劉俊景　梁桂英

摘 要：《數(shù)字邏輯電路》是一門工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。針對(duì)課程教學(xué)的內(nèi)容和特點(diǎn)，著重研究了教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面的改革。這些改革探索不僅有利于提升課堂教學(xué)效果，還有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：《數(shù)字邏輯電路》；教學(xué)改革；EDA；課堂教學(xué)效果

中圖分類號(hào)：G423.07 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.128

《數(shù)字邏輯電路》課程是通信工程、電子信息類專業(yè)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的主干技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門理論與實(shí)踐密切結(jié)合的課程。其任務(wù)是能熟練運(yùn)用有關(guān)知識(shí)和理論分析組合、時(shí)序邏輯電路，能根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，綜合運(yùn)用多種方法完成組合、時(shí)序電路的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。通過(guò)學(xué)習(xí)《數(shù)字邏輯電路》課程，使學(xué)生掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本方法、基本理論、綜合應(yīng)用方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為《微機(jī)原理與接口技術(shù)》《電子測(cè)量原理》《單片機(jī)原理及應(yīng)用》等課程的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的《數(shù)字邏輯電路》教學(xué)模式采用黑板板書(shū)和PPT 的形式，以教師講授傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容為主，學(xué)生聽(tīng)講為輔的灌輸式教學(xué)，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，缺乏學(xué)習(xí)興趣，課堂學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果很不理想。針對(duì)數(shù)字電路傳統(tǒng)教學(xué)方法中的問(wèn)題，我院在教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段上都進(jìn)行了改革。

1 教學(xué)改革的內(nèi)容

1.1 互動(dòng)式教學(xué)模式

互動(dòng)式教學(xué)是主講教師啟發(fā)式的講授、課堂上師生互動(dòng)式的教學(xué)方法。采用這種方法的關(guān)鍵在于主講教師要做好充分準(zhǔn)備。教師在授課的同時(shí)，要注重用實(shí)際生活中的例子啟發(fā)學(xué)生，比如在講單穩(wěn)態(tài)電路時(shí)，指出該電路具有定時(shí)和延遲特性，使它在測(cè)量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中發(fā)揮很好的作用。例如，在樓道照明設(shè)施的控制器中，采用一種聲控和光控開(kāi)關(guān)，當(dāng)控制器收到聲音后，把它放大并整形，作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號(hào)。單穩(wěn)態(tài)在聲音的觸發(fā)下進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，輸出高電平使燈亮起來(lái)。經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)，輸出低電平使燈自動(dòng)滅掉。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用提出問(wèn)題，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們積極思維，進(jìn)而采取講課、課堂討論和自學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式。

1.2 引入EDA

將EDA引入《數(shù)字邏輯電路》教學(xué)中，對(duì)于一些抽象、復(fù)雜的變化過(guò)程，可以通過(guò)EDA的仿真，隨時(shí)以圖形、表格或曲線顯示出來(lái)。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)修改相應(yīng)電路和具體參數(shù)，仔細(xì)觀察輸出結(jié)果，加深對(duì)數(shù)字電路本質(zhì)和特點(diǎn)的理解，全面掌握《數(shù)字邏輯電路》的重點(diǎn)內(nèi)容。這樣，不僅拓寬了教學(xué)面，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，還收到事半功倍的教學(xué)效果。

在教學(xué)過(guò)程中，首先要保持?jǐn)?shù)字電路內(nèi)容的完整性和理論的系統(tǒng)性，包括組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、程序邏輯電路和可編程邏輯器件等基本內(nèi)容。在電路設(shè)計(jì)中，減少以卡諾圖為邏輯化簡(jiǎn)手段和相應(yīng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，增加Verilog HDL設(shè)計(jì)內(nèi)容。采用多媒體教學(xué)方式，結(jié)合理論教學(xué)的進(jìn)程，及時(shí)利用EDA在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

下面以組合邏輯電路四位全加器的設(shè)計(jì)為例，介紹EDA在數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1.2.1 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

組合邏輯電路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟是：①分析邏輯問(wèn)題，根據(jù)問(wèn)題列出真值表。②根據(jù)真值表畫(huà)卡諾圖，利用卡諾圖化簡(jiǎn)法得出最簡(jiǎn)表達(dá)式。如果采用公式化簡(jiǎn)法，需由真值表寫(xiě)邏輯函數(shù)表達(dá)式，根據(jù)公式化簡(jiǎn)。③根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)化后的表達(dá)式。④畫(huà)邏輯圖。

1.2.2 引入EDA的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

引入EDA的數(shù)字邏輯電路現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

分析設(shè)計(jì)要求：確定a，b是2個(gè)4位二進(jìn)制加數(shù)輸入端，cin是進(jìn)位輸入端，sum是和數(shù)輸出端，cout是進(jìn)位輸出端。

用Verilog HDL語(yǔ)言描述輸入與輸出信號(hào)之間的邏輯電路關(guān)系，即：

module adder（a，b，cin，sum，cout）；

parameter width=4；

input [width-1：0] a，b；

input cin；

output [width-1：0] sum；

output cout；

assign {cout，sum} = a+b+cin；

endmodule

用Quartus II開(kāi)發(fā)環(huán)境編輯、編譯、綜合和仿真用Verilog HDL語(yǔ)言描述的組合邏輯電路，得到的仿真波形如圖 1所示。

圖1 四位全加器仿真圖

從圖1中可以看出，sum=a+b+cin，cout是進(jìn)位輸出，滿足設(shè)計(jì)要求。

將Quartus II軟件綜合后的adder. sof文件下載到FPGA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行硬件的驗(yàn)證。

分析這2種設(shè)計(jì)方法可知：采用基于EDA的現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，不要求學(xué)生必須列出真值表，推導(dǎo)出邏輯函數(shù)式，也不需要人工化簡(jiǎn)得到最簡(jiǎn)表達(dá)式，因?yàn)檫@些都可以使用Quartus II軟件由計(jì)算機(jī)完成，并且可通過(guò)仿真波形檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路是否滿足題目的要求。這樣可以使一些看不見(jiàn)、摸不著的抽象理論知識(shí)通過(guò)仿真和硬件驗(yàn)證比較直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 因此，在《數(shù)字邏輯電路》的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)院要求教師首先簡(jiǎn)要講授傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生了解數(shù)字邏輯電路傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，然后引入基于EDA的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生感受到使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，大多數(shù)學(xué)生只是在課堂上有機(jī)會(huì)與教師交流，在課下學(xué)習(xí)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題也不能及時(shí)解決。這在一定程度上影響了他們的學(xué)習(xí)進(jìn)度，最終影響學(xué)習(xí)效果。因此，要充分利用高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將課程的所有資料都放到精品課程網(wǎng)站中，以便學(xué)生能夠課前課后隨時(shí)查找授課的知識(shí)點(diǎn)，節(jié)省了大量的時(shí)間。建立的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程主頁(yè) http：//202. 193.64.134/jpkc/中主要包括：《數(shù)字邏輯電路》理論課件、實(shí)驗(yàn)課件、教學(xué)錄像、在線自測(cè)、在線答疑、教學(xué)改革、教學(xué)信息發(fā)布和試題庫(kù)等信息。利用網(wǎng)絡(luò)課程可以進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，不斷提高他們的自學(xué)能力。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段創(chuàng)新的探索與積極實(shí)踐，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，激發(fā)了學(xué)生課外的學(xué)習(xí)興趣，提高了他們的學(xué)習(xí)積極性和在工程實(shí)踐設(shè)計(jì)方面的能力，培養(yǎng)了他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)了對(duì)《數(shù)字邏輯電路》課程的精講、多練、勤思的目的，教學(xué)質(zhì)量也達(dá)到了新的高度。近年來(lái)，我院學(xué)生在全國(guó)各類大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中連獲佳績(jī)，這與將EDA技術(shù)應(yīng)用于《數(shù)字邏輯電路》課程的教學(xué)中是分不開(kāi)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還將在教學(xué)實(shí)踐中努力探索新的教學(xué)方法，持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量，以達(dá)到更佳的教學(xué)效果，為培養(yǎng)出創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)、應(yīng)用能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的大學(xué)生而努力。

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〔編輯：白潔〕