數字邏輯實驗教學改革與實踐

劉 嵐， 李成范， 周時強， 趙俊娟， 薛 丹

(上海大學 計算機工程與科學學院，上海200444)

0 引 言

數字邏輯實驗課程是計算機專業的基礎課程，其課程目的是使學生掌握數字系統分析與設計的基本知識和基本方法以及熟悉各種邏輯器件，為計算機系統硬件分析與設計奠定堅實的基礎［1-3］。因此，這門課程學得扎實與否，將直接影響到其他硬件課程的學習，其重要性不言而喻［4-5］。但是由于該實驗課程內容復雜、抽象，教師用語言不易描述，學生也很難真正理解和掌握［6-9］。傳統的實驗課程教學方法已不能適應需要，在此背景下，有必要開展基于數字邏輯實驗的教學改革和探索實踐。針對數字邏輯實驗課程教學的發展趨勢，本文以上海大學計算機教學實驗中心為例，指出當前數字邏輯實驗機遇與挑戰并存，從安排學生積極參與校外實習、實驗操作平臺的及時更新、踐行實驗課程的本科生導師制等方面進行了論述，并對上海高校實驗技術隊伍建設計劃項目“數字邏輯實驗動態演示系統”進行了介紹，為推進數字邏輯實驗教學改革、實踐和提高實驗課程教學質量提供一定的參考。

1 數字邏輯實驗課程的教學現狀

1.1 存在的挑戰

(1)學生對數字邏輯實驗課存在著認識上的錯誤。在開設該門實驗課時，一方面，學生還沒有對整個計算機科學體系形成一個系統的概念，認為實驗課并不重要，也沒有激發出足夠的熱情［10-12］;另一方面，學生前期的有關課程基礎薄弱，在接觸數字邏輯實驗課程時短期內無法適應，或者是想學而又覺得心有余而力不足。

(2)數字邏輯實驗課程教學方法單一，效果較差［13］。傳統的數字邏輯實驗課程教學方法大多是針對理論教學的簡單驗證。學生一般只是根據實驗指導書中的既有實驗內容和步驟進行操作，并沒有激發學生對該門課的學習熱情，進而降低學生對實驗課的學習興趣。

(3)實驗技術隊伍薄弱，重視不夠，缺乏系統的培訓計劃［14］。盡管新進的實驗室人員基本上都具有碩士以上學歷，但是總體來說實驗技術隊伍師資力量仍很薄弱。長期以來，高校中重教學輕實驗的現象非常普遍，往往不重視實驗技術隊伍的建設、缺乏系統的培訓計劃。

(4)參考書內容陳舊，不符合時代發展需要。隨著電子通信和計算機技術的快速發展，數據量迅速膨脹，集成計算的規模越來越大，但是數字邏輯實驗課程的參考書內容仍沿用傳統的教材，并不能滿足當前時代快速發展的需要。

1.2 面對的機遇

為落實國家和上海市中長期教育改革和發展規劃綱要、人才發展規劃綱要以及《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》，加強上海高校內涵建設，根據《上海市教育委員會關于進一步加強高校實驗技術隊伍建設的指導意見》，基于此，上海市教委從2013年開始實施上海高校實驗技術隊伍建設計劃，資助范圍包括上海市全日制普通本科高校、部屬211 高校。其中強調高校應該認真梳理學校已有的實驗技術隊伍建設項目和政策文件，在總結以往工作經驗的基礎上，統籌協調，制定未來三年實驗技術隊伍建設規劃，包括制度建設、人員和崗位管理、職務聘任、評價考核、人員遴選、經費使用等。

上海高校實驗技術隊伍建設計劃內容包括:組織實驗技術人員進行培訓、進修學習;建立實驗技術人員的培訓基地，依托省部級重點實驗室、國家認證中心、儀器設備廠家等建設實驗技術人員的培訓基地，舉辦短期培訓班或進行產學研踐習等;支持實驗技術人員參加學術交流活動和技術開發等;其他拓寬實驗技術人員培養渠道，提高實驗技術人員隊伍綜合素質的學校個性化項目等。該項目的實施將在一定程度上扭轉上海高校實驗教師隊伍的弱勢地位。這對于高校實驗人員而言是一個非常好的機遇。

2 數字邏輯實驗課程教學改革與探討

2.1 進行校外實習

數字邏輯實驗課程是一門操作性很強的課程，需要學生準確地認識數字邏輯試驗箱的各個組件和功能。這就要求我們盡可能的讓學生深入到企業的真實設計和生產環境中，積極安排學生進行校外實習活動。長期以來，上海大學計算機教學實驗中心一直與上海軒怡電子信息科技有限公司保持著緊密的合作關系，積極開展有關產學研活動，為學生進行數字邏輯實驗校外參觀和實習提供了平臺。此外，該公司在為數字邏輯實驗課程提供必要的硬件支持的同時，還積極參與數字邏輯實驗課程的教學指導，并與實驗教學人員及時溝通，做到教學信息及時反饋。

2.2 實驗操作平臺更新

早期的數字邏輯實驗平臺主要是Maxplus II，作為Altera 的上一代PLD 設計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應用。與Maxplus II 相比，Quartus II是Altera 公司的綜合性PLD/FPGA 開發軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL 以及AHDL 等多種設計輸入形式，內嵌有綜合器和仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD 設計流程，提供完善的用戶圖形界面設計方式，具有運行速度快、界面統一、功能集中、易學易用等特點。由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，應用越來越廣。目前，上海大學計算機教學實驗中心全部采用的是Quartus II 平臺。通過分析和統計，采用新平臺后的數字邏輯實驗課程教學效果要明顯的優于之前。

此外，為配合實驗教學改革的大趨勢，提升計算機理論結合實踐的效果，上海大學計算機教學實驗中心計劃在未來幾年內采用基于xilinx 的FPGA 開發板。其具有豐富的I/O 器件和接口，可以設計搭建完整的邏輯電路和數字系統。革新設備的同時改變傳統硬件實驗相互獨立的缺陷，以數字邏輯實驗為基礎，融合組成原理等硬件實驗，將實驗分層并相互貫通，使學生通過實驗課能對整個計算機體系結構和運行原理有更加深入的認識。

2.3 學生成績考核的改革

學生成績的考核事關學生的切身利益，在重視實驗課程內容設計和安排的同時，還要充分重視成績的考核方式，并盡可能地向著提升學生創新能力和學習熱情的方向發展。上海大學計算機教學實驗中心針對實驗課特點，制定了詳盡的學生成績考核標準。其中學生成績考核分為平時成績(50%)、考試成績(40%)和額外加分成績(10%)三項。平時成績主要包括學生的出勤情況(30%)和平時操作情況(20%)，額外加分情況主要是根據學生平時對疑難問題的解答或其他突出的表現視情況而定。此外，中心要求教師在每一學期的第一節課都應向學生明確該課程的考核要求，以便提高學生成績考核的透明度。

2.4 踐行實驗課程的本科生導師制

本科生導師制作為高校本科教育的新生事物，不但要引入到理論課教學中，同樣也需要引入到實驗課教學中。對于數字邏輯實驗課亦是如此。上海大學計算機教學實驗中心每年實施的夏季學期大型作業就是基于本科生導師制的數字邏輯實驗改革的典型案例之一。其中，無論是根據導師現有課題還是學生自擬課題或創新想法等，都可以通過導師的指導，定期開展小組討論，對其課題開展進度進行實時監控，保證課題順利開展。通過基于本科生導師制的實驗課程學習和實踐操作，能夠培養學生過硬的動手能力、團隊意識和協作精神，有利于其畢業后能更加適應社會的需要。

2.5 以競賽平臺和多層次大學生創新實踐為依托

學科競賽是指在緊密結合課堂教學的基礎上，以競賽的方法，激發學生理論聯系實際問題和獨立工作的能力，通過實踐來發現問題、解決問題，培養學生學習興趣，增強學生學習自信心的一系列活動［15-16］，能夠為學生提供創新和發展的動力。在高校中，存在著不同層次的學科競賽平臺和大學生創新實踐活動等。例如，ACM 程序設計大賽、上海市大學生創新活動計劃、校級大學生創新科研活動以及各學科之間的學科競賽等。通過積極參與這些創新項目，才能加強學生創新能力和動手能力，推動實驗課程教學內容、體系和實踐方面的革新。

2.6 建立實驗室開放運行環境

實驗室開放運行是實驗教學改革取得成效的關鍵［17］。以往的實驗室通常只為有實驗課的學生開放或對有學科競賽及其他創新項目開放，學生參與面很小。而開放性實驗主要通過對教學計劃之外的、以提高性實驗、軟件開發和網頁、課件制作等為主的開放性實驗活動，能夠給學生提供一個自主學習的寬松環境，并通過設計不同模式的開放性實驗，最大限度的滿足學生自主學習的需求。通過開放性實驗室，既培養了學生獨立解決問題、分析問題的能力和團隊協作精神，又提高了實驗室的利用效率，大大改善了教學效果。

3 數字邏輯實驗動態演示系統的研究項目

本項目依托上海高校實驗技術隊伍建設計劃項目“數字邏輯實驗動態演示系統”，在現有數字邏輯實驗的基礎上，利用Flash 技術進行“數字邏輯實驗動態演示系統”開發。該系統可以讓學生直觀、清晰地感悟到有關實驗內容的思想及內涵，提高實驗教學效果。

3.1 系統設計

(1)策劃系統。主要包括系統的整體框架、舞臺布局、導航位置;系統分為幾個模塊、每個模塊應該表達、展示的內容;每個模塊的應該設計成什么樣。系統策劃對整個系統的品質和效果起著決定性的作用，直接影響著動畫完成后的總體效果和表現力的強弱。

(2)素材準備。需要考慮到每個實驗的實驗過程以及每個實驗中可能用到的實驗元器件、聲音素材、按鈕素材等，盡量使數字邏輯實驗動態演示系統的外觀和整體效果更加豐富、美觀。既縮短了數字邏輯實驗動態演示系統的制作周期，又增加了各種素材之間的融合效果。

(3)系統制作。包括布置整體舞臺、制作界面;不同按鈕的操作方式;按照實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗要求、參考資料等模塊分解每個實驗;不同分解后實驗模塊的整合。

(4)調試和測試。調試是對每個模塊、細節、片段的銜接及聲音和動畫之間的協調等進行調整。測試是指在整個系統完成之前對動畫的效果、品質等進行檢測。實際應用中，應盡可能多的在不同配置的電腦上測試動畫，并根據測試結果對動畫進行調整和修改。

(5)發布動畫。通過對動畫的生成格式、畫面的品質、聲音效果燈進行設置，并設置動畫文件的格式、文件大小以及動畫在網絡中的傳輸速率。

3.2 系統實現

在完成系統設計的基礎上，數字邏輯實驗動態演示系統包括片頭、主界面和分界面制作，其中分界面又包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟、開始實驗、參考資料等部分。

(1)片頭。在數字邏輯實驗動態演示系統中制作的片頭，屬于情境類的動畫。片頭中包含輪船和帆船兩類角色。其中，輪船在移動中形狀不斷變大，而兩艘帆船在移動中始終保持原來形狀的大小。在制作的過程中分為背景的制作、輪船的制作和兩艘帆船的制作等四個部分。這四個部分最終都放在同一場景一中的不同圖層中。背景直接制作在場景一中，輪船和兩艘帆船分別先制作成三個影片剪輯，并在每個影片剪輯中設計角色的形狀和運動過程。

(2)界面。①主界面:主要包括展示窗口、主導航、分導航。因為數字邏輯實驗包括基本門電路、組合電路、記憶元件測試、時序電路、中規模元件及綜合設計實驗等五個實驗，因此主導航中共設計了五個按鈕，點擊主導航中的任意一個按鈕，可以進入到相應的數字邏輯實驗主界面，并在展示窗口中顯示對應的實驗題目。②分界面:當使用者進入每個實驗的主界面后，通過點擊主界面左側的分導航，可以方便、快捷地進入每個實驗對應的分界面中。分界面主要包括實驗目的、實驗原理、實驗芯片、實驗步驟、開始實驗、參考資料等六部分。圖1 分別為實驗二的動畫效果和查看功能表中當前實驗結果對應的表項。

圖1 動畫效果(左)和功能表(右)

(3)導航。數字邏輯實驗動態演示系統的導航設計分為主導航和分導航兩部分。不同導航中的按鈕可以通過設置遮罩層和被遮罩層來實現。因為數字邏輯實驗包括5 個實驗，所以主導航也需要設計實驗一至實驗五等5 個按鈕。此外，該導航還具有較好的可移植性，修改簡單。

(4)填空題制作。首先，通過新建一個名為“對錯”的影片剪輯，分別在舞臺上輸入文本“恭喜你答對了”或“答錯了”(并將字體設置為紅色)的字樣。其次，新建一個名為“填空題”的影片剪輯，在第一幀輸入文本后，留出填空的位置，并將填空的位置插入“輸入文本”。最后，在新建的“填空題”影片剪輯中，插入“動作層”圖層，在第一幀中輸入動作腳本和插入“按鈕”圖層，以便實現自動判斷填空的正誤并調用“對錯”影片剪輯中的相應幀。填空題界面如圖2 所示。

圖2 填空題頁面

4 結 語

數字邏輯實驗作為計算機專業的一門必修的實驗課程，近年來，上海大學計算機教學實驗中心通過積極安排學生進行校外實習、實驗操作平臺更新、學生成績考核改革、實驗課程的本科生導師制、依托競賽平臺和多層次大學生創新實踐活動及建立實驗室開放運行環境等一系列的實驗教學改革與實踐手段來提高學生動手能力和實驗教學質量。結果表明，通過實驗教學改革和實踐探索大大提高了實驗教學效果。但是其中一些新的實驗教學方法還處于起步階段，大量的實驗課程教學細節還需要在今后的實踐探索中不斷地完善。當前，針對實驗課程教學面臨著挑戰與機遇并存的情況，這就需要上海市屬高校廣大實驗教師能夠在此輪上海市高校實驗技術隊伍建設計劃的大力資助下和各級領導的重視及有力支持下，積極推進符合時代發展和社會需要的高校實驗課程改革和實踐探索，激發與增強學生在實驗課程中的創新思維和動手能力，切實提高實驗課程教學效果。

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