摘要：针对计算机科学与技术专业本科数字逻辑课程的教学实际，基于工程教育专业认证的培养目标和毕业要求，提出以学生为主体实施课堂转变的教学改革观点，并从优化教学内容、改进教学方法、加强实践教学、完善考核评价等方面说明具体实施措施。
关键词：数字逻辑；实践教学；电路设计
0引言
随着计算机技术的迅速发展，新器件和新方法出现，必然引起专业基础课程内容的调整和优化。同时，根据我国工程教育认证协会于2006年按照《华盛顿协议》的认证标准和方法开始的工程教育专业认证对高校人才培养目标的要求，依照以学生为中心的人才培养理念，课程教学改革势在必行。数字逻辑课程是计算机专业重要的专业基础课程，系统地介绍了数字逻辑电路分析与设计相关的基本概念、数学工具、基本分析方法和设计方法等，是学习后续计算机组成原理、嵌入式系统等课程的重要基础，也是需要进行课程教学改革的重要课程。
1课程教学中存在的主要问题
（1）教学内容侧重底层单个器件的功能及其组成的组合逻辑电路和时序逻辑电路,难以满足实际生活中的应用；系统规模较小，难以跟上数字系统发展的新技术和新工具。（2）传统的教学方法不利于学生学习掌握相关知识。传统的教学方法是教师先在教室讲授理论课,主要讲授电路分析与设计的相关理论和基本方法，然后让学生到实验室进行实验，而实验内容主要也是验证上课讲述的例题，其结果是大部分学生机械地按照实验要求完成了实验内容,大多时候可能都不清楚要解决的具体问题是什么。（3）实践教学方法落后，评价方式过于单一导致教学效果较差，学生认识不到课程的重要性,学习主动性不强。
2课程教学改革思路
2.1更新教育理念
为了实现由传统知识灌输向能力培养的转变,应更新教育理念，逐步形成以学生为中心,以掌握知识为基础,以能力培养为主线,以素质提高为目标的新教学方法[1]。教学中要将传统的以教师为主的教学模式转变为以学生为主体,采用启发式、讨论式和研究式等教学方法,真正实现从灌输课堂向对话课堂的转变、从封闭课堂向开发课堂的转变、从知识课堂向能力课堂的转变、从句号课堂向问号课堂的转变。
2.2优化调整教学内容
数字逻辑电路是计算机科学专业的专业技术基础课程，后继课程包括计算机组成原理、微机原理与接口技术、嵌入式系统等。课程内容涉及数字系统构成基本功能单元相关的基础理论、组合逻辑电路及时序逻辑电路的分析和设计方法,是一门工程实践性较强的课程,对于计算机专业的学生而言，该课程在自己所学的专业知识体系中占有相当重要的地位。同时,对于后继专业课程的学习以及提高工程实践能力都有着极其重要的作用。计算机专业重在应用基本逻辑器件设计系统,而不是底层器件的设计,因此，数字逻辑电路这门课程应当加强功能级器件及其应用的教学内容，培养学生将这些内容应用于小型数字系统设计的能力。
2.3改进实践教学方式
数字逻辑电路的实践教学以培养学生创新精神和实践能力为主要目标,从实验内容、课程设计、评估体系等方面进行改进，以切实提高学生理论与实践相结合的能力，在能力培养方面有所增强。
3课程改革的具体实施
3.1调整与优化课堂教学内容
目前，数字逻辑教学内容主要包括逻辑代数、集成门电路与触发器、组合逻辑电路的分析与设计、时序逻辑电路的分析与设计、中规模集成电路的应用及可编程逻辑器件等[2]。在教学内容确定的基础上,对教学内容进行调整和优化。在教学过程中，首先讲解相关的基本概念，特别是二进制数的表示和逻辑代数基础知识。然后，进入数字逻辑电路的学习，在此过程中重视门电路、触发器的外部特性及基本功能，并突出基于它们的组合逻辑电路及时序逻辑电路相关应用的设计过程。最后，特别强调要利用仿真软件测试设计的结果是否符合功能要求。具体实施时，逻辑门电路着重于逻辑功能、外部特性和典型应用，如对基本与非门、三态门、集电极开路与非门只介绍其功能、符号及主要应用,删去电路的内部结构及工作原理分析。另外，将触发器的主要内容缩减为一小节，只通过基于与非门构成的基本R-S触发器介绍触发器的基本工作原理，特别强调为何触发器具有存储功能并能实现时序电路，然后对基本R-S触发器的不足进行分析，并针对这些不足进行改进，从而引入JK触发器、D触发器及T触发器等常用器件，并让学生结合空翻现象理解为何使用边沿触发的触发器，但对触发器的内部实现电路不做详细展开，从而让学生侧重于触发器的功能、外部符号及特性。
3.2综合应用所学知识解决实际问题
组合逻辑电路和时序逻辑电路部分的教学，结合实际生活中的计数器、序列检测器等电路的设计过程让学生掌握基于小规模逻辑电路的设计思路和方法；适当增加加法器、移位寄存器等器件的设计，让学生能够理解计算机系统基本功能单元的实现；同时，对于同一个例子分别引入中规模器件，使知识更加系统化，并拓展相关应用，达到触类旁通的效果。以组合逻辑电路的设计中一位全加器的设计为例，通过该设计，学生可了解和掌握组合逻辑电路设计的基本步骤，并使用基本逻辑门电路芯片74LS86、74LS00等实现电路功能的仿真。在此基础上，要求学生设计四位全加器，并指出串行加法器存在的问题，从而引入实现四位并行加法功能的集成器件74LS283。进一步拓展，基于74LS283加入控制输入端实现全加/全减器。该例子实现了基本门电路→一位加法器（组合逻辑电路）→四位并行加法器（集成器件）→基本算术运算器（小规模数字系统）的层层递进，让学生更好地理解知识点并将其应用于实际系统的设计中。
3.3优化数字逻辑实验教学内容
实验教学的目的不仅仅是验证已知的理论，训练学生的基本实验技能，更重要的是培养学生的实践动手能力和根据所学知识解决问题的能力。以湖北工业大学为例，根据学校的教学改革要求，数字逻辑实验只有10学时，因此，学校根据实际情况对实验内容和实验教学安排进行了调整。实验安排了3个主题：基本逻辑门电路和触发器功能测试（2学时）、组合逻辑电路设计（4学时）和时序逻辑电路设计（4学时）。除第1个主题全为验证型的实验内容外，其他两个分为验证和进阶提高两部分。实验过程削弱了使用数字逻辑电路实验箱的部分，引入并加强了对仿真软件的应用，仿真软件建议学生采用Proteus或者Quartus。这样可以避免实验室资源不够及教学时间不足的限制，学生利用业余时间基于仿真软件完成验证型实验和设计型实验的主要过程，教师利用实验课堂针对学生个体存在的问题进行辅导和答疑，让学生能够在独立自主完成实验内容的同时，又能通过与老师的个别交流解决其自身难以解决的一些问题。另外，为了提高学生的学习兴趣，需结合教学内容选择有一定难度的设计作业，让学生完成作业的同时自己可利用仿真软件对设计结果进行验证，并结合这种方法强化完善课堂的教学内容。比如，由于课程理论教学学时的限制，一般对脉冲异步时序逻辑电路的设计内容只能以一个例子进行介绍。为了让学生理解异步时序逻辑电路的设计，可布置一道作业题：用D触发器作为存储元件，设计三位减法计数器，该计数器在输入脉冲的作用下实现计数，且当计数器归零时在输入脉冲的作用下输出一个借位脉冲，并完成该电路功能的仿真。通过这个作业，学生可以有效地掌握脉冲异步时序逻辑电路设计的基本过程；器件的选择，如D触发器使用74LS74；根据选择的器件优化异步时序逻辑电路的设计；电路的绘制；电路功能的仿真等内容。这个过程可极大地提高学生学习的自主性和积极性。
3.4加强课程设计环节
为了弥补实验教学学时较少的不足,进一步调动学生学习的主动性和培养学生的创新能力本课程开设了课程设计。课程设计的题目大多与实际应用相关，如汽车尾灯控制器、数字密码锁电路、洗衣机工作控制电路等，课程设计可使学生加深理解、巩固所学理论知识,同时提高综合应用的能力。通过实践发现,好的选题不仅可以调动学生的主观能动性,还可以激发学生的创造热情。课程设计也是要求学生采用仿真软件课下完成设计和仿真,这样可以弥补实验室资源使用的不足。另外，通过撰写课程设计报告，学生可以进一步理清数字逻辑电路设计的基本方法和步骤，掌握数字系统设计的思想和方法,同时将文献查阅和论文撰写综合起来,增强工程实践能力。
3.5改进考核评价方式
对学生学习效果的评价，不再单一地以平时作业和考试成绩为主，而是强调平时的课堂表现、实验完成情况以及学习过程中相对自身的进步。针对学生的不同情况,实行个性化教学,做到因人施教。尤其对于那些对数字逻辑这门课程学习能力较差的学生,通过个别交流让其掌握分析问题的思路,解决问题的方法,使他们能在理解的基础上逐渐找到适合自身的学习方法，并形成自己的思考方式，对这类学生以他们相对自身的进步来给定每次作业和实践的成绩更加公平。另外，实践成绩的给定综合考虑文字性的报告和完成的电路及其仿真结果的展示两个方面。评价时，只有文字报告对仿真结果的分析条理清晰，知识点理解正确，且能够自行设计有效的验证方式，并能清楚说明测试思路才可能为优。或者在设计实现时有自己的创新性的设计想法并能付诸实现。这样避免了以往只看实验报告，不注重学生实践中间过程带来的评价的片面性。同时，如果没有仿真过程的演示和结果分析，则不能通过本课程实践部分的考核，以督促学生参与实践。这种评价方式充分调动了学生的兴趣和主观能动性，大多数学生都能自觉完成实践要求并提出自己的想法。
4结语
数字逻辑课程的实践性很强,其教学重点在于基于门电路和基础器件的组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计。因此针对计算机科学与技术专业的培养特点,基于工程教育专业认证，在课程教学过程中转变教育理念,以学生为中心，注重学生学习的个体差异；转变教学方法，从以灌输为主转向以对话式教学为主；同时加强对学生实践能力的培养，改进考核方式。近三年的教学实践取得了良好的教学效果，在课堂学习和实践过程中，学生能逐步摸索出适合自身的学习方法，并有效地提高实际动手和系统解决问题的能力。
参考文献：
[1]孙涵,陈兵,陈松灿,等.计算机科学与技术专业工程教育专业认证探究:以南京航空航天大学为例[J].工业和信息化教育,2016(4):50-54.
[2]欧阳星明.数字逻辑[M].4版.武汉:华中科技大学出版社,2009.
作者:林姗 李浩 单位:湖北工业大学
