計(jì)算機(jī)數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)教學(xué)思考的論文

　　摘要：現(xiàn)有的數(shù)字邏輯課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，一般僅包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)；為了提升計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的實(shí)際工程分析能力，引入了課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)設(shè)計(jì)小型數(shù)字系統(tǒng)，加深了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯；課程設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)

　　一、概述

　　“數(shù)字邏輯”課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)應(yīng)用數(shù)字電路進(jìn)行小型數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。其目的是使學(xué)生掌握組合電路和時(shí)序電路的工作原理、分析方法和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的思維能力[1]。當(dāng)前，大部分高校的數(shù)字邏輯課程的實(shí)踐教學(xué)只是在課堂教學(xué)之外引入了實(shí)驗(yàn)課程，并且使用的是“實(shí)驗(yàn)箱和邏輯門(mén)電路”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生并不能夠理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)意義[2]。另外，數(shù)字邏輯課程屬于一門(mén)實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，不僅要重視基礎(chǔ)理論教學(xué)，還應(yīng)該加強(qiáng)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)類專業(yè)“數(shù)字邏輯”課程在實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題如下[3，4]：

　�。�1）課程概念較多且比較抽象，在實(shí)際教學(xué)中以理論教學(xué)為主，忽視了依托實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行講授的實(shí)踐教學(xué)方法。

　�。�2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是簡(jiǎn)單的機(jī)械式重復(fù)，按照課本要求設(shè)計(jì)全加器、選擇器、譯碼器等簡(jiǎn)單電路，學(xué)生不知器件的實(shí)際用途，也不會(huì)利用所學(xué)的知識(shí)組合設(shè)計(jì)應(yīng)用性電路系統(tǒng)。

　�。�3）傳統(tǒng)教學(xué)一般未考慮數(shù)字邏輯與其他課程的相關(guān)性，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往包含軟件和硬件設(shè)計(jì)，學(xué)生無(wú)法掌握完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

　　因此，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)類專業(yè)“數(shù)字邏輯”課程，多重視系統(tǒng)理論完整性，忽略了整體優(yōu)化，尤其是實(shí)踐教育環(huán)節(jié)有待優(yōu)化。“數(shù)字邏輯”課程建設(shè)大綱中，除要安排理論教學(xué)外，還需有大量的實(shí)踐環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到后續(xù)的計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程，如《計(jì)算機(jī)組成原理》的學(xué)習(xí)，因此，需要改革課程的實(shí)踐教學(xué)體系，為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。本文對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的“數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)”教學(xué)體系建設(shè)方案進(jìn)行探索，構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，制定教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)模式，并設(shè)計(jì)考核方式。

　　二、數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

　　數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，一般是讓學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不需要進(jìn)行分析和討論即可完成�！皵�(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)”計(jì)劃設(shè)計(jì)為探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，要求所設(shè)計(jì)的小型數(shù)字系統(tǒng)具有實(shí)用、新穎、有趣等特點(diǎn)，能夠激發(fā)起學(xué)生的研究興趣和熱情。課程設(shè)計(jì)與課程實(shí)驗(yàn)相比有本質(zhì)的區(qū)別，其目的不是為了獲得某一結(jié)果或證實(shí)某一結(jié)論，而是通過(guò)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的理解和分析，學(xué)習(xí)科學(xué)研究問(wèn)題的方法，并彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足之處。其意義在于，通過(guò)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)給予了學(xué)生自由研究和創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，通過(guò)對(duì)一個(gè)小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)字電路設(shè)計(jì)、調(diào)試和創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)、獨(dú)立地解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后從事相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。

　�。ㄒ唬�實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

　　隨著計(jì)算機(jī)處理能力的提升，EDA（電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析）技術(shù)已成為電路系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的有力工具，借助EDA軟件進(jìn)行數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)，突出了以學(xué)生為中心的開(kāi)放模式，激發(fā)學(xué)生大膽想象并嘗試各種不同的設(shè)計(jì)方案、采用不同的集成元器件，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)有所幫助。Multisim軟件是在EWB的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的專業(yè)仿真軟件，可以對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行模擬仿真分析，已經(jīng)成為數(shù)字邏輯電路仿真實(shí)驗(yàn)的理想工具[5]。因此，數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)計(jì)劃基于Multisim軟件平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境。

　�。ǘ�）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

　　計(jì)劃設(shè)計(jì)3-4個(gè)實(shí)用的小型數(shù)字系統(tǒng)項(xiàng)目作為課程設(shè)計(jì)題目，在五周共計(jì)20學(xué)時(shí)的集中教學(xué)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生3-5人一組，選擇一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，課程結(jié)束時(shí)，分組展示課程設(shè)計(jì)成果，并書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生已經(jīng)掌握了組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路以及中大規(guī)模電路設(shè)計(jì)的方法。因此，在課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，計(jì)劃引入綜合性的小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而系統(tǒng)選題的設(shè)計(jì)是非常重要，要求綜合考慮各方面問(wèn)題。首先，課題的難度要合適，既要保障大部分學(xué)生通過(guò)上學(xué)期的學(xué)習(xí)以后，能夠設(shè)計(jì)出給定的數(shù)字系統(tǒng)；同時(shí)，要求學(xué)生需要花費(fèi)一定的精力進(jìn)行思考和分析才能完成。其次，課題的內(nèi)容要與實(shí)際相結(jié)合。與學(xué)生生活相關(guān)的數(shù)字系統(tǒng)，能夠吸引學(xué)生的興趣，并激發(fā)學(xué)生研究的熱情。部分課程設(shè)計(jì)題目如下：

　　設(shè)計(jì)1：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帶有校時(shí)功能、可定時(shí)起鬧的數(shù)字電子鐘。（1）計(jì)時(shí)以24小時(shí)為一個(gè)周期；（2）“時(shí)”、“分”采用十進(jìn)制數(shù)字顯示；（3）“秒”信號(hào)采用小數(shù)點(diǎn)顯示，具體為驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管；（4）要求具有校準(zhǔn)時(shí)間功能，可調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間或指定時(shí)間；（5）要求具有鬧鈴功能，可以設(shè)定鬧鈴時(shí)間，并按時(shí)發(fā)出聲音，且發(fā)出的聲音長(zhǎng)短可調(diào)；

　　設(shè)計(jì)2：設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)算器系統(tǒng)。（1）要求能夠進(jìn)行8位數(shù)字的加、減、乘、除四則運(yùn)算；（2）要求能夠顯示操作數(shù)以及運(yùn)算結(jié)果；（3）要求源操作數(shù)和目的操作數(shù)能夠在四個(gè)不同的寄存器間任意選擇；（4）要求能夠提供“溢出”報(bào)警信號(hào)。

　　設(shè)計(jì)3：設(shè)計(jì)一個(gè)汽車尾燈控制電路。（1）汽車左右各具有三個(gè)尾燈，共計(jì)六個(gè)。設(shè)計(jì)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)，具有四種組合，分別代表汽車的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停車四個(gè)狀態(tài)；（2）系統(tǒng)運(yùn)行如下：汽車正常前進(jìn)時(shí)，六個(gè)燈全亮；汽車右轉(zhuǎn)時(shí)，右邊的三個(gè)燈自左向右順序循環(huán)點(diǎn)亮；汽車左轉(zhuǎn)時(shí)，左邊的三個(gè)尾燈自右向左順序循環(huán)點(diǎn)亮；汽車停車時(shí)六個(gè)燈全部隨CP時(shí)鐘閃爍；（3）添加譯碼器和七段顯示數(shù)碼管，用于顯示汽車前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停車，對(duì)應(yīng)七段數(shù)碼管的顯示分別為：D、L、R、P；（4）最后，添加蜂鳴器，用于在轉(zhuǎn)向時(shí)，發(fā)出示警聲音。

　�。ㄈ�）教學(xué)實(shí)施方式

　　數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)計(jì)劃安排在本科二年級(jí)下半年的前五周，每周半天4節(jié)課，共計(jì)20個(gè)課時(shí)。學(xué)生可以在給定的課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)中選擇一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)劃分組進(jìn)行，每組2-3人，設(shè)組長(zhǎng)一名，負(fù)責(zé)任務(wù)的分解和聯(lián)絡(luò)，采用集體合作，單獨(dú)計(jì)算成績(jī)的考評(píng)方式。學(xué)生的課程設(shè)計(jì)實(shí)施步驟如下：（1）制定出設(shè)計(jì)方案；（2）選定合適的器件，畫(huà)出邏輯圖；（3）畫(huà)出集成電路芯片布局布線圖；（4）利用仿真軟件，進(jìn)行調(diào)試；（5）寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告并提出改進(jìn)意見(jiàn)。具體實(shí)施方式為：第一次課程結(jié)束后，課程組長(zhǎng)組織組員選定題目，討論課程設(shè)計(jì)的具體分工和實(shí)施計(jì)劃，并遞交計(jì)劃文檔。中間的三周為具體實(shí)施階段，指導(dǎo)老師每次課程中需要檢查各小組的實(shí)施進(jìn)展，了解遇到的問(wèn)題，并討論解決方案；最后一周學(xué)生需要書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告，并設(shè)計(jì)課程PPT，展示所設(shè)計(jì)的成果，向全班學(xué)生講解其系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

　　（四）課程考核方法

　　課程的考核成績(jī)?yōu)槿齻�(gè)部分，其中：課程設(shè)計(jì)報(bào)告占50%，課程匯報(bào)占20%，平時(shí)表現(xiàn)占30%。上述三項(xiàng)一項(xiàng)不合格則整體成績(jī)不合格，設(shè)計(jì)報(bào)告雷同者成績(jī)不合格。課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容包括：（1）問(wèn)題描述與分析（設(shè)計(jì)任務(wù)）；（2）背景知識(shí)；（3）設(shè)計(jì)思路和內(nèi)容；（4）對(duì)關(guān)鍵電路進(jìn)行分析；（5）測(cè)試以及結(jié)果分析；（6）總結(jié)。所選設(shè)計(jì)難度不同，完善程度不同等均影響到最終成績(jī)判定。設(shè)計(jì)內(nèi)容上只提出基本設(shè)計(jì)要求，只達(dá)到基本要求者，僅能獲得基本分，學(xué)生需要發(fā)揮想象力，擴(kuò)充電路功能才能評(píng)優(yōu)。課程匯報(bào)的評(píng)價(jià)方式為：現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生對(duì)每組的匯報(bào)進(jìn)行打分，教師根據(jù)學(xué)生的評(píng)價(jià)計(jì)算加權(quán)分值。平時(shí)表現(xiàn)通過(guò)考勤以及對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行考核，用于區(qū)分組內(nèi)成員之間的分值，具體由指導(dǎo)老師進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　本文分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)數(shù)字邏輯課程實(shí)踐教學(xué)中的不足，并引入了數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。講解了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建方法，設(shè)計(jì)了具體的課程設(shè)計(jì)案例，分析了教學(xué)實(shí)施方式，并給出了課程的考核方法。通過(guò)引入小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，完善了數(shù)字邏輯課程的實(shí)踐教學(xué)體系，提高了學(xué)生對(duì)數(shù)字邏輯課程的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提升了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力以及工程項(xiàng)目思維和素養(yǎng)。

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