“數字邏輯技術”教學改革探索＊

周天劍，王慶娟，周雁，呂繼方

（1.北京理工大學珠海學院，廣東珠海 519085；2.江蘇海洋大學海洋工程學院，江蘇連云港 222005）

“數字邏輯技術”是計算機科學與技術專業的專業必修課程，是一門理論性和實踐性較強的基礎課程[1]。為了適應新工科建設下對人才培養的要求，本文探究了一種基于EDA（Electronics Design Automation）技術的“數字邏輯技術”的教學改革，在教學中增加電子設計自動化軟件、硬件描述語言Verilog HDL 和可編程邏輯器件等知識，完成邏輯電路的設計、仿真和驗證。

1 教學現狀分析

結合本專業的培養要求，“數字邏輯技術”的課程目標是培養學生系統分析與設計的能力，基于此，教學團隊在實踐教學過程中分析總結了傳統的“數字邏輯技術”課程教學中存在以下幾方面問題：①理論教學方式單一。教學過程中基本是以教師講授為主，通常只采用課件就完成了電路結構、功能和應用等知識的介紹；對于首次接觸電路的學生而言，容易導致學生感到內容枯燥、知識抽象，從而無法較好地理解課程內容，更無法培養其系統的設計和分析能力。②實驗教學內容和形式落后。傳統的實踐教學采用傳統的74 系列芯片在面包板上搭建電路，利用數字實驗箱提供的邏輯高低電平和發光二極管分別作為輸入信號和輸出信號來完成實驗內容，但受到實驗箱上硬件資源的限制，學生只能做一些驗證性實驗，無法完成某些綜合性的實驗。③課程考核機制不完善。傳統的考核方式以平時成績、實驗報告和期末成績為主，缺少對學生實踐動手能力、綜合設計能力和團隊合作能力的評價。

2 理論教學改革

2.1 理論教學改革方案

在教學過程中，優化課程內容，突出教學重點，將EDA 仿真設計軟件應用于課程教學中，改變了單一的教學方式，提高了學生的學習興趣，達到預期的教學效果。

堅持以學生為中心，有選擇地講授課程知識。在大綱的定制中將內容分為4 個模塊，即邏輯電路基礎、組合邏輯電路、觸發器和時序邏輯電路。首先舍棄與其他課程存在交叉重復的內容，如數制、二進制數的算術運算等知識點會先在“計算機科學概論”“高級程序語言”課程中學習，讓學生在課后自學復習，在課堂上測試檢查即可；像存儲器的相關知識將在“計算機組成原理”課程中學習，則直接舍棄不講。其次舍棄那些對于本專業而言不重要的知識點，如門電路的內部工作原理、像電路結構的觸發器、異步時序邏輯電路的分析等知識點，需要簡化教學內容。

在理論教學中，只通過對電路原理的講解，學生很難理解其深刻的含義及應用。因此，在課堂上采用理論講解與EDA 仿真相結合，使用軟件Multisim 設計和仿真一些功能抽象和邏輯復雜的電路，動態地展示電路變化，將數字電路的邏輯運行結果形象地展示給學生，以輔助學生理解數字電路的工作原理[2]。

2.2 理論教學改革實例

圖1 當使能信號無效時74HC138 的狀態仿真圖

圖2 當使能信號有效時74HC138 的狀態仿真圖

3 實踐教學改革

3.1 實踐教學改革方案

實驗教學是本課程的重要組成部分，在課程中引進了以現場可編程邏輯器件（FPGA）為核心的實驗平臺[3]。引入FPGA 技術，既能夠讓學生了解現代數字系統的發展趨勢，又能掌握一種現代的主流的設計方法，體會其優越性。基于此平臺完成“理實結合”和“虛實結合”的教學內容，模塊化設計實驗內容，共設計了6 個實驗，具體安排如表1 所示。

表1 課內實驗安排

以項目驅動式開展實驗教學，首次實驗課以往屆學生的綜合實驗作品為模板，介紹綜合實驗所包含的核心模塊與實驗內容的關聯性。要求學生從實驗1—實驗6 都在同一個工程中完成，保留好每次實驗后的工程文件。實驗6 則是通過調用前面學過的模塊設計完成，如數字時鐘的設計按模塊劃分為計數器、分頻器、數碼管的動態顯示、譯碼器幾個核心模塊，通過完成前面的基礎實驗，最后完成綜合實驗。要求學生通過自主學習后完成諸如整點報時、校時、鬧鐘、秒表等拓展功能。在實驗的教學中實現了由單元到系統，由已知知識到拓展知識的完整流程，得到了學生較好的反饋。

3.2 實踐教學改革實例

理論課中已經通過虛擬仿真軟件Multisim 完成了對譯碼器芯片74HC138 的邏輯功能仿真和介紹，如圖3 所示，在此基礎上實驗二的譯碼器部分則要求以FPGA 開發流程為引導，利用QuartusⅠⅠ完成譯碼器的Verilog HDL 建模，使用Modelsim 進行電路功能的仿真，最后在FPGA 上實現3—8 線譯碼器。

圖3 74HC138 的功能仿真圖

當使能信號無效時FPGA 實驗箱驗證圖如圖4 所示，當使能信號有效時FPGA 實驗箱驗證圖如圖5所示。

圖4 當使能信號無效時FPGA 實驗箱驗證圖

圖5 當使能信號有效時FPGA 實驗箱驗證圖

4 考核評價機制改革

借助在線教學平臺，實施全過程性的教學管理，并制定多元化的考核方式。將教學活動中的各個環節納入考核，如在線視頻、測試、作業、課堂討論、實驗過程及簽到等環節。

對實驗成績評定的改革，經過4 輪的教學實踐，形成了注重動手能力培養、團隊合作的考核方式。改革前的實驗成績基本以學生提交的實驗報告為主要依據，對學生的實操缺少評價，存在學生課上不認真完成實驗，課下編造實驗數據，或者抄他人實驗數據的現象。所以在實驗評價中增加實驗課上動手情況記錄，實驗能力的評價以小組為單位進行檢查，當小組所有學生都完成實驗內容后現場演示并回答教師的問題，教師根據實驗結果對實驗能力進行評價，激發學生的學習興趣和動手操作能力。

5 結束語

課程組分析了“數字邏輯技術”課程存在的問題，從教學內容、實驗平臺、考核方式等方面進行了改革。實踐結果表明，基于EDA 技術的教學內容較好地培養了學生的實踐動手能力、創新能力及團隊協作能力。學生在學習過程中，能夠學以致用，體會到理論課內容在實驗課中的指導作用，實驗課又加深了對理論課的理解，提升了學生的學習興趣和學習效率。