計算機數字邏輯課程設計教學(xué)思考的論文

　　摘要：現有的數字邏輯課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節，一般僅包括驗證性實(shí)驗教學(xué)；為了提升計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)際工程分析能力，引入了課程設計教學(xué)環(huán)節。通過(guò)設計小型數字系統，加深了學(xué)生對計算機系統設計的認識，為后續課程的學(xué)習打下堅實(shí)的基礎。

　　關(guān)鍵詞：數字邏輯；課程設計；實(shí)踐教學(xué)

　　一、概述

　　“數字邏輯”課程是計算機類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設的一門(mén)應用數字電路進(jìn)行小型數字系統邏輯設計的專(zhuān)業(yè)基礎課程。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、分析方法和設計方法，培養學(xué)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(shí)踐教學(xué)只是在課堂教學(xué)之外引入了實(shí)驗課程，并且使用的是“實(shí)驗箱和邏輯門(mén)電路”的傳統實(shí)驗方法，學(xué)生并不能夠理解實(shí)驗的內容和現實(shí)意義[2]。另外，數字邏輯課程屬于一門(mén)實(shí)踐性、應用性很強的課程，不僅要重視基礎理論教學(xué)，還應該加強工程實(shí)踐能力的培養和訓練。當前，計算機類(lèi)專(zhuān)業(yè)“數字邏輯”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)際項目進(jìn)行講授的實(shí)踐教學(xué)方法。

　�。�2）實(shí)驗教學(xué)只是簡(jiǎn)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(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)的知識組合設計應用性電路系統。

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

　　因此，現有的計算機類(lèi)專(zhuān)業(yè)“數字邏輯”課程，多重視系統理論完整性，忽略了整體優(yōu)化，尤其是實(shí)踐教育環(huán)節有待優(yōu)化�！皵底诌壿嫛闭n程建設大綱中，除要安排理論教學(xué)外，還需有大量的實(shí)踐環(huán)節，它直接關(guān)系到后續的計算機專(zhuān)業(yè)核心課程，如《計算機組成原理》的學(xué)習，因此，需要改革課程的實(shí)踐教學(xué)體系，為計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生計算機系統設計能力的培養打下基礎。本文對計算機專(zhuān)業(yè)的“數字邏輯課程設計”教學(xué)體系建設方案進(jìn)行探索，構建系統設計方案，制定教學(xué)計劃和教學(xué)模式，并設計考核方式。

　　二、數字邏輯課程設計實(shí)踐教學(xué)環(huán)節設計

　　數字邏輯實(shí)驗課教學(xué)中，一般是讓學(xué)生進(jìn)行驗證性實(shí)驗，學(xué)生不需要進(jìn)行分析和討論即可完成�！皵底诌壿嬚n程設計”計劃設計為探索性實(shí)驗教學(xué)環(huán)節，要求所設計的小型數字系統具有實(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。課程設計與課程實(shí)驗相比有本質(zhì)的區別，其目的不是為了獲得某一結果或證實(shí)某一結論，而是通過(guò)對實(shí)際項目的理解和分析，學(xué)習科學(xué)研究問(wèn)題的方法，并彌補實(shí)驗教學(xué)環(huán)節的不足之處。其意義在于，通過(guò)課程設計環(huán)節給予了學(xué)生自由研究和創(chuàng )新的機會(huì )，通過(guò)對一個(gè)小型數字系統的設計與開(kāi)發(fā)，訓練學(xué)生的數字電路設計、調試和創(chuàng )新的能力，培養學(xué)生運用所學(xué)的理論知識、獨立地解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后從事相關(guān)領(lǐng)域的工程設計打好基礎。

　�。ㄒ唬�實(shí)驗環(huán)境搭建

　　隨著(zhù)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(shù)已成為電路系統分析和設計的有力工具，借助EDA軟件進(jìn)行數字邏輯課程設計，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計方案、采用不同的集成元器件，對培養學(xué)生的創(chuàng )新意識有所幫助。Multisim軟件是在EWB的基礎上發(fā)展起來(lái)的專(zhuān)業(yè)仿真軟件，可以對數字電路進(jìn)行模擬仿真分析，已經(jīng)成為數字邏輯電路仿真實(shí)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(shí)驗仿真環(huán)境。

　�。ǘ�）課程設計內容

　　計劃設計3-4個(gè)實(shí)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(xué)時(shí)的集中教學(xué)時(shí)間內，學(xué)生3-5人一組，選擇一個(gè)項目進(jìn)行設計，課程結束時(shí)，分組展示課程設計成果，并書(shū)寫(xiě)課程設計報告。在課程實(shí)驗教學(xué)環(huán)節，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模電路設計的方法。因此，在課程設計教學(xué)環(huán)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(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)習以后，能夠設計出給定的數字系統；同時(shí)，要求學(xué)生需要花費一定的精力進(jìn)行思考和分析才能完成。其次，課題的內容要與實(shí)際相結合。與學(xué)生生活相關(guān)的數字系統，能夠吸引學(xué)生的興趣，并激發(fā)學(xué)生研究的熱情。部分課程設計題目如下：

　　設計1：設計并制作一個(gè)帶有校時(shí)功能、可定時(shí)起鬧的數字電子鐘。（1）計時(shí)以24小時(shí)為一個(gè)周期；（2）“時(shí)”、“分”采用十進(jìn)制數字顯示；（3）“秒”信號采用小數點(diǎn)顯示，具體為驅動(dòng)發(fā)光二極管；（4）要求具有校準時(shí)間功能，可調整為標準時(shí)間或指定時(shí)間；（5）要求具有鬧鈴功能，可以設定鬧鈴時(shí)間，并按時(shí)發(fā)出聲音，且發(fā)出的聲音長(cháng)短可調；

　　設計2：設計一個(gè)運算器系統。（1）要求能夠進(jìn)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(gè)不同的寄存器間任意選擇；（4）要求能夠提供“溢出”報警信號。

　　設計3：設計一個(gè)汽車(chē)尾燈控制電路。（1）汽車(chē)左右各具有三個(gè)尾燈，共計六個(gè)。設計兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)，具有四種組合，分別代表汽車(chē)的前進(jìn)、左轉、右轉和停車(chē)四個(gè)狀態(tài)；（2）系統運行如下：汽車(chē)正常前進(jìn)時(shí)，六個(gè)燈全亮；汽車(chē)右轉時(shí)，右邊的三個(gè)燈自左向右順序循環(huán)點(diǎn)亮；汽車(chē)左轉時(shí)，左邊的三個(gè)尾燈自右向左順序循環(huán)點(diǎn)亮；汽車(chē)停車(chē)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碼管，用于顯示汽車(chē)前進(jìn)、左轉、右轉和停車(chē)，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(shí)，發(fā)出示警聲音。

　�。ㄈ�）教學(xué)實(shí)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(gè)課時(shí)。學(xué)生可以在給定的課程設計系統中選擇一個(gè)系統進(jìn)行設計。計劃分組進(jìn)行，每組2-3人，設組長(cháng)一名，負責任務(wù)的分解和聯(lián)絡(luò )，采用集體合作，單獨計算成績(jì)的考評方式。學(xué)生的課程設計實(shí)施步驟如下：（1）制定出設計方案；（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(xiàn)圖；（4）利用仿真軟件，進(jìn)行調試；（5）寫(xiě)出設計報告并提出改進(jìn)意見(jiàn)。具體實(shí)施方式為：第一次課程結束后，課程組長(cháng)組織組員選定題目，討論課程設計的具體分工和實(shí)施計劃，并遞交計劃文檔。中間的三周為具體實(shí)施階段，指導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)課程設計報告，并設計課程PPT，展示所設計的成果，向全班學(xué)生講解其系統的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

　�。ㄋ模┱n程考核方法

　　課程的考核成績(jì)?yōu)槿齻�(gè)部分，其中：課程設計報告占50%，課程匯報占20%，平時(shí)表現占30%。上述三項一項不合格則整體成績(jì)不合格，設計報告雷同者成績(jì)不合格。課程設計報告內容包括：（1）問(wèn)題描述與分析（設計任務(wù)）；（2）背景知識；（3）設計思路和內容；（4）對關(guān)鍵電路進(jìn)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(jì)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(xué)生需要發(fā)揮想象力，擴充電路功能才能評優(yōu)。課程匯報的評價(jià)方式為：現場(chǎng)學(xué)生對每組的匯報進(jìn)行打分，教師根據學(xué)生的評價(jià)計算加權分值。平時(shí)表現通過(guò)考勤以及對本次課程設計的貢獻大小進(jìn)行考核，用于區分組內成員之間的分值，具體由指導老師進(jìn)行評價(jià)。

　　三、結束語(yǔ)

　　本文分析了當前計算機類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)數字邏輯課程實(shí)踐教學(xué)中的不足，并引入了數字邏輯課程設計實(shí)踐教學(xué)環(huán)節。講解了實(shí)驗環(huán)境的搭建方法，設計了具體的課程設計案例，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)引入小型數字系統設計環(huán)節，完善了數字邏輯課程的實(shí)踐教學(xué)體系，提高了學(xué)生對數字邏輯課程的興趣，培養了學(xué)生的團隊合作意識，提升了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng )新能力以及工程項目思維和素養。

　　參考文獻

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