基于工程教育專業認證的數字邏輯課程改革

林 姍，李 浩

（湖北工業大學 計算機學院，湖北 武漢430068）

0 引 言

隨著計算機技術的迅速發展，新器件和新方法出現，必然引起專業基礎課程內容的調整和優化。同時，根據我國工程教育認證協會于2006年按照《華盛頓協議》的認證標準和方法開始的工程教育專業認證對高校人才培養目標的要求，依照以學生為中心的人才培養理念，課程教學改革勢在必行。數字邏輯課程是計算機專業重要的專業基礎課程，系統地介紹了數字邏輯電路分析與設計相關的基本概念、數學工具、基本分析方法和設計方法等，是學習后續計算機組成原理、嵌入式系統等課程的重要基礎，也是需要進行課程教學改革的重要課程。

1 課程教學中存在的主要問題

（1）教學內容側重底層單個器件的功能及其組成的組合邏輯電路和時序邏輯電路,難以滿足實際生活中的應用；系統規模較小，難以跟上數字系統發展的新技術和新工具。

（2）傳統的教學方法不利于學生學習掌握相關知識。傳統的教學方法是教師先在教室講授理論課, 主要講授電路分析與設計的相關理論和基本方法，然后讓學生到實驗室進行實驗，而實驗內容主要也是驗證上課講述的例題，其結果是大部分學生機械地按照實驗要求完成了實驗內容,大多時候可能都不清楚要解決的具體問題是什么。

（3）實踐教學方法落后，評價方式過于單一導致教學效果較差，學生認識不到課程的重要性,學習主動性不強。

2 課程教學改革思路

2.1 更新教育理念

為了實現由傳統知識灌輸向能力培養的轉變, 應更新教育理念，逐步形成以學生為中心,以掌握知識為基礎, 以能力培養為主線,以素質提高為目標的新教學方法[1]。教學中要將傳統的以教師為主的教學模式轉變為以學生為主體, 采用啟發式、討論式和研究式等教學方法, 真正實現從灌輸課堂向對話課堂的轉變、從封閉課堂向開發課堂的轉變、從知識課堂向能力課堂的轉變、從句號課堂向問號課堂的轉變。

2.2 優化調整教學內容

數字邏輯電路是計算機科學專業的專業技術基礎課程，后繼課程包括計算機組成原理、微機原理與接口技術、嵌入式系統等。課程內容涉及數字系統構成基本功能單元相關的基礎理論、組合邏輯電路及時序邏輯電路的分析和設計方法,是一門工程實踐性較強的課程,對于計算機專業的學生而言，該課程在自己所學的專業知識體系中占有相當重要的地位。同時,對于后繼專業課程的學習以及提高工程實踐能力都有著極其重要的作用。計算機專業重在應用基本邏輯器件設計系統,而不是底層器件的設計,因此，數字邏輯電路這門課程應當加強功能級器件及其應用的教學內容，培養學生將這些內容應用于小型數字系統設計的能力。

2.3 改進實踐教學方式

數字邏輯電路的實踐教學以培養學生創新精神和實踐能力為主要目標,從實驗內容、課程設計、評估體系等方面進行改進，以切實提高學生理論與實踐相結合的能力，在能力培養方面有所增強。

3 課程改革的具體實施

3.1 調整與優化課堂教學內容

目前，數字邏輯教學內容主要包括邏輯代數、集成門電路與觸發器、組合邏輯電路的分析與設計、時序邏輯電路的分析與設計、中規模集成電路的應用及可編程邏輯器件等[2]。在教學內容確定的基礎上, 對教學內容進行調整和優化。在教學過程中，首先講解相關的基本概念，特別是二進制數的表示和邏輯代數基礎知識。然后，進入數字邏輯電路的學習，在此過程中重視門電路、觸發器的外部特性及基本功能，并突出基于它們的組合邏輯電路及時序邏輯電路相關應用的設計過程。最后，特別強調要利用仿真軟件測試設計的結果是否符合功能要求。

具體實施時，邏輯門電路著重于邏輯功能、外部特性和典型應用，如對基本與非門、三態門、集電極開路與非門只介紹其功能、符號及主要應用, 刪去電路的內部結構及工作原理分析。另外，將觸發器的主要內容縮減為一小節，只通過基于與非門構成的基本R-S觸發器介紹觸發器的基本工作原理，特別強調為何觸發器具有存儲功能并能實現時序電路，然后對基本R-S觸發器的不足進行分析，并針對這些不足進行改進，從而引入JK觸發器、D觸發器及T觸發器等常用器件，并讓學生結合空翻現象理解為何使用邊沿觸發的觸發器，但對觸發器的內部實現電路不做詳細展開，從而讓學生側重于觸發器的功能、外部符號及特性。

3.2 綜合應用所學知識解決實際問題

組合邏輯電路和時序邏輯電路部分的教學，結合實際生活中的計數器、序列檢測器等電路的設計過程讓學生掌握基于小規模邏輯電路的設計思路和方法；適當增加加法器、移位寄存器等器件的設計，讓學生能夠理解計算機系統基本功能單元的實現；同時，對于同一個例子分別引入中規模器件，使知識更加系統化，并拓展相關應用，達到觸類旁通的效果。

以組合邏輯電路的設計中一位全加器的設計為例，通過該設計，學生可了解和掌握組合邏輯電路設計的基本步驟，并使用基本邏輯門電路芯片74LS86、74LS00等實現電路功能的仿真。在此基礎上，要求學生設計四位全加器，并指出串行加法器存在的問題，從而引入實現四位并行加法功能的集成器件74LS283。進一步拓展，基于74LS283加入控制輸入端實現全加/全減器。該例子實現了基本門電路 → 一位加法器（組合邏輯電路）→ 四位并行加法器（集成器件）→ 基本算術運算器（小規模數字系統）的層層遞進，讓學生更好地理解知識點并將其應用于實際系統的設計中。

3.3 優化數字邏輯實驗教學內容

實驗教學的目的不僅僅是驗證已知的理論，訓練學生的基本實驗技能，更重要的是培養學生的實踐動手能力和根據所學知識解決問題的能力。以湖北工業大學為例，根據學校的教學改革要求，數字邏輯實驗只有10學時，因此，學校根據實際情況對實驗內容和實驗教學安排進行了調整。

實驗安排了3個主題：基本邏輯門電路和觸發器功能測試（2學時）、組合邏輯電路設計（4學時）和時序邏輯電路設計（4學時）。除第1個主題全為驗證型的實驗內容外，其他兩個分為驗證和進階提高兩部分。實驗過程削弱了使用數字邏輯電路實驗箱的部分，引入并加強了對仿真軟件的應用，仿真軟件建議學生采用Proteus或者Quartus。這樣可以避免實驗室資源不夠及教學時間不足的限制，學生利用業余時間基于仿真軟件完成驗證型實驗和設計型實驗的主要過程，教師利用實驗課堂針對學生個體存在的問題進行輔導和答疑，讓學生能夠在獨立自主完成實驗內容的同時，又能通過與老師的個別交流解決其自身難以解決的一些問題。

另外，為了提高學生的學習興趣，需結合教學內容選擇有一定難度的設計作業，讓學生完成作業的同時自己可利用仿真軟件對設計結果進行驗證，并結合這種方法強化完善課堂的教學內容。比如，由于課程理論教學學時的限制，一般對脈沖異步時序邏輯電路的設計內容只能以一個例子進行介紹。為了讓學生理解異步時序邏輯電路的設計，可布置一道作業題：用D觸發器作為存儲元件，設計三位減法計數器，該計數器在輸入脈沖的作用下實現計數，且當計數器歸零時在輸入脈沖的作用下輸出一個借位脈沖，并完成該電路功能的仿真。通過這個作業，學生可以有效地掌握脈沖異步時序邏輯電路設計的基本過程；器件的選擇，如D觸發器使用74LS74；根據選擇的器件優化異步時序邏輯電路的設計；電路的繪制；電路功能的仿真等內容。這個過程可極大地提高學生學習的自主性和積極性。

3.4 加強課程設計環節

為了彌補實驗教學學時較少的不足,進一步調動學生學習的主動性和培養學生的創新能力,本課程開設了課程設計。課程設計的題目大多與實際應用相關，如汽車尾燈控制器、數字密碼鎖電路、洗衣機工作控制電路等，課程設計可使學生加深理解、鞏固所學理論知識,同時提高綜合應用的能力。通過實踐發現,好的選題不僅可以調動學生的主觀能動性,還可以激發學生的創造熱情。

課程設計也是要求學生采用仿真軟件課下完成設計和仿真,這樣可以彌補實驗室資源使用的不足。另外，通過撰寫課程設計報告，學生可以進一步理清數字邏輯電路設計的基本方法和步驟，掌握數字系統設計的思想和方法,同時將文獻查閱和論文撰寫綜合起來,增強工程實踐能力。

3.5 改進考核評價方式

對學生學習效果的評價，不再單一地以平時作業和考試成績為主，而是強調平時的課堂表現、實驗完成情況以及學習過程中相對自身的進步。

針對學生的不同情況, 實行個性化教學, 做到因人施教。尤其對于那些對數字邏輯這門課程學習能力較差的學生,通過個別交流讓其掌握分析問題的思路, 解決問題的方法, 使他們能在理解的基礎上逐漸找到適合自身的學習方法，并形成自己的思考方式，對這類學生以他們相對自身的進步來給定每次作業和實踐的成績更加公平。

另外，實踐成績的給定綜合考慮文字性的報告和完成的電路及其仿真結果的展示兩個方面。評價時，只有文字報告對仿真結果的分析條理清晰，知識點理解正確，且能夠自行設計有效的驗證方式，并能清楚說明測試思路才可能為優。或者在設計實現時有自己的創新性的設計想法并能付諸實現。這樣避免了以往只看實驗報告，不注重學生實踐中間過程帶來的評價的片面性。同時，如果沒有仿真過程的演示和結果分析，則不能通過本課程實踐部分的考核，以督促學生參與實踐。這種評價方式充分調動了學生的興趣和主觀能動性，大多數學生都能自覺完成實踐要求并提出自己的想法。

4 結 語

數字邏輯課程的實踐性很強,其教學重點在于基于門電路和基礎器件的組合邏輯電路和時序邏輯電路的設計。因此針對計算機科學與技術專業的培養特點,基于工程教育專業認證，在課程教學過程中轉變教育理念,以學生為中心，注重學生學習的個體差異；轉變教學方法，從以灌輸為主轉向以對話式教學為主；同時加強對學生實踐能力的培養，改進考核方式。近三年的教學實踐取得了良好的教學效果，在課堂學習和實踐過程中，學生能逐步摸索出適合自身的學習方法，并有效地提高實際動手和系統解決問題的能力。