应用型本科院校数字逻辑课程教学研究与实践

张 丹，刘雅喆，董雷刚

（大庆师范学院 计算机科学与信息技术学院，黑龙江 大庆 163712）

摘 要：根据应用型本科院校人才培养的特点，分析传统数字逻辑课程教学中存在的问题，从教学内容、教学方式方法和实验教学评价体系3个方面，提出数字逻辑课程的改革措施。

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关键词 ：应用型本科院校；数字逻辑；教学改革；EDA；Verilog HDL

基金项目：大庆师范学院青年基金项目（12ZR22）。

第一作者简介：张丹，女，讲师，研究方向为嵌入式系统、无线传感器网络，qhzd2005@163.com。

0 引 言

随着计算机及电子等高新技术的发展，国内外企业对此类人才的需求日益增加，同时企业对学生的实践创新能力有一定的要求，因此，高校的人才培养要在实践创新能力方面下工夫。计算机科学与技术专业的核心课程主要有：电路原理、模拟电子技术、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、单片机原理、计算机系统结构、计算机网络原理、高级语言程序设计、汇编语言、数据结构、操作系统和编译原理等。在这些课程中，硬件课程约占50%[1]。计算机科学与技术专业大致对应3个产业，分别是计算机硬件产业、计算机软件产业和互联网产品，可见计算机硬件课程的重要性。

数字逻辑是所有硬件课程的基础课，具有较强的实践性，其主要教学任务是使学生系统地学习计算机科学与技术专业所需的数字逻辑与数字集成电路的理论知识和技能，培养学生的数字系统分析和设计能力，培养学生动脑、动手和创新意识，为后续课程的学习打下牢固的硬件基础，因此具有非常重要的作用[2]。

1 应用型人才培养的特点

在我国，高等学校培养的人才大致分为3种类型，分别是科学型、工程型和应用型，其主要区别在于人才培养目标不同。其中应用型人才承担信息化建设的核心任务，掌握各类计算机软件或硬件系统的功能和性能，善于集成和配置系统，有能力管理和维护复杂信息系统的运行[3]。在3种类型的人才需求中，应用型人才的需求比例是最大的，但是能够直接满足此要求的高校非常少，这就要求应用型本科院校及时改革课程，以适应社会的需求。

作为应用型人才培养的本科院校，我们主要培养具有创新意识和创新能力的应用型创新人才，学生应该直接面向企业、面向社会，学以致用。应用型本科院校的主要特点有：①承担培养社会各种应用需求的人才的任务；②培养的人才不仅具有一定的理论基础，同时具有一定的实践操作能力、较强的创新意识和创新思维；③培养的人才要直接面向市场、面向企业实际发展需求，为地方经济建设和行业发展服务。

2 传统数字逻辑课程存在的问题

（1）对数字逻辑课程的重要性认识不足。很多高校认为计算机科学与技术专业主要是学习软件，不重视硬件课程。数字逻辑课程是电子及计算机专业一门非常重要的专业基础课，是计算机组成原理、单片机等后续课程的基础，其实验课应用性极强，可以充分锻炼学生的动手能力。因此，应用型本科院校应该充分重视该门课程。

（2）教学内容与工程实际脱离。随着EDA（electronic design automation）技术的飞速发展，基于FPGA（field programmable gate array）和CPLD（complex programmable logic device）等大规模可编程逻辑器件的数字系统设计技术已成为主流 [4]。目前市场上的大部分教材仍然按照传统的方式编写，以74系列中规模集成芯片为主要的电路设计实现方式，根本不提及EDA技术，个别教材即使有所涉及，也都是在教材的最后章节简单介绍，使学生在毕业工作中很难适应工程实际。

（3）教学方法陈旧。数字逻辑课程的传统教学方法基本采用“填鸭式”教学方法，一味地把教学内容灌输给学生，实验课仍然采用传统的实验台，实验方式仍然是固定的插拔式验证性实验。这样不仅不能锻炼学生自主学习的能力，而且不利于培养学生的创新能力。

3 计算机科学与技术专业数字逻辑课程的教学改革

3.1 教学内容的改革

高校应研究理论教学内容，结合学校应用型计算机工程人才的培养目标，研究国内外计算机科学与技术专业相关课程的教材及教学内容；研究课程之间教学内容的衔接，把后续课程所用知识点和数字逻辑课程相关内容联系起来，选取合理的教学内容；将EDA技术贯穿课程的教学内容，形成数字逻辑课程独具特色的课程内容体系及系列教材。在数字逻辑课程教学中，教师应重点讲解基于EDA技术的数字电路的分析和设计方法，尽量弱化模块内部的结构分析和设计；选用计算机组成原理和微机原理与接口技术等相关课程的实例以及生产生活中的实例作为电路设计的案例；通过对课程教学内容的整合、电路案例的设计,使数字逻辑教学更适应计算机科学与技术专业要求。

学校要积极研究实践教学内容，编写实践教学教材，建立校内实习实训基地。教师应在实验教学中引入EDA技术，建立分层次的实验教学体系，即以验证性实验为基础，巩固理论教学内容，强化实验教学环节；加强设计性实验教学，初步培养学生的创新思维；开展综合性实验教学，提高学生的实际应用创新能力。

以QuartusⅡ软件仿真实验方法做验证性实验，这样普通的计算机机房可以作为数字逻辑的实验室，同时还可以作为综合性、设计性、创新性实验的场所。QuartusⅡ自带的仿真功能可以对系统的设计进行功能仿真和时序仿真，验证正确后再下载到可编程逻辑器件中，减小了实验器件的损耗[5]。

3.2 教学方式方法的改革

1）转变教学观念。

教育的主体是学生，教师应该转变以教师为主体的教学观念，在教学的过程中，以学生为主体，发现学生的真正需求，培养学生的积极性和主动性最终达到应用型人才培养的目的。

2）理论教学与实践教学相结合。

数字逻辑是一门实践性很强的课程。教师在讲解完数字逻辑的基本概念、基本原理和方法等理论知识后，应该在实验环节验证这些基本理论，巩固所学理论知识，达到学以致用的目的，同时可以激发学生的学习兴趣，锻炼动手能力。数字逻辑课程在日常生活中的应用很多，如交通信号灯、多数表决系统、数字电表、数字显示系统、各种家用电器等，可以在实际的教学中引入日常生活中的实例，通过解决实际问题来激发学生对数字逻辑课程的兴趣。

为了使学生能够把学到的知识运用到实际的生产实践中，培养学生的创新能力，学校从2007年起组织学生参加各类电子设计大赛。竞赛的开展一般分为5个阶段，分别为赛前动员、选拔测试、集中培训、项目确定与完成和赛后总结。通过几年的探索，学校逐步形成了“以竞促教、竞教结合”的教学模式，取得了优异的成绩，在各类大赛中多次获得省级、国家级奖项，充分激发了学生的积极性，锻炼了学生的综合应用能力和团队协作精神，为学生今后的工作奠定了基础[6]。图1是计算机科学与技术专业历年参赛学生的就业情况图。

3）软件和硬件知识相结合。

计算机科学与技术专业的学生编程能力普遍较强。针对这个特点，教师可以在课程讲授过程中结合软硬件，建立一个计算机系统的概念；运用现代企业应用比较多的硬件描述语言Verilog HDL编写硬件电路，实现用软件的方法设计硬件。Verilog HDL的语法规则类似于C语言，因此计算机科学与技术专业的学生上手比较快，Verilog HDL在IC行业近几年使用率占95%，具有从门级到成品级设计能力。同时，可以将数字逻辑课程中一些难懂的硬件知识类比为容易理解的软件问题。以4选1数据选择器为例，可以说明基于EDA技术设计的基本方法。首先用Verilog HDL进行编程，设计4选1数据选择器，通过编译检查语法是否出错等，接下来仿真分析，进行功能和时序的验证，最后下载到目标器件中。学校现在采用的是Cyclone Ⅱ系列的EP2C35F672C8的FPGA器件。图2是利用Verilog HDL语言编写的4选1数据选择器的代码，图3是4选1数据选择器的仿真时序图。

4）课内实验为基础，综合实验为导向，课程设计为拓展。

通过课内基础验证性实验教学，可以使学生掌握器件的基本原理，验证理论知识，这个阶段注重培养学生的基本技能。综合实验则是以培养系统设计、综合创新能力为着眼点，使学生具有使用大规模集成电路和可编程逻辑器件进行设计的能力，主要采用EDA设计工具，设计并实现一个中小系统的能力。课程设计要求学生根据教师给出的题目或者自拟题目独立做出设计方案，并对设计方案进行论证和评价；鼓励学生进行全方位的思考和创新，培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，培养学生团队协作和创新的精神。

3.3 实验教学评价体系的改革

数字逻辑课程是一门实践性很强的课程，因此实验教学的评价体系尤为重要，传统的实验教学评价通常以检查学生的实验报告为主要形式，不利于学生综合素质的提高和创新能力的培养。因此，制定出合理的评价体系对激发学生的积极性和主动性、提高学习效果非常重要。此评价体系涉及学生实验的各个环节，应充分考虑过程性考核。

该评价体系主要包括3个一级考核指标，分别为实验态度、实验操作和实验结果与分析整理，每个一级考核指标下根据不同的实验分别有若干个二级考核指标。一级指标和二级指标的分值体现了学生在实验过程中的表现。

4 结 语

针对计算机科学与技术专业的特点，结合应用型本科院校人才培养的目标，我们对数字逻辑课程进行了全方位的教学改革，包括教学内容、教学方式方法和教学评价体系3个方面。通过教学实践使学生养成了自主学习的能力，学习兴趣得到大幅度提高，创新能力不断增强。学生连续几年参加各类电子设计大赛，取得多项省级、国家级奖项，就业情况也非常好。该课程已获得校级精品课程荣誉称号，并编写教材两部。课程组教师不断提高自身素质，为应用型人才的培养奠定了一定的基础。课程组将不断努力，紧跟时代步伐，保证该课程在计算机科学与技术专业的人才培养中的地位。

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参考文献：

[1] 陈辉, 李敬兆, 詹林. 计算机专业硬件课程教学改革探索[J]. 计算机教育, 2014(5): 39-42.

[2] 黄丽薇, 徐玉昔, 曹诚伟. 基于创新意识和实践能力培养的数字逻辑电路教学研究[J]. 课程教育研究, 2014(5): 223.

[3] 盛琳阳, 李丽萍. 应用型人才培养定位的计算机专业硬件课程教学改革[J]. 计算机教育, 2010(22): 39-42.

[4] 赵念强, 鲍可进. 基于EDA的数字逻辑电路设计课程改革[J]. 教学改革, 2013(2): 41-44.

[5] 王诗兵, 王中心, 李军. 计算机专业“数字逻辑”课程的教学设计与实践[J]. 计算机教育, 2012(24): 52-56.

[6] 董雷刚, 崔晓微, 张丹. 以竞促教、竞教结合的嵌入式课程实践教学[J]. 计算机教育, 2014(9): 105-108.

（编辑：孙怡铭）