計算機類專業“數字邏輯課程設計”教學模式探索*

王華彬　錢付蘭　李學俊　陶亮（安徽大學　計算機科學與技術學院，安徽　合肥　230601）

計算機類專業“數字邏輯課程設計”教學模式探索*

王華彬錢付蘭李學俊陶亮
（安徽大學計算機科學與技術學院，安徽合肥230601）

摘要：現有的數字邏輯課程實踐教學環節，一般僅包括驗證性實驗教學；為了提升計算機專業學生的實際工程分析能力，引入了課程設計教學環節。通過設計小型數字系統，加深了學生對計算機系統設計的認識，為后續課程的學習打下堅實的基礎。

關鍵詞：數字邏輯；課程設計；實踐教學

Abstract:The existing practice teaching of digital logic course generally includes confirmatory experimental teaching; in order to improve the practical engineering analysis capability of computer science students, the curricu-lum design is introduced. Designing small digital system can deepen students' knowledge of computer systems design, and lay a solid foundation for the learning of subsequent courses.

Keywords:digital logic; curriculum design; practice teaching

一、概述

“數字邏輯”課程是計算機類專業開設的一門應用數字電路進行小型數字系統邏輯設計的專業基礎課程。其目的是使學生掌握組合電路和時序電路的工作原理、分析方法和設計方法，培養學生的計算機系統的思維能力[1]。當前，大部分高校的數字邏輯課程的實踐教學只是在課堂教學之外引入了實驗課程，并且使用的是“實驗箱和邏輯門電路”的傳統實驗方法，學生并不能夠理解實驗的內容和現實意義[2]。另外，數字邏輯課程屬于一門實踐性、應用性很強的課程，不僅要重視基礎理論教學，還應該加強工程實踐能力的培養和訓練。當前，計算機類專業“數字邏輯”課程在實踐教學中存在的問題如下[3，4]：

（1）課程概念較多且比較抽象，在實際教學中以理論教學為主，忽視了依托實際項目進行講授的實踐教學方法。

（2）實驗教學只是簡單的機械式重復，按照課本要求設計全加器、選擇器、譯碼器等簡單電路，學生不知器件的實際用途，也不會利用所學的知識組合設計應用性電路系統。

（3）傳統教學一般未考慮數字邏輯與其他課程的相關性，而計算機系統往往包含軟件和硬件設計，學生無法掌握完整的系統設計方法。

因此，現有的計算機類專業“數字邏輯”課程，多重視系統理論完整性，忽略了整體優化，尤其是實踐教育環節有待優化。“數字邏輯”課程建設大綱中，除要安排理論教學外，還需有大量的實踐環節，它直接關系到后續的計算機專業核心課程，如《計算機組成原理》的學習，因此，需要改革課程的實踐教學體系，為計算機專業學生計算機系統設計能力的培養打下基礎。

本文對計算機專業的“數字邏輯課程設計”教學體系建設方案進行探索，構建系統設計方案，制定教學計劃和教學模式，并設計考核方式。

二、數字邏輯課程設計實踐教學環節設計

數字邏輯實驗課教學中，一般是讓學生進行驗證性實驗，學生不需要進行分析和討論即可完成。“數字邏輯課程設計”計劃設計為探索性實驗教學環節，要求所設計的小型數字系統具有實用、新穎、有趣等特點，能夠激發起學生的研究興趣和熱情。課程設計與課程實驗相比有本質的區別，其目的不是為了獲得某一結果或證實某一結論，而是通過對實際項目的理解和分析，學習科學研究問題的方法，并彌補實驗教學環節的不足之處。其意義在于，通過課程設計環節給予了學生自由研究和創新的機會，通過對一個小型數字系統的設計與開發，訓練學生的數字電路設計、調試和創新的能力，培養學生運用所學的理論知識、獨立地解決實際問題的能力，為今后從事相關領域的工程設計打好基礎。

（一）實驗環境搭建

隨著計算機處理能力的提升，EDA（電路的計算機輔助設計與分析）技術已成為電路系統分析和設計的有力工具，借助EDA軟件進行數字邏輯課程設計，突出了以學生為中心的開放模式，激發學生大膽想象并嘗試各種不同的設計方案、采用不同的集成元器件，對培養學生的創新意識有所幫助。

Multisim軟件是在EWB的基礎上發展起來的專業仿真軟件，可以對數字電路進行模擬仿真分析，已經成為數字邏輯電路仿真實驗的理想工具[5]。因此，數字邏輯課程設計計劃基于Multisim軟件平臺搭建實驗仿真環境。

（二）課程設計內容

計劃設計3-4個實用的小型數字系統項目作為課程設計題目，在五周共計20學時的集中教學時間內，學生3-5人一組，選擇一個項目進行設計，課程結束時，分組展示課程設計成果，并書寫課程設計報告。

在課程實驗教學環節，學生已經掌握了組合邏輯電路、時序邏輯電路以及中大規模電路設計的方法。因此，在課程設計教學環節，計劃引入綜合性的小型數字系統的設計。而系統選題的設計是非常重要，要求綜合考慮各方面問題。首先，課題的難度要合適，既要保障大部分學生通過上學期的學習以后，能夠設計出給定的數字系統；同時，要求學生需要花費一定的精力進行思考和分析才能完成。其次，課題的內容要與實際相結合。與學生生活相關的數字系統，能夠吸引學生的興趣，并激發學生研究的熱情。部分課程設計題目如下：

設計1：設計并制作一個帶有校時功能、可定時起鬧的數字電子鐘。

（1）計時以24小時為一個周期；

（2）“時”、“分”采用十進制數字顯示；

（3）“秒”信號采用小數點顯示，具體為驅動發光二極管；

（4）要求具有校準時間功能，可調整為標準時間或指定時間；

（5）要求具有鬧鈴功能，可以設定鬧鈴時間，并按時發出聲音，且發出的聲音長短可調；

設計2：設計一個運算器系統。

（1）要求能夠進行8位數字的加、減、乘、除四則運算；

（2）要求能夠顯示操作數以及運算結果；

（3）要求源操作數和目的操作數能夠在四個不同的寄存器間任意選擇；

RSA數字簽名方案主要由三個部分組成：密鑰生成算法、簽名算法、驗證算法。下面給出RSA數字簽名算法的代碼實現。

（4）要求能夠提供“溢出”報警信號。

設計3：設計一個汽車尾燈控制電路。

（1）汽車左右各具有三個尾燈，共計六個。設計兩個控制開關，具有四種組合，分別代表汽車的前進、左轉、右轉和停車四個狀態；

（2）系統運行如下：汽車正常前進時，六個燈全亮；汽車右轉時，右邊的三個燈自左向右順序循環點亮；汽車左轉時，左邊的三個尾燈自右向左順序循環點亮；汽車停車時六個燈全部隨CP時鐘閃爍；

（3）添加譯碼器和七段顯示數碼管，用于顯示汽車前進、左轉、右轉和停車，對應七段數碼管的顯示分別為：D、L、R、P；

（4）最后，添加蜂鳴器，用于在轉向時，發出示警聲音。

（三）教學實施方式

數字邏輯課程設計計劃安排在本科二年級下半年的前五周，每周半天4節課，共計20個課時。學生可以在給定的課程設計系統中選擇一個系統進行設計。

（1）制定出設計方案；

（2）選定合適的器件，畫出邏輯圖；

（3）畫出集成電路芯片布局布線圖；

（4）利用仿真軟件，進行調試；

（5）寫出設計報告并提出改進意見。

具體實施方式為：第一次課程結束后，課程組長組織組員選定題目，討論課程設計的具體分工和實施計劃，并遞交計劃文檔。中間的三周為具體實施階段，指導老師每次課程中需要檢查各小組的實施進展，了解遇到的問題，并討論解決方案；最后一周學生需要書寫課程設計報告，并設計課程PPT，展示所設計的成果，向全班學生講解其系統的特點和優勢。

（四）課程考核方法

課程的考核成績為三個部分，其中：課程設計報告占50%，課程匯報占20%，平時表現占30%。上述三項一項不合格則整體成績不合格，設計報告雷同者成績不合格。

課程設計報告內容包括：

（1）問題描述與分析（設計任務）；

（2）背景知識；

（3）設計思路和內容；

（4）對關鍵電路進行分析；

（5）測試以及結果分析；

（6）總結。

所選設計難度不同，完善程度不同等均影響到最終成績判定。設計內容上只提出基本設計要求，只達到基本要求者，僅能獲得基本分，學生需要發揮想象力，擴充電路功能才能評優。課程匯報的評價方式為：現場學生對每組的匯報進行打分，教師根據學生的評價計算加權分值。平時表現通過考勤以及對本次課程設計的貢獻大小進行考核，用于區分組內成員之間的分值，具體由指導老師進行評價。

三、結束語

本文分析了當前計算機類本科專業數字邏輯課程實踐教學中的不足，并引入了數字邏輯課程設計實踐教學環節。講解了實驗環境的搭建方法，設計了具體的課程設計案例，分析了教學實施方式，并給出了課程的考核方法。通過引入小型數字系統設計環節，完善了數字邏輯課程的實踐教學體系，提高了學生對數字邏輯課程的興趣，培養了學生的團隊合作意識，提升了學生實踐創新能力以及工程項目思維和素養。

參考文獻

[1]盛建倫，劉淑霞，王勇，等.數字邏輯實驗技術改革的研究[J].實驗技術與管理，2015，32（4）：216-219.

[2]詹瑾瑜，廖建明.數字邏輯課程教學方法研究與探討[J].計算機教育，2011（2）：91-94.

[3]肖娟，張雯.轉型發展中數字邏輯課程教學改革研究[J].現代計算機，2015（9）：17-19.

[4]唐志強.計算機專業數字邏輯實驗的改革與創新[J].實驗室研究與探索，2013，32（10）：182-184.

[5]徐銀霞.Multisim12.0仿真軟件輔助數字邏輯課程教學的研究[J].教育教學論壇，2015（7）：233-234.

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）03-0066-02

*基金項目：安徽省高等教育振興計劃項目（2013zytz008），安徽省高等教育振興計劃“重大教學改革研究項目”（2013zdjy040），安徽省高等學校省級質量工程項目（2014jyxm048）

作者簡介：王華彬（1983-），男，博士，安徽大學計算機科學與技術學院講師，主要研究方向：計算機專業教學改革，模式識別和人工智能。