“数字逻辑”课程教学方法探讨

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摘要：“数字逻辑”是计算机专业一门重要的硬件基础课程。结合多年的教学实践经验，对数字逻辑的教学方法进行深入探讨，在课堂教学中采用任务式教学，增加课堂讨论，借助仿真软件进行电路演示，利用硬件描述语言进行复杂数字系统设计；在实验教学中将传统实验、仿真实验与硬件描述语言实验等有机结合、互为补充，激发学生的学习兴趣，培养学生的综合能力，取得了很好的教学效果。

关键词：数字逻辑；课堂教学；实验教学

作者简介：徐银霞（1979-），女，湖北武汉人，武汉工程大学计算机科学与工程学院，讲师。（湖北 武汉 430073）

中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0104-02

“数字逻辑”是计算机专业一门重要的硬件基础课程，其主要目的是使学生掌握数字系统分析与设计的理论知识，熟悉各种不同规模的逻辑器件，掌握各类逻辑电路分析与设计的基本方法，为数字计算机或其它硬件电路分析与设计奠定基础。[1]“数字逻辑”课程教学一般采用课堂教学与实验教学相结合的方式，使得学生掌握数字电路分析与设计的一些理论知识，同时培养学生电路设计、制作与调试以及分析问题、解决问题的能力。学生的学习效果一直是教学当中的重中之重，因此如何有效利用有限的理论与实验教学时间培养学生的综合素质是一个值得探讨的问题。笔者结合多年的教学实践经验，分别对课堂教学和实验教学环节就“数字逻辑”课程的教学方法做一次探讨。

一、“数字逻辑”课程的课堂教学

课堂教学效果直接决定学生理论知识掌握的程度，也影响随后的实验及实践能否顺利进行。在课堂教学中采用任务式教学、课堂讨论、电路仿真演示以及硬件描述语言电路设计等方式进行教学，取得了满意的效果。

1.任务式教学

明确任务，使学生掌握方法，做到举一反三。教学过程中将 “数字逻辑”课程的知识点归纳整理成若干个任务。比如数字电路按逻辑功能分成组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类，主要的问题是电路分析与设计两个方面。按电路规模要求重点掌握的是小规模和中规模电路，所以任务主要有小规模组合电路的分析、小规模组合电路的设计、中规模组合集成芯片、中规模组合电路分析、中规模组合电路设计；小规模时序电路分析、小规模时序电路设计、中规模时序集成芯片、中规模时序电路分析、中规模时序电路设计等等。对于每一个问题明确任务，分析解决办法，归纳一般的解答步骤及注意事项，举例证明方法的可行性。比如对于中规模组合芯片的学习，仅以数据选择器为例，引导学生上网查阅芯片资料，阅读资料找出芯片的功能表、输出表达式，逻辑图和引脚图以及典型应用。这样，学生不仅掌握了该芯片的全部知识要点，还可以掌握中规模组合集成芯片这类芯片的学习方法。此后，对于所有此类芯片学生都能够通过自行查找芯片资料来掌握，节约了课堂时间，学生也获得了自主学习的成就感。

2.增加课堂讨论

精讲多练，给予学生充分的讨论时间。为提高学习效果，在提出任务、介绍原理及方法后，布置课堂练习。学生可以一边练习一边自由讨论，已理解的同学在讨论中充当老师，可以加深印象，巩固知识；而没有理解的同学可以在讨论中积极主动地学习，同时也激发了学生后续学习的积极性，比教师反复讲解的效果好。这种方式可以避免“满堂灌”式的教学方式，活跃课堂气氛，创造学习氛围，提高学习兴趣，实践证明取得了良好的效果。

3.电路仿真演示

在数字电路分析与设计的理论教学过程中，很多学生会觉得枯燥且难以理解。借助Multisim11.0仿真软件进行数字电路的模拟和课堂演示，可以直观地显示电路的功能和时序电路的时序波形。比如在讲解中用16进制计数器74161实现12进制计数器时，其中复位法可通过置0或者异步清零两种方法使得计数器从11回0，但置0法必须在计数到1011时使得置数端为0，异步清零必须在计数器为1100时使得清零端为0才能保证计数器为12进制。如果仅用理论讲解学生比较难理解，但通过仿真演示后学生能够恍然大悟。因此仿真软件的使用可以使“数字逻辑”理论课的教学更加生动活泼，而且学生在遇到疑问时也可以通过仿真软件进行验证。学生通过直观的仿真结果，对电路的工作过程进行透彻的分析，提高了学习的兴趣和效率，促进自学能力和创新能力的提高。

4.引入硬件描述语言

硬件描述语言用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，适合大规模系统的设计。在教学的过程中将硬件描述语言Verilog HDL引入课堂，比如在讲解逻辑门、数据选择器、触发器、计数器等基本单元电路的原理之后，给出模块对应的硬件描述语言，演示仿真波形和综合结果。学生从仿真波形中观察信号的逻辑变化，对数字逻辑电路的掌握更加透彻，同时也丰富了教学内容。Verilog HDL语言是一种非常实用的硬件描述语言，易学易用，学生只要有C语言编程基础，便容易掌握。编程也可以实现电路设计，同学们感到非常新奇，将被动学习变为主动学习，提高学习兴趣，取得了很好的教学效果。

二、“数字逻辑”的实验教学

“数字逻辑”是一门实践性很强的课程。[2]通过数字电路设计实验，学生可以基本掌握数字电路的设计、制作与调试步骤，学会借助万用表、示波器等实验仪器排除实验当中遇到的各种故障，从而独立分析设计各种规模的数字电路。实践教学中将传统实验、仿真实验与硬件描述语言设计三种类型实验相结合，三者互为补充，提高实验效果，充分培养学生的综合实践能力。

1.传统实验

传统实验项目一般利用面包板及用中小规模芯片完成电路设计。其接线模式可以使学生直观了解数字电路是如何工作的，从而掌握电路测试、调试以及维修技能。但是部分学生视这一过程为简单的连线工作，往往只注重结果，不重视过程，造成实验课就是反复的接线和碰运气，学生不能驾驭整个实验过程，产生畏难和退缩心里。在实验课前要求学生书写预习报告，自主设计实验方案，进行原理图设计、芯片选型，上网查阅芯片资料，掌握阅读芯片资料的方法，进行实验方法设计，可以避免机械化操作，学会排除故障，增强操作信心。

在实验过程中，学生不可避免地会遇到种种问题，导致实验结果出错：可能是电路设计或连线过程中出现了问题，也有可能是实验设备或实验器材出现了故障。教师应该指导学生借助实验仪器找到故障点，发现问题之所在，并想出解决办法。在未来的实际工作中，学生将会遇到各种各样的问题，而实验课正是锻炼如何解决这些问题的好机会。因此实验中应该向学生讲明排除故障的必要性，并引导其对独立解决各种疑难问题的兴趣，增强其信心，令其克服畏难情绪。一旦学生掌握了排除故障的方法，独立解决了问题，他们就会很有成就感，甚至就此对排除故障产生了浓厚的兴趣。[3]实践表明学生能自主完成所有设计，自主分析讨论实验过程中碰到的问题，逐个排查故障点，最终完成电路调试。

2.仿真实验

传统实验适于以验证性实验为主的一些中小规模电路的构建与测试。对于一些比较复杂的设计性和综合性实验则比较费时，如数字钟、抢答器、拔河游戏机、彩灯控制器等。而且在实验过程中常常因一根导线连接错误、一个连接点接触不良，就致使实验受阻甚至无法完成，给学生以挫折感，影响学生的实验兴趣，不利于动手能力的培养。

Multisim11.0是一个集原理电路设计和电路功能测试为一体的虚拟仿真软件，其元器件库提供了数千种电路元器件供实验选用，其中包含了数字器件。虚拟测试仪器仪表种类齐全，如数字万用表、函数信号发生器、示波器、直流电源、数字信号发生器、逻辑分析仪等，可以设计、测试和演示各种电子电路。[4]采用Multisim11.0软件进行仿真实验，使学生能充分发挥想象力，按照自己的想法创建各种电路，从而摆脱实验箱的束缚。实践证明将Multisim11.0应用于实验教学，能够使学生提高学习的兴趣，增加学习乐趣，充分发挥学生独立思考和创新的能力，提高学生的综合实践能力。

3.硬件描述语言开发数字电路

当数字逻辑电路及系统的规模比较小而且简单时，用电路原理图输入法基本足够了，但是需要手工布线，需要熟悉器件的内部结构和外部引线特点，才能达到设计要求。当电路规模大时工作量会相当大，实验时间往往不能保证。随着可编程逻辑器件的广泛应用，硬件描述语言已成为数字系统设计的主要描述方式，采用硬件描述语言进行数字电路的设计，可以实现从传统的验证性实验到分析设计性实验课的转变。利用Verilog HDL硬件描述语言进行数字钟、抢答器、交通灯控制电路等的设计，要求学生利用课堂知识进行编程、仿真、综合和下载到可编程逻辑器件中运行以观察结果。学生还可以按照自己的想法自行设计其它数字电路进行仿真、下载调试，提高学生学习兴趣和综合实践能力。

此外还通过举办电子设计竞赛、综合设计等方式激发学生的学习兴趣，提高学生自主学习、独立分析问题和解决问题的能力，也提高了学生综合应用的能力，收到了良好的教学效果。

三、结论

数字电子技术的应用已经渗透到人类的各个方面，从计算机到手机，从数字电话到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化到航天技术，都采用了数字电子技术。[5]因此“数字逻辑”课程对于计算机及相关专业来说是一门很重要的课程。笔者结合多年的教学实践经验，对“数字逻辑”课程的教学方法进行深入探讨，在课堂教学中采用任务式教学，增加课堂讨论，借助仿真软件进行电路演示，利用硬件描述语言进行复杂数字系统设计；在实验教学中将传统实验、仿真实验和硬件描述语言实验有机结合、互为补充，激发学生的学习兴趣，培养学生的综合能力，取得了很好的教学效果。

参考文献：

[1]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].第5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]孙丽君，张晓东，鲁可.“数字电子技术”课程教学改革探析[J].中国电力教育，2013，（13）：67-68.

[3]王宇，崔文华，王宁，等.兴趣导向的数字电路设计实验改革[J].计算机教育，2010，（17）：38-40.

[4]黄颖，关宇，徐勇，等.Multisim11.0仿真软件在数字电路教学中的应用[A].中国电子教育学会高教分会2012年论文集[C].2012：169-172.

[5]江国强.EDA技术与应用[M].第2版.北京：电子工业出版社，2007.