数字逻辑课程实验改革探索.docx

数字逻辑课程实验改革探索*摘 要：以必做实验为基础，让学生开展综合性、设计性、开放 性和PLD仿真实验，是培养学生动手能力、创新意识以及主动探索精 神的有效手段。论文从以上几个方面对数字逻辑实验教学改革进 行了有益的探索，并取得了一定的成果。关键词：数字逻辑；实验；综合性；设计性；开放性；PLD数字逻辑是一门实践性、技术性很强的涉及多专业的基础课。 因此，教学中不仅要重视理论性，更要注重实践技能的培养和训练。 实验是本课程的重要组成部分，通过实验，尤其是以学生为主体的设 计性、综合性实验，可以使学生学会查阅产品手册、拟定实验方案、 选择与配置实验设备、查明与排除故障和分析实验现象，从而巩固、 加深和拓宽学生对课程内容的理解，培养分析、设计和调试数字系统 的能力，培养学生的动手能力，激活学生创新思维。计算机与信息学院一直重视实验环节的教学，尤其是近年来结合 项目研究，从多个方面对实验教学进行改革,通过一些综合性、设计性、 开放性、创新性实验、PLD仿真实验以及强化毕业设计中的实验环节 等改革措施，大大提高了学生的动手能力和创新能力，取得了较好的 效果。1以必做实验为基础，培养学生的动手能力计算机专业的应用性极强，实验教学是整个教学过程中的重要组成部分，数字逻辑又是主干的专业基础课，是学生接触硬件的第一 个教学环节。因此，课程的实验教学对学生动手能力的培养，起着非 常重要的作用。数字逻辑课程安排了 8个必做实验，这其中，既有组合线路 的设计，又有时序线路的设计，实验体系从简单门电路的测试延伸到 复杂线路的设计，涵盖了数字逻辑的基本内容。收稿日期：基金项目：安徽省2007年度高等学校省级重点教学研究项目 (2007jyxm085)作者简介：钱萌(1963),男，安徽安庆人，副教授，主要从事计算 机仿真和高等教育研究。通过必做实验，有效地提高了学生的自学能力、动手能力、创造 能力、综合分析能力和解决实际问题的能力，使学生在教学活动中真 正学有所得，在接下来的毕业设计当中，也能较为轻松的完成。这样， 在走出校门之际，在找工作的过程当中，学生可以凭借扎实的知识基 础和实际动手能力很自信地进行自我推荐，并在用人单位的考试中取 得优异的成绩。2以综合性、设计性实验为导向，培养学生的创新精神教育部在关于加强高等学校本科教学工作，提高教学质量的若干 意见中强调指出“高等学校要重视本科教学的实验环节，保证实验课的开出率达到本科教学合格评估标准，并开出一批新的综合性、设 计性实验。”，这就对原有的实验课程体系、内容、教学方法提出了全 面挑战。数字逻辑原有的实验体系和内容大都以验证性、手工设计、 单元电路、分立元器件和中小规模集成电路为主。通过改革，已基本 过渡到以科学验证、系统设计、综合和创新能力的培养上来，使学生 既具有使用分立元器件和中小规模集成电路的能力，又具有使用大规 模集成电路和可编程逻辑器件，采用电子设计自动化工具，设计并实 现一个中小系统的能力。例如设计题：采用不同的器件，设计出8421码转换为GRAY码的代 码转换器。初步考虑代码转换器可用逻辑门电路实现，常用的有与非门、或非 门、异或门等；进一步考虑则采用MSI器件实现，常用的有4T6译码 器、全加器、多路选择器等；再拓展，即可应用PLD器件仿真实现。这种不同层次的递进，扩展了学生的思维，变学生被动学习为主动 学习，从“不会做”到“自己做”，从简单到复杂，从单元到系统，从 观察到分析再到拓展创新，全面提高了学生的创新意识和能力。通过综合性、设计性实验不仅训练学生规范性的操作技能、培养学 生对数字逻辑的学习兴趣、与他人的协作意识，使学生练就扎实 的基本功，学会与他人合作解决问题的能力，同时也为今后开发大规 模集成电路，打下坚实基础。3以开放实验室为依托，培养学生主动探索的习惯课堂上重点讲授的知识和方法，学生要在自学和实验教学这两个环 节中得到进一步巩固和理解。学生既可以围绕提出的问题和学习目标 来自行设计和完成某个专题实验，也可能会为了解决自己在自修中产 生的一些问题及想法去进行某个实验。这就要求实验教学应该成为开 放式的教学，从而充分调动学生自身的学习热情和积极性，并使学生 能够在观察现象、提出问题、分析问题和解决问题方面得到能力上的 培养和锻炼，并养成主动探索的习惯。数字逻辑实验大纲安排8个实验（17课时），在理论教学时数 由72课时减为51课时的情况下，实验课时仍保持不变。为了保证学 有余力的同学进一步拓展，每个实验均安排了不同层次和类型的思考 题，可通过开放式实验验证。学生也可不受具体教学内容限制，自选 自定时间进行开发型实验项目，独立或合作设计、调试和运行实验系 统。如思考题:如何利用1片74系列组合线路芯片实现多数表决电路？一般情况下，学生首先想到利用各种门电路集成芯片来设计，但1 片芯片限制了设计的可行性；进而考虑采用MSI芯片，这就要求学生对 常用的MSI芯片的功能及应用极为熟悉，最终可以引导学生利用全加器 的进位功能实现多数表决电路。学生在掌握现有实验资源的前提下，合理地去使用这些资源，根据 个人的兴趣爱好、特长，结合实际，为了验证或求证某个原理或者是自 己的某个想法，自主选择既有基础性、典型性，又有挑战性、扩展性、 创造性的内容，才能使学生倾注全部热情、认真地进行实验研究。不仅增强了学生的实验兴趣，也为培养学生主动探索的精神提供了条件。4适量增开PLD仿真实验，提高学生综合分析及设计能力随着微电子技术和计算机技术的发展，实验手段正不断得到更新、 完善和开拓。除了可以用常规TTL逻辑器件外，也可采用可编程逻辑 器件PLD,借助计算机辅助设计软件实现；在数字逻辑实验大纲中, 安排了多项PLD实验项目，如：LED译码器、八位左移寄存器和四位三 级先进后出堆栈等；像上述代码转换器的实例，经过功能设计，仅需 用简单的VHDL语言实现。面对PLD器件及技术的迅速发展，基于PLD器件的实验将成为今后 硬件实验的一个重要的发展方向。为此我们采用科技讲座，讲解理论 知识，并通过兴趣小组给予同学参与的机会。通过让学生熟悉基于PLD器件的仿真实验的设计和开发过程，可以 使学生掌握一种全新高效的数字系统的设计方法，为今后将其应用到 实际的硬件实验中打下良好的基础，从而也可使学生摆脱硬件实验中 繁琐的物理连线，把主要精力投入到对实验的设计及实现上来。5强化毕业设计和专业实践，提高就业能力毕业设计是检验学生综合掌握专业知识的有效形式，是人才培养计 划中重要的教学环节，对于增强其独立思考能力，提高其综合能力和 全面素质，增强学生在就业市场的竞争力，甚至是培养工作中的协作 精神具有重要的意义。笔者在从事数字逻辑教学的同时，注重引导学生综合分析与实 践能力，积累相关的资料。学生可能就是为了观察某种现象或验证某 种设想或实现其特定的设计而不受到任何限制地进实验室作实验研 究。这本身也是对教学过程的一种深化，从而使学生不论是从知识的 积累上还是能力的提高上都会产生一个极大的飞跃，为后期的专业实 践、毕业论文和科研立项奠定良好的基础。笔者指导的多篇论文都是围绕数字逻辑课程展开，其中，96级 蒋东升同学所作的“利用PLD进行数字逻辑仿真实验”，偏重于PLD 仿真实验，其理论基础在课堂教学、实验中均未涉及，但最终实验效 果良好，成功率很高；97级周晓民同学所作的“开放性硬件实验平台 的制作”，偏重于硬件实验的整合，有较好的实用性；99级连飞同 学所作的“基于ISP LSI 1016的仿真实验”，偏重于各类实验编程的 集成，有较强的针对性；学生集中多方面的知识和技能，在实验设备 和操作环节上不受任何限制，自行分析、设计和调试实验系统，从而 为实现某种实验或开发目的而进行研究。通过毕业设计的实践，这些同学不仅凭借扎实的动手能力，很快找 到满意的工作；同时，在各自的岗位上崭露头角。2005年6月28日，在钱萌、程玉胜、程树林老师精心指导下，由 计算机与信息学院叶敏、汪智华和齐乐同学精心设计的作品，参加由 教育部高教司、中国自动化协会、中国计算机用户协会、北京航天自 动控制研究所主办，计算机仿真杂志社承办的“首届全国计算机仿真 大奖赛”，在150多所院校、科研所共600多支参赛队伍中脱颖而出，喜获第二名。这也是对我们的实验教学改革的一个检验。通过数字逻辑实验的教学改革，让学生在完成基础性实验的前 提下，开展综合性、设计性、开放性和PLD仿真实验，不仅提高了学生 的动手能力，更重要的是使学生对计算机的体系结构有了一个系统的认 识；同时，对今后的就业以及进行更高层次的学习打下了良好的基础; 还为培养学生的创新和主动探索的精神提供了条件。参考文献1王玉龙等.数字逻辑实用教程M.清华大学出版社，2002.2复旦大学计算机科学系.数字逻辑电路实验加.复旦大学出版社， 1997.3黄均鼎等.可编程逻辑器件设计M.复旦大学出版社，1997.4钱萌，蒋东升，周晓民.基于FD-MDL和FD-SJ8088A实验仪的功能 开发J,安庆师范学院学报:自然科学版，2003, 9 (1) : 100-103 5钱萌，程玉胜，程树林，叶敏，汪智华，齐乐.基于分治策略求解方程根的个数J,计算机技术与发展，2006, 16 (9)： 41-43