“數字電路與邏輯設計”教學改革探索

摘要：隨著科技進步，數字系統的研發和應用不斷深入并迅速拓展，當今社會對電子信息類專業畢業生的要求越來越高，作為專業基礎課的“數字電路與邏輯設計”在其知識體系中占據重要地位。結合近年來的教學工作，分析了傳統的教學方式和方法中存在的問題，此基礎上從教學內容、手段、考核方式等方面詳細闡述了“數字電路與邏輯設計”教學改革的指導思想和相關措施。

關鍵詞：數字系統；邏輯設計；教學改革

中圖分類號：G642.0#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻標識碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號：1007-0079（2014）18-0061-02

“數字電路與邏輯設計”是電子信息類專業的基礎課之一，是電子、電氣、計算機等相關專業知識體系中的重要一環。在教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會制定的《教學基本要求》中，將數字電路相關課程分為“數字電子技術基礎”和“數字電路與邏輯設計”兩類，[1]兩門課程南通大學（以下簡稱“我校”）均有開設，前者主要針對電子、電氣類部分專業；后者主要針對電子信息類專業，包含64學時的理論課和為期兩周的實踐環節。本課程是“電路”和“模擬電子技術”的后續課程，又是“信號與系統”“數字信號處理”“單片機技術與微機原理”“自動控制原理”等專業課的先修課程，在電子信息類專業課程設置中起到承上啟下的重要作用。本課程的教學質量顯著影響著學生理解和掌握電子信息專業知識體系。

一、傳統“數字電路與邏輯設計”教學模式

傳統的“數字電路與邏輯設計”課程教學主要是基本概念、基本分析設計方法的理論講授，學生只是機械化的接收知識，課程所得僅僅是擴充了知識量和按步驟求解習題的能力，并不能根據現實情況分析問題，也不能基于實際需求設計數字系統，與當今社會對畢業生的要求有較大距離。同時，“數字電路與邏輯設計”和“數字電子技術基礎”一般使用的是相同的教材，過去在教學內容安排上兩者也很相似，教學中都側重內部電路的分析，并不能很好地適應電子通訊類和計算機類專業學生的專業要求。進入新世紀后，電子、通訊等領域的相關理論和技術日新月異，但是“數字電路與邏輯設計”作為一門經典課程變革緩慢，遠遠落后與科技的發展，對于培養學生的實踐能力和工程意識非常不利。

二、堅持與時俱進，不斷完善教學

我校是偏工科以二本專業為主的普通省屬高校，相關專業畢業生的求職方向主要是制造業，一般從事簡單研發和生產工作，艱深的理論知識和復雜的內部電路分析對其幫助不大，同時造成較大的課業負擔，打擊學生學習的熱情。基于上述情況，結合筆者多年“數字電路與邏輯設計”課程教學經驗，本課程教學的指導思想應從集中講授理論方法和過分追求解題技巧，轉向更多地引入實際案例，引導學生了解芯片的外部特性、分析系統的邏輯關系，著重培養學生對中大規模集成電路的應用能力和工程意識。以下分別從教學內容、方法、手段以及考核方式等方面闡述教學改革的具體措施。

1.教學內容改革

“數字電路與邏輯設計”是電子通訊類專業最重要的基礎課之一，是掌握理解其后諸多專業課的知識鋪墊，故而基本定義、定理和分析方法的講授必須清楚透徹，但是在內容安排上應有所側重。本課程是一門應用型工科課程，學生在打好理論基礎的同時還需要具備分析實際問題并解決問題的能力，在教學中也要有所體現。

我校該課程開設在“計算機基礎與應用”之后，學生對數字電路、數字信號和數值已有相當了解，這部分內容課時安排上應有所減少。一些傳統的知識點，如“邏輯門電路”“脈沖波形的變換和產生”“數模與模數轉換器”掌握即可，這部分內容應將重點放在相關功能器件的外部特性和使用上，對于內部電路的分析可以適當放低要求。其中“邏輯門電路”與模擬電子技術中三極管和場效應管部分的一些內容重疊，教學中在減縮的同時應重點說明兩者的區別，在模擬電子技術中主要使用的是三極管和場效應管的放大區，而數字電路中使用的三極管和場效應管工作在飽和區和截止區；部分知識點，如“邏輯代數”“組合邏輯電路”“時序邏輯電路”在教學中應有所加強，尤其是后兩者。[2]基于計算機技術的發展和學生未來實際工作的需要，教學中應增加硬件描述語言（Verilog HDL）以及一些相關的專業仿真軟件的講授。同時，理論教學要與實驗課和課程設計等教學實踐環節相結合。利用EDA軟件，如MAX+plusⅡ、QuartusⅡ、ModelSim等進行模擬仿真設計，通過實驗室的實驗箱下載調試，驗證設計方案，幫助學生熟悉數字系統設計流程，提高學生實踐能力，培養其工程意識。

對于一些重要芯片和結構，如74系列、555定時器和后續課程中會涉及到的PLD、ROM、RAM、總線等，除了教材上提到的功能表、外部特性、簡單應用的例題外，可以結合后續課程的內容作一定拓展，使學生在更好掌握芯片功能的基礎上，對其實際應用有更深刻生動的認識。

教學中除了經典例題的講解外，應補充一些實際電氣工程案例。在詳細介紹其工程背景、施工標準的基礎上，重點說明其解決實際問題的思路，引導學生利用已有理論知識分析經典案例的設計方案并學習其設計思考方式。這樣既追隨了時代的腳步、科技的發展，也加深了學生對于基本理論、分析設計一般方法的理解，提高學生實際工作能力，更好地適應社會的需求。[3]

2.教學方法及手段改革

當前“數字電路與邏輯設計”的課堂教學多采用多媒體和板書相結合的方式，這樣可以緩解本課程知識量大、推導繁瑣、例題較多與相對緊張的課時安排之間的矛盾。同時多媒體動畫可以生動清晰地說明很多動態過程，例如如何利用譯碼器實現多芯片并聯以及位拓展、觸發器狀態轉換時邏輯門的翻轉和狀態變化、555定時器工作原理和充放電回路等，通過動畫色彩和分步展示幫助學生充分理解其中的變化和實現方式，收到良好的教學效果。但是由于理論教學和教學實踐相互獨立，再生動的理論教學也很難讓學生對一些定義定理，如邏輯門的延時、波形的變換等產生實際概念。由于課時安排的困難，理論課和教學實踐很難同時開設，為了解決這一問題，筆者在理論教學中引入計算機仿真內容，將仿真軟件的模擬結果制成CAI課件，[4]利用仿真演示展示一些抽象的定理和概念，使教學過程更加生動有趣。

3.考核方式改革

在成績評價方面，改變傳統的依靠綜合考試分數給平時成績的方式，平時成績以課程設計工作的完成情況為標準。允許學生以獨立或小組形式自由選題，以口頭講解和書面報告的方式匯報工作，以最終完成情況（完成度、創新性）和個人貢獻給出成績。學期總評成績將綜合考察期末筆試結果和平時成績，既考核了學生對于基礎概念、基礎理論的掌握，又有助于培養學生獨立分析問題、解決問題的能力。

三、結論

本文基于電子通信類專業知識體系的構成，說明了“數字電路與邏輯設計”課程的基礎性和重要性，同時依據當今科技飛速發展下，新時代對電子通信類專業畢業生的實際要求和本課程的特點指出傳統“數字電路與邏輯設計”教學中存在的若干問題。最后，結合筆者的實際教學經驗提出教學改革的指導思想，探討解決當前一些問題的可行方法，詳細闡述了教學改革措施。

參考文獻：

[1]教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會.電子電氣課程基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]康華光，鄒壽彬，秦臻.電子技術基礎數字部分[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]俎云霄，于歆杰，鄭君里.本科課程設置新計劃解讀及思考——以MIT的EECS系為例[J].高等理科教育，2010，（6）：40-43.

[4]黃勛，章國安，孫強.“數字邏輯設計”CAI的研究和應用[J].中國電力教育，2009，（3）：65-66.

（責任編輯：王意琴）