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数字逻辑课程设计教学探索

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摘要:

现有的数字逻辑课程实践教学环节,一般仅包括验证性实验教学;为了提升计算机专业学生的实际工程分析能力,引入了课程设计教学环节。通过设计小型数字系统,加深了学生对计算机系统设计的认识,为后续课程的学习打下坚实的基础。

关键词:

数字逻辑;课程设计;实践教学

一、概述

“数字逻辑”课程是计算机类专业开设的一门应用数字电路进行小型数字系统逻辑设计的专业基础课程。其目的是使学生掌握组合电路和时序电路的工作原理、分析方法和设计方法,培养学生的计算机系统的思维能力[1]。当前,大部分高校的数字逻辑课程的实践教学只是在课堂教学之外引入了实验课程,并且使用的是“实验箱和逻辑门电路”的传统实验方法,学生并不能够理解实验的内容和现实意义[2]。另外,数字逻辑课程属于一门实践性、应用性很强的课程,不仅要重视基础理论教学,还应该加强工程实践能力的培养和训练。当前,计算机类专业“数字逻辑”课程在实践教学中存在的问题如下[3,4]:(1)课程概念较多且比较抽象,在实际教学中以理论教学为主,忽视了依托实际项目进行讲授的实践教学方法。(2)实验教学只是简单的机械式重复,按照课本要求设计全加器、选择器、译码器等简单电路,学生不知器件的实际用途,也不会利用所学的知识组合设计应用性电路系统。(3)传统教学一般未考虑数字逻辑与其他课程的相关性,而计算机系统往往包含软件和硬件设计,学生无法掌握完整的系统设计方法。因此,现有的计算机类专业“数字逻辑”课程,多重视系统理论完整性,忽略了整体优化,尤其是实践教育环节有待优化。“数字逻辑”课程建设大纲中,除要安排理论教学外,还需有大量的实践环节,它直接关系到后续的计算机专业核心课程,如《计算机组成原理》的学习,因此,需要改革课程的实践教学体系,为计算机专业学生计算机系统设计能力的培养打下基础。本文对计算机专业的“数字逻辑课程设计”教学体系建设方案进行探索,构建系统设计方案,制定教学计划和教学模式,并设计考核方式。

二、数字逻辑课程设计实践教学环节设计

数字逻辑实验课教学中,一般是让学生进行验证性实验,学生不需要进行分析和讨论即可完成。“数字逻辑课程设计”计划设计为探索性实验教学环节,要求所设计的小型数字系统具有实用、新颖、有趣等特点,能够激发起学生的研究兴趣和热情。课程设计与课程实验相比有本质的区别,其目的不是为了获得某一结果或证实某一结论,而是通过对实际项目的理解和分析,学习科学研究问题的方法,并弥补实验教学环节的不足之处。其意义在于,通过课程设计环节给予了学生自由研究和创新的机会,通过对一个小型数字系统的设计与开发,训练学生的数字电路设计、调试和创新的能力,培养学生运用所学的理论知识、独立地解决实际问题的能力,为今后从事相关领域的工程设计打好基础。

(一)实验环境搭建随着计算机处理能力的提升,EDA(电路的计算机辅助设计与分析)技术已成为电路系统分析和设计的有力工具,借助EDA软件进行数字逻辑课程设计,突出了以学生为中心的开放模式,激发学生大胆想象并尝试各种不同的设计方案、采用不同的集成元器件,对培养学生的创新意识有所帮助。Multisim软件是在EWB的基础上发展起来的专业仿真软件,可以对数字电路进行模拟仿真分析,已经成为数字逻辑电路仿真实验的理想工具[5]。因此,数字逻辑课程设计计划基于Multisim软件平台搭建实验仿真环境。

(二)课程设计内容计划设计3-4个实用的小型数字系统项目作为课程设计题目,在五周共计20学时的集中教学时间内,学生3-5人一组,选择一个项目进行设计,课程结束时,分组展示课程设计成果,并书写课程设计报告。在课程实验教学环节,学生已经掌握了组合逻辑电路、时序逻辑电路以及中大规模电路设计的方法。因此,在课程设计教学环节,计划引入综合性的小型数字系统的设计。而系统选题的设计是非常重要,要求综合考虑各方面问题。首先,课题的难度要合适,既要保障大部分学生通过上学期的学习以后,能够设计出给定的数字系统;同时,要求学生需要花费一定的精力进行思考和分析才能完成。其次,课题的内容要与实际相结合。与学生生活相关的数字系统,能够吸引学生的兴趣,并激发学生研究的热情。部分课程设计题目如下:设计1:设计并制作一个带有校时功能、可定时起闹的数字电子钟。(1)计时以24小时为一个周期;(2)“时”“、分”采用十进制数字显示;(3)“秒”信号采用小数点显示,具体为驱动发光二极管;(4)要求具有校准时间功能,可调整为标准时间或指定时间;(5)要求具有闹铃功能,可以设定闹铃时间,并按时发出声音,且发出的声音长短可调;设计2:设计一个运算器系统。(1)要求能够进行8位数字的加、减、乘、除四则运算;(2)要求能够显示操作数以及运算结果;(3)要求源操作数和目的操作数能够在四个不同的寄存器间任意选择;(4)要求能够提供“溢出”报警信号。设计3:设计一个汽车尾灯控制电路。(1)汽车左右各具有三个尾灯,共计六个。设计两个控制开关,具有四种组合,分别代表汽车的前进、左转、右转和停车四个状态;(2)系统运行如下:汽车正常前进时,六个灯全亮;汽车右转时,右边的三个灯自左向右顺序循环点亮;汽车左转时,左边的三个尾灯自右向左顺序循环点亮;汽车停车时六个灯全部随CP时钟闪烁;(3)添加译码器和七段显示数码管,用于显示汽车前进、左转、右转和停车,对应七段数码管的显示分别为:D、L、R、P;(4)最后,添加蜂鸣器,用于在转向时,发出示警声音。

(三)教学实施方式数字逻辑课程设计计划安排在本科二年级下半年的前五周,每周半天4节课,共计20个课时。学生可以在给定的课程设计系统中选择一个系统进行设计。计划分组进行,每组2-3人,设组长一名,负责任务的分解和联络,采用集体合作,单独计算成绩的考评方式。学生的课程设计实施步骤如下:(1)制定出设计方案;(2)选定合适的器件,画出逻辑图;(3)画出集成电路芯片布局布线图;(4)利用仿真软件,进行调试;(5)写出设计报告并提出改进意见。具体实施方式为:第一次课程结束后,课程组长组织组员选定题目,讨论课程设计的具体分工和实施计划,并递交计划文档。中间的三周为具体实施阶段,指导老师每次课程中需要检查各小组的实施进展,了解遇到的问题,并讨论解决方案;最后一周学生需要书写课程设计报告,并设计课程PPT,展示所设计的成果,向全班学生讲解其系统的特点和优势。

(四)课程考核方法课程的考核成绩为三个部分,其中:课程设计报告占50%,课程汇报占20%,平时表现占30%。上述三项一项不合格则整体成绩不合格,设计报告雷同者成绩不合格。课程设计报告内容包括:(1)问题描述与分析(设计任务);(2)背景知识;(3)设计思路和内容;(4)对关键电路进行分析;(5)测试以及结果分析;(6)总结。所选设计难度不同,完善程度不同等均影响到最终成绩判定。设计内容上只提出基本设计要求,只达到基本要求者,仅能获得基本分,学生需要发挥想象力,扩充电路功能才能评优。课程汇报的评价方式为:现场学生对每组的汇报进行打分,教师根据学生的评价计算加权分值。平时表现通过考勤以及对本次课程设计的贡献大小进行考核,用于区分组内成员之间的分值,具体由指导老师进行评价。

三、结束语

本文分析了当前计算机类本科专业数字逻辑课程实践教学中的不足,并引入了数字逻辑课程设计实践教学环节。讲解了实验环境的搭建方法,设计了具体的课程设计案例,分析了教学实施方式,并给出了课程的考核方法。通过引入小型数字系统设计环节,完善了数字逻辑课程的实践教学体系,提高了学生对数字逻辑课程的兴趣,培养了学生的团队合作意识,提升了学生实践创新能力以及工程项目思维和素养。

参考文献

[1]盛建伦,刘淑霞,王勇,等.数字逻辑实验技术改革的研究[J].实验技术与管理,2015,32(4):216-219.

[2]詹瑾瑜,廖建明.数字逻辑课程教学方法研究与探讨[J].计算机教育,2011(2):91-94.

[3]肖娟,张雯.转型发展中数字逻辑课程教学改革研究[J].现代计算机,2015(9):17-19.

[4]唐志强.计算机专业数字逻辑实验的改革与创新[J].实验室研究与探索,2013,32(10):182-184.

[5]徐银霞.Multisim12.0仿真软件辅助数字逻辑课程教学的研究[J].教育教学论坛,2015(7):233-234.

作者:王华彬 钱付兰 李学俊 陶亮 单位:安徽大学 计算机科学与技术学院

数字逻辑课程设计教学探索责任编辑:杨雪    阅读:人次