬件描述語言進(jìn)行數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到分析設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課的轉(zhuǎn)變。利用Verilog HDL硬件描述語言進(jìn)行數(shù)字鐘、搶答器、交通燈控制電路等的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生利用課堂知識(shí)進(jìn)行編程、仿真、綜合和下載到可編程邏輯器件中運(yùn)行以觀察結(jié)果。學(xué)生還可以按照自己的想法自行設(shè)計(jì)其它數(shù)字電路進(jìn)行仿真、下載調(diào)試，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和綜合實(shí)踐能力。

此外還通過舉辦電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、綜合設(shè)計(jì)等方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，也提高了學(xué)生綜合應(yīng)用的能力，收到了良好的教學(xué)效果。

三、結(jié)論

數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類的各個(gè)方面，從計(jì)算機(jī)到手機(jī)，從數(shù)字電話到數(shù)字電視，從家用電器到軍用設(shè)備，從工業(yè)自動(dòng)化到航天技術(shù)，都采用了數(shù)字電子技術(shù)。[5]因此“數(shù)字邏輯”課程對(duì)于計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)來說是一門很重要的課程。筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)方法進(jìn)行深入探討，在課堂教學(xué)中采用任務(wù)式教學(xué)，增加課堂討論，借助仿真軟件進(jìn)行電路演示，利用硬件描述語言進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)和硬件描述語言實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合、互為補(bǔ)充，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，取得了很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）[M].第5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]孫麗君，張曉東，魯可.“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探析[J].中國(guó)電力教育，2013，（13）：67-68.

[3]王宇，崔文華，王寧，等.興趣導(dǎo)向的數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2010，（17）：38-40.

[4]黃穎，關(guān)宇，徐勇，等.Multisim11.0仿真軟件在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用[A].中國(guó)電子教育學(xué)會(huì)高教分會(huì)2012年論文集[C].2012：169-172.

[5]江國(guó)強(qiáng).EDA技術(shù)與應(yīng)用[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

（責(zé)任編輯：王意琴）