設計性數字邏輯電路實驗之于軟件工程教學改革的實踐

張 晶

（同濟大學 軟件學院，上海 201804）

0 引言

實驗教學是高等教育的重要組成部分，隨著高校教學改革的深入，實驗教學改革的重心逐步由實驗室硬件和環境的建設，轉向實驗內容和形式的創新。國家教育部在“關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見”中指出，“高等學校要重視本科教學的實驗環節”“并開出一批新的綜合性、設計性實驗”。開放式實驗室適應開放式實驗教學、管理模式，為設計性實驗提供環境基礎。

構建模塊化與層次性的實驗教學體系和個性化與發展性的實驗教學質量評價體系，在實驗教學改革中取得了一定的成效。

1 實驗教學現狀與問題

1.1 現狀

同濟大學軟件學院作為國家示范性軟件學院，一貫重視本科生基礎實驗環節的課程設置，注重對學生實踐能力和創新能力的培養，多門專業基礎實驗課程均以獨立設課的方式存在，與相關基礎理論課程相對應。其中，面向軟件工程專業本科生開設的“數字邏輯實驗”就是這樣一門實驗必修課程。

該課程內容主要包括邏輯組合電路實驗和時序控制電路實驗兩大部分，旨在通過一系列的實驗項目，實踐與理論相結合，加深學生對“數字邏輯原理”理論課程知識要點的理解，并具備一定的電路設計能力，具有較強的工程實踐性。該課程也是后續課程，尤其是領域軟件系統方向（包括體系結構、嵌入式等）的重要先導課程之一。

多年的教學實踐表明，獨立設課的實驗課程有效提高了學生對專業基礎知識要點的理解和掌握程度，為后續課程的學習打下了扎實的基礎。然而，實驗教學內容和形式不應是一成不變的，需要不斷提煉和改進。

1.2 問題

根據軟件工程專業課程體系的自身特點，在 “數字邏輯原理”理論課程教學中，著重于對相關理論的闡述和介紹，要求學生掌握數字邏輯的基本原理和電路的工作原理及其應用，而沒有過多涉及硬件設計方面的內容，如HDL、FPGA、CPLD等。與此相適應，實驗項目的設置也圍繞著中小規模集成電路芯片的應用為基礎，涉及到基本門電路、譯碼器、數據選擇器、加法器、觸發器、鎖存器、計數器等相關芯片，實驗過程以接線調試為主要實驗手段，考核方式以現場驗收和實驗報告相結合為主。

基于上述情況，存在的問題主要集中在3個方面：

（1）實驗教學面向軟件工程專業，學生主觀上缺乏學習硬件知識的積極性，認識上存在一定的誤區。

4.3 加拿大預防VAP臨床實踐指南 加拿大重癥監護委員會2004年制定預防VAP臨床實踐指南(CPGs)，于2008年重新召集20名專家共同修訂。預防VAP的CPGs分為3個部分(此處僅列舉推薦和考慮使用條目)［57］:①物理性策略包括:推薦盡量避免使用經鼻氣管插管、除非有污跡否則不要頻繁更換呼吸機管路、每5～7天更換熱濕交換器、使用密閉式吸痰系統及聲門下吸引管;②位置策略包括:盡可能保持45°半臥位、考慮使用旋轉床;③藥理性策略包括:考慮使用抗菌劑口腔沖洗，其他一些預防措施因證據不足暫不列入。

（2）驗證性實驗項目比例較高，面對既定實驗步驟，學生進行“按部就班”的操作，生搬硬套謀求實驗結果。

（3）在實驗過程中遇到異常現象或結果，學生不假思索會直接求助指導教師。

這樣的實驗課程學習效果顯然達不到教學大綱的要求，并不能加深學生對相關知識要點的理解和掌握。如何充分激發軟件工程專業學生對于硬件實驗的興趣，調動他們的主觀能動性和創造力，加強發現問題及解決問題能力的培養，是擺在我們面前亟待解決的問題。

2 教學改革方案

2.1 開放式實驗室

同濟大學軟件學院探索并實施開放式實驗教學與管理模式，主要體現為：

（1）實驗室在工作日全天候開放。

（2）學生在集中聽取實驗章節后，自主完成實驗預習。

（3）學生在提交預習報告后，可以通過實驗教學管理系統自行選擇時段進行實驗預約。

（4）學生在登記后進入實驗室自主完成實驗，實驗教學管理系統統計實驗時間。

（6）教師與助教提供全程、全方位的指導和幫助，不僅在實驗室現場，還可以通過網絡方式建立師生聯系。

這種開放模式推行之初，確實提高了學生的學習興趣。大多數學生認可這樣的自主學習氛圍，愿意在實驗過程中主動思考、自行解決問題，并體會到其中的樂趣，也體會到科研工作的艱辛，教學效果取得了一定成效。

但在隨后的教學實踐中，成績分析顯示優良率和不及格率均有逐年上升的趨勢，呈現出兩極分化的態勢；成績分布標準方差指數逐年上升，成績分布曲線有向馬鞍型分布的發展趨向。如何在基礎實驗課程的教學中加強監管，提高整體成績水平，基本杜絕不及格現象，也需要在積累良好經驗的同時，對實驗教學的實施過程加以改進。

2.2 實施方案

在總結以往經驗的基礎上，著手對數字邏輯實驗教學進行重新梳理和規劃，對該課程的教學方式做了一些改進，主要圍繞以下5個方面進行：

2.2.1 加強實驗教學與理論教學的銜接

每學期在制訂排課計劃時，實驗教學和理論教學進行進度協商，確保實驗教學進程緊隨理論教學的節奏進行安排。通常是相關知識要點學習后的1～2周內進行相關實驗，學生更容易接受。這個時間段內，學生對涉及到的原理知識“記憶猶新”，也可以通過實驗操作“溫故知新”，有助于對相關知識要點和實驗現象的理解和掌握，做到知其然并且知其所以然。

2.2.2 規范整體教學流程

每學期首堂實驗課，安排專門的學時向全體學生介紹實驗學習流程，普及實驗室安全知識和操作要求，并帶領學生進入實驗室熟悉實驗環境和試驗設備，認識集成電路芯片等主要配件，掌握電路連接方法和萬用表的使用方法。這樣，為整個實驗課程的學習做了一個良好的鋪墊，也初步激發了學生的學習興趣，讓他們面對實驗課程心中有數，不至于茫然無措。

實驗過程仍以在實驗箱上接線調試為主，不盲目引入和開發虛擬實驗系統，旨在為學生營造一個真實的動手環境，可以在實踐中發現問題并加以解決。對于硬件實驗中不可避免的設備故障及配件損耗，則通過加強日常維護和更新來降低故障率，盡可能保證實驗順利進行。目前，在院校兩級經費的支持下，基本能做到主要實驗設備5年左右分批次輪換更新，實驗易耗配件（主要是集成電路芯片）2年內進行補充更新。從另一個方面來看，也教會學生一些基本的故障判斷和問題排除方法，這也有助于提升其動手能力。

2.2.3 改進邏輯電路綜合設計實驗

在完成一系列驗證性實驗之后，設置邏輯電路綜合設計實驗，并作為課程考核項目。該項目要求學生根據所學知識，自行設計邏輯電路方案并加以調試實現。

在實驗講解中，教師會提供4～5個方案作為藍本，如彩燈模擬電路、時鐘模擬電路、搶答器模擬電路、電子鎖模擬電路等，供學生參考，并明確鼓勵自行設計的電路方案，對自行設計方案提高評分點，這樣很好地調動了學生主動思考和創新的積極性。

設計實驗安排4個學時，分在兩周進行。第一周，在課堂集中講解實驗要求之后，學生自由分組（每組不超過4人），開始進行為期一周的方案設計。要求自行選擇所需的集成電路芯片，方案規模適中，不盲目求大、求難；第二周，進行現場接線調試并限時考核驗收，要求學生根據已經初步做好的方案原理圖或接線示意圖，在兩個學時內現場完成接線及調試任務，并由指導教師進行驗收。驗收過程中需進行演示邏輯電路功能并接受答辯，講述設計思路和工作原理。設計實驗的最終成績由現場答辯分數和實驗報告分數兩部分組成。

2.2.4 把控實驗報告質量

每個實驗項目結束后，都要求學生在規定時間內提交實驗報告（通常為兩周，留給學生充分的時間撰寫報告）。明確實驗報告的規范編寫格式，加強對實驗報告中小結部分的考核，要求小結篇幅適當、內容充實，杜絕空洞無物的語句。實驗小結可以闡述對實驗原理的理解，對實驗中遇到問題的思考，還可以對實驗方案提出建設性意見。

經過兩年來的實踐和改進，學生的實驗報告規范程度得到很大提高，優良率始終保持在70%以上，且穩中有升。每學期結束后，對實驗報告進行歸檔，擇優做成示范文檔供后期學生參考。

3 實踐成效

數字邏輯實驗作為軟件工程專業一門基礎實驗課，并沒有淪為數字邏輯理論課的附屬課程，而是與之相輔相成，起到了良好的理論聯系實際的作用。本文結合筆者的教學實踐，通過分析在以往實驗教學中存在的問題，給出了幾點改革措施，并進行了初步的實踐。

改革后的實驗教學經過兩個年級的試行，取得了較好的效果。

（1）從教學過程來看，由于融入大量思考性內容，促使學生不能完全依賴于實驗教材“埋頭苦干”，而必須投入到積極思考當中。在實驗過程中，學生的主觀能動性和學習興趣明顯提高，課堂氣氛熱烈，學生之間的相互討論成為常態現象，也敢于對教材中存在的問題提出疑問。

（2）從考核情況來看，越來越多的學生選擇自行設計內容作為考核項目，更有一些學生主動在課外學習電路設計輔助軟件（如Multisim仿真軟件等），進行方案設計，極大提高了設計水平和效率。統計數據顯示，2013學年和2014學年學生自行設計方案的比例分別為18%和31%，有較大提升。學生樂于在實驗中融入自己的想法，如“乒乓球模擬”“比大小”“節奏大師模擬”“音樂節拍器模擬”等，思路之開闊讓人耳目一新。

（3）在實驗報告方面，內容和質量均有顯著提升，反映了學生分析問題、解決問題的能力得到提高，對相關理論知識的理解也有所加深，學生的創新能力也得到了發掘。其中2013學年數字邏輯實驗成績優良率達88.9%；而2014學年優良率更是達到92.1%，系首次突破 90%。

（4）從成績分布情況來看，設計性實驗的引入表面上看提高了實驗難度，但是成績優良率并沒有降低，不及格人數也處在可控范圍內（不超過3%）。其中，2013學年數字邏輯實驗不及格率為1.8%；2014學年無不及格現象，也是首次實現全通過。

種種跡象表明，在校院兩級支持下，在一系列的教改措施實行后，數字邏輯實驗作為一門基礎硬件實驗課，在軟件專業學生的心目中，不再是一門枯燥無味、為學分而學習的實驗課，而是可以發揮自己主觀能動性和創新才華的場所。

4 結語

通過一系列的改革措施，引導并鼓勵學生應用所學知識進行獨立思考，加強動手能力和解決問題能力的培養。由此可見，規范的教學方法和創新的實驗內容，在學生的能力培養中都是非常必要的。數字邏輯實驗課程的改革有效提升了實驗教學質量，為學生學習其他專業課程打下堅實的基礎，也改觀了軟件專業部分學生對硬件學習的抵觸情緒，從而有助于提升軟件專業學生的綜合素質，促進高校人才培養與時代發展需要相適應。

［1］ 張小林，周美華，李茂康.綜合性、設計性實驗教學改革探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2007，24（7）：94－96.

［2］ 易昆南，于菲菲.在綜合性、設計性實驗中培養學生的創新能力［J］.實驗技術與管理，2007，24（8）：8－9，14.