從項目實踐中“揭秘”數字邏輯設計

王 珂 唐 溢

（電子科技大學成都學院，成都 611731）

數字邏輯設計是繼電路分析、模擬電路技術課程后，電子類專業的一門重要的基礎課，該課程擁有學生開展課外科技創新活動所需的必備知識，是解決工程實際問題的重要理論和方法的來源。但是，該課程理論性強、實踐要求高，在新技術條件下，數字電路逐漸向高度集成化、智能化發展。因此，在培養實用型人才的過程中，對基礎階段的知識技能掌握尤為重要。傳統的教學方式主要偏重于理論授課，但是大部分學生隨著內容的遞進、知識難度的增加，不能很好地和實際應用結合到一起，學習起來喪失興趣。

如何根據課程的特點進行合理的教學設計，改善現有的教學狀況，使學生能夠根據實際情況分析問題、解決問題，變得尤為重要。而現行的CDIO工程教育模式代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習，其教育理念可以很好地解決目前學生在學習本課程理論知識時缺乏工程實踐能力的現狀。

為了提高數字邏輯設計課程的教學質量，與CDIO教育理念有機融合，現階段課程的教學指導思想從理論知識的集中講授、按圖索驥追求解題技巧轉向“CDIO項目實踐驅動法”，通過不同難度等級的項目設計和制作，引導學生加強理論基礎知識的理解，提高數字電路的分析設計能力和工程實踐意識[1]。

1 項目實踐貫穿數字邏輯設計課程

1.1 拋出項目

對于剛接觸一門新課程的學生來說，興趣至關重要。首先選用一個簡單、容易上手但具有代表性的工程項目為切入點，吸引學生的注意，進而引導學生開始本課程學習。例如，以“表決器的設計與制作”為主題，要求學生了解該電子產品在現實生活中的應用，查閱資料了解其工作原理，并進一步學習相關知識，分組合作研討，最終實現產品的功能。

1.2 理論儲備

數字邏輯設計課程是電子類專業的重要基礎課程，在電子類專業的研究生升學考試中屬于專業課必考科目，所以系統的理論學習非常重要[1]。在課堂教學中要講技巧、講方法，力爭充分調動學生的課堂能動性。以知識點“邏輯函數的卡諾圖化簡”的講授為例，隨著變量個數的增多，卡諾圖的現有方塊和增加的方塊之間邏輯相鄰關系，學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，學生可以先根據自己對該知識點的理解得出一個結果，然后比對本結果是否是最簡的，從中發現化簡規律，為自己的“問號”畫上“句號”。

圖1 二變量到三變量卡諾圖的轉化

1.3 項目實施

所謂“學以致用”，就是將學習到的理論知識應用到項目實踐中。明確項目任務，學習理論知識，具備解決實際問題的能力后，學生還要將其運用到實際制作中，真正做到以做促學[2]。在本階段，學生需要根據項目任務查閱資料，完成方案設計、電路原理圖設計、元器件的選擇和檢測、電路的硬件制作以及實物的功能測試和調試。以設計項目一“表決器的設計與制作”為例，提出項目設計目的：掌握小規模組合邏輯電路（SSI）的設計方法，鞏固課堂上學到的知識；掌握一些常見的數字電路芯片的使用方法；通過分組完成，培養創新意識和團隊精神。

1.3.1 方案設計

用五個按鍵代表五位評委，當按下開關時，代表同意，該評委的紅色指示燈亮；開關沒有被按下去，表示不贊成，該評委的紅色指示燈不亮；評委按照自己的意愿投票，選擇是否按下開關。

按照少數服從多數的原則對五個開關的狀態進行譯碼；多數通過（≥3）時，表示選手通過考核，綠色指示燈亮；少數通過（≤2）時，表示選手未通過考核，紅色指示燈亮。

1.3.2 設計過程

根據要實現的邏輯功能，列出真值表、寫出邏輯表達式、并化成最簡形式。選擇芯片74LS0074LS1074LS32完成電路設計。

1.3.3 電路仿真

為了事先驗證功能是否能夠實現，本組成員使用multisim軟件對設計的電路進行了功能仿真，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服從多數的表決電路的設計與制作，功能實現，效果良好。

圖4 少數通過的表決情況

圖3 多數通過的表決情況

1.4 項目答辯和反思

整個流程下來，學生對理論知識有了進一步的了解，并且體會到科技的神奇，簡簡單單的幾個元器件，通過電路設計和制作就組成了以前認為很不可思議、很高端大氣的設備。為了鞏固學習過的知識，查漏補缺，每個項目完成以后進行答辯，回顧整個過程，回答以下問題：了解了哪些電子元件的工作原理？暴露出哪些知識掌握上有不足之處？在分組完成的過程中，每個人的分工是怎么樣的？自己對各部分電路以及整個電路的認識、對各部分功能的準確分析是否正確？該項目還有沒有拓展的空間？在解答此類問題的過程中，學生可以提升自己的專業知識技能。

在項目實踐的教學過程中，教師的作用更多地體現在引領上，發現問題、解決問題的實施主體是學生[3]。項目設計結果不再有唯一的標準答案，要求學生綜合運用所學知識、積極思考才能建立合理的項目實踐方案。

2 配套改革環節

“CDIO項目驅動法”提出以后，得到課程組幾位教師的一致認可。為了通過本次教學改革令學生在打好理論基礎的同時具備分析實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，在課堂教學環節，任課過程是在特定的場景下，師生融洽的互動過程中進行的。這樣的授課過程易于把課堂氣氛調動起來，明顯地提高了學生的參與度和積極性，使之在互動問答中輕松掌握所授知識。

2.2 吻合課程的項目任務的設計

根據理論知識，合理安排4個基礎實踐項目——表決器、搶答器、計數器、電子鐘表的設計與制作。為每個項目制定項目要求和目標，包括項目的任務、技術要求、性能要求、技術路線等，要求學生分組根據所學內容進行方案論證、設計電路、制作實物、完成項目設計報告，并進行PPT演講答辯考核，真正做到“學中做、做中學、以做促學”。

2.3 合理設置課內、外教學過程，形成以過程為重點的考評體系

將考核分為三個部分：日常考核、項目考核以及期終考核。根據學生的日常表現（聽課效果、作業情況、考勤情況）來完成日常考核，以維持正常的上課秩序，保證應有的課程進度和提高學生對本課程的重視程度[4]。根據每個項目的完成情況、小組的協作分工情況、項目匯報、項目總結報告等綜合評定學生的項目考核成績，以了解學生在課程中的工程綜合素質能力的培養情況。每一位學生在學習的過程中是否努力、認真，都有跡可循，更能保證最終成績的合理性，而且項目的制作分組完成，集眾人之力，各有所長，也考察了學生的協作能力，有利于綜合素質的進一步提升。

3 結語

數字邏輯設計課程屬于電子類經典課程，傳統的教學方式已經根深蒂固。新的授課形式是否能被學生認可并接受、激發學生的學習興趣，是筆者在改革過程中嚴密關注的一個環節。因此，在半期和期終，筆者分別就學生對教學要求、內容、方法、項目開展情況等進行了教學質量調查和反饋，來了解學生對本課程的回饋情況，據此對不恰當的環節及時予以更正。調查發現，通過項目實踐，學生體會了自己親手制作一個電路設計的過程，將所學的知識與實際應用有效地聯系起來，拓寬了知識面，培養了動手能力，增強了自學能力，了解到數字電子技術基礎這門課程的重要性及其實用價值。

[1]王敬時，湯敏.“數字電路與邏輯設計”教學改革探索[J].中國電力教育，2014，（18）：61-62.

[2]賀力克，邱麗芳.數字電子技術項目教程[M].北京：機械工業出版社，2012：21-25.

[3]唐普英，姜書艷，郭小偉.“數字邏輯設計及應用”探究式教學實踐[J].實驗科學與技術，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.