计算机专业数字逻辑课程改革研究 本文关键词：课程改革，计算机专业，逻辑，数字，研究
计算机专业数字逻辑课程改革研究 本文简介：关键词：数字逻辑；HDL语言；计算机专业随着国家将芯片技术列入国家重点支持技术产业，国内对芯片研发相关人才的需求量越来越大。《数字逻辑》是计算机及电子信息类专业的一门必修专业课，是学习计算机硬件系列课程的基础[1]，在硬件课程群中从“基础—芯片—系统”中起到承上启下的作用。但是，传统的数字逻辑课程以
计算机专业数字逻辑课程改革研究 本文内容：
关键词：数字逻辑；HDL语言；计算机专业
随着国家将芯片技术列入国家重点支持技术产业，国内对芯片研发相关人才的需求量越来越大。《数字逻辑》是计算机及电子信息类专业的一门必修专业课，是学习计算机硬件系列课程的基础[1]，在硬件课程群中从“基础—芯片—系统”中起到承上启下的作用。但是，传统的数字逻辑课程以74系列芯片展开讲解，关注于芯片的内部底层硬件结构，对于计算机专业学生而言非常吃力。相比而言，这种知识体系对计算机系统的构建展开作用不明显，不能有效衔接前后课程。相对而言，随着FPGA的发展，数字逻辑课程的知识是FP⁃GA的理论基础，如果能将FPGA技术和数字逻辑课程衔接起来，必然更为有利于教学的开展和学生专业能力的培养。
1教学现状分析
1.1教学内容无差异，无法适应专业、产业、行业的发展需求
随着信息产业的需求和微电子技术的发展，CPLD和FPGA等可编程逻辑嵌入式系统设计技术以及成为信息产业最热门的技术之一，应用领域遍及航空航天、医疗、通信、安防、汽车电子、工业、消费类等领域。相对应的，可编程逻辑技术与数字逻辑课程有着千丝万缕的联系，然而国内绝大部分高校该门课程主要讲解双极性工艺的74系列门电路实现方式，以及通过74系列门电路如何组成中小规模集成电路，而当前绝大多数信息类企业往往急需大量的超大规模集成芯片的应用人才。即便在课程中加入可编程逻辑技术的讲解，往往只是在课程末章做简单介绍，显得突兀，对学生理解硬件描述语言及掌握开发方法没有任何助益。数字逻辑课程中的触发器、组合逻辑、时序逻辑是CPLD、FPGA等可编程逻辑技术的核心基础，如果在原有数字逻辑课程知识点讲解中将CPLD、FPGA等的原理和应用能无缝穿插讲解，相互支撑，无疑对学生快速掌握可编程逻辑技术有非常大的帮助。
1.2实验设备和内容可扩展性差，无法支撑学生“学—做—创”
现行实验教学设计绝大多数是传统的试验箱，主要用于验证74系列门电路的功能，由一些分立式的接插件组成，完成简单模型的验证性试验，谈不上设计，更不可能完成自主创新试验[2]。传统的实验箱将各个功能模块以及做好，学生只需要按照实验指导书上说明将各个信号用导线连接，波动相应开关，观察相应指示灯就完成了实验，这种线条式的实验方式很难调动学生的学习兴趣和自主创新意识。而以培养直接面向企业、面向社会的具有创新意识和创新能力的应用型创新人才为己任的应用型高校更应结合企业需求，及时更新实验设备，提高学生实验的主观能动性和创新意识，为培养具备合格工程素养、企业急需的研发工程师提供支撑。
1.3课程考核手段单一，无法全面评价学习效果
一般情况下，课程考核采用期末笔试和过程考核的方式来评价学习效果，重在理论知识的考核，而对学习过程和学生知识应用能力缺少有效评价指标。造成的后果是部分学生理解错误，平时不关注学习，完全以考前突击以考试通过为课程学习的目标，教学与人才培养目标产生脱节的现象。
2教学改革措施
2.1整合课堂教学内容，优化知识结构，重构课程教学体系
实际上，目前国内各个高校数字逻辑课程所讲授的内容几乎完全一致，从思维性的逻辑代数到底层基础的门电路结构分析，以及组合电路，时序电路的分析，最后扩展到中小规模集成电路的应用。实际情况下，组合逻辑电路、时序逻辑电路是作为数字逻辑电路的基本单元而很难展开讲解，而中小规模集成电路必须在一定应用场景才能真正解释其作用[3]。造成了该门课程讲解和学生理解均比较困难，很难从工程角度、系统宽度和应用层面去理解数字逻辑课程知识体系。这也正是当前数字逻辑课程教学过程中最大的问题：学的内容非常有用，但现有的知识结构很难去解决“有什么用”“在哪用”“怎么用”的问题。因此，着眼于学生能力培养，精心重组有关联的知识模块势在必行。2.1.1弱化与专业关联度低的知识点现有教学内容中，门电路的内部结构分析、门电路的电参数计算等相对偏向于电子类专业，对计算机相关专业学习难度大，联系不紧密，完全可以在不影响前后知识衔接的前提下去掉。组合逻辑和时序逻辑是数字逻辑课程的骨架和核心内容，一方面实例化了门电路和触发器的使用，另一方面为后续中规模集成电路的设计起到铺垫的作用。在教学中，大多数情况下重在强调两种类型电路的结构、工作原理和区别上，理论性过强，学生往往很难真正理解两种类型。要想深刻和透彻理解两种类型的电路的优缺点，可以结合VerilogHDL语言中的“阻塞赋值和非阻塞赋值”“连续赋值和过程赋值”来讲解，辅助以modelsim仿真和案例，理论知识实践化、案例化。同样的，针对中规模集成电路，如加法器、数据选择器、译码器、计数器等内容，应该适当减少内部结构的分析，而多强调器件的功能和用途，特别是强调“计算机系统内部是如何协调工作”的，辅助其建立结构观和系统观。2.1.2有机穿插讲解HDL语言和数字逻辑在介绍门电路、组合逻辑、时序逻辑和中小规模集成电路应用的过程中穿插讲解硬件描述语言和FPGA相关知识，并最终通过FPGA应用系统将数字系统从门级到芯片级到算法级直至系统级有机串联起来，并相互印证，可以起到“多而不杂”“繁而不乱”的效果。对于计算机专业学生，强项是编程，对于纯粹的电子结构(三极管、MOS管等)有着普遍的畏惧心理，“欺软怕硬”现象非常普遍，造成计算机硬件类课程教学效果不理想[4]。想要使学生理解“计算机内部到底是如何组成的”和“计算机内部是怎么工作的”，可以在数字逻辑课程教学中穿插讲解VerilogHDL语言，精心选择有趣味性的案例，通过编程验证理论教学，理论可以升华编程思想，具体可以采用表1的思路。表1内容整合示例以电子钟为例，该系统需要完成计时、显示和按键三个功能，计时功能可以通过计数器来完成，显示部分可以结合译码器来实现。在实现过程中，即可以介绍相关中规模集成芯片(计数器、译码器)，又可以通过软件(VerilogHDL)的方式来实现相关器件的功能，并且具有设计的灵活性，可以在课堂上要求学生实际编程操作，活跃了课堂气氛，使学生积极主动参与，提高课堂的效果。
2.2“以应用为根本，以学生为中心”，改革实验平台和内容
传统数字逻辑实验平台大多采用74系列的验证型实验，学生参与热情不高，效果不理想，不能真正理解和应用数字系统。为此，我们开发了基于FPGA的数字系统实验平台，可以应用于实验、自主学习和学生第二课堂活动。实验平台主要参数如表2所示。该实验平台即可以完成门级实验，同时可以借助于HDL理解和设计数字系统，并且可以掌握FPGA系统开发的手段和方法，丰富了实践环节的内容，同时可以将实践环节和应用场景结合起来，在提高学生学习兴趣的同时，深化对数字系统体系内涵的理解[5]。同时，我们拟修订实验内容，将原有实验内容通过我们的实验平台结合形象的学生可以参与其中的实验项目分别展开，在知识与趣味中学习。我们将实验内容划分为三个层次：门级、系统级和创新级。其主体思想可以通过图1来表现。图1实验分类主体思想。
2.3结合自主学习，改革课程考核方式，统一课堂和课外
课程的期末考核除了期末考试外，还加入了自主学习的内容，自主学习主要目的是将教学延伸到课外，自主学习项目依照教学进程，设立综合型较强的项目，要求学生在FPGA开发平台上实现，不但要求撰写设计报告，而且必须有仿真过程，同时在提交报告后安排答辩环节，综合考核学生对相关内容的掌握情况。通过自主学习的开展，学生的课外时间得到充分利用。同时，又通过具有一定综合型、工程特性的项目的训练，学生加深了对课程的认识，并且获得了FPGA系统开发的经验[6]。根据我们的自主平台，我们累计了部分自主学习项目案例，在表3中列举了部分。并且为形成案例库闭环控制，我们采取了大二学生提创意，大三创新实验室团队和大四毕业设计来实现，同时实现的项目又充实到项目库提供给大二学生自主学习时训练，以此来确保项目案例库具有一定的更新和充实。
3结论
2013年，数字逻辑课程组开始在全国范围内有特色的高校和相关有代表性的企业，特别是安徽省内相关高新技术企业和园区进行调研，并且完成了自主创新实验平台的研制，2015年9月，从14计科专业开始实施数字逻辑教改。通过近四年四届的课程实施，各方面取得了良好的效果，得到了用人企业的认可。近四年，专业有五十余同学在合肥、上海、苏州、深圳相关企业从事FPGA系统开发工作。同时，从后续课程（组成原理、单片机、微机原理）相关老师的反映来看，学生对系统的认知相比以往有长足的进步。为进一步深化数字逻辑课程改革，课程组下一阶段的重心将放在和企业的联合培养上，准备在第五学期认知实习阶段引入相关企业，以真实项目案例为驱动，进一步巩固和加深对FP⁃GA系统开发的认识。同时，着手研究“硬件课程教学一体化”课程，希望借助于HDL语言，将硬件相关课程完整串接起来，让课程体系衔接性更好。
参考文献：
[1]杨新凯.面向计算机系统能力培养的《数字逻辑》课程教学改革探讨[J].教育改革论坛,2015，(6):148-149.
[2]徐尚中,崔仲远.高校《数字逻辑》课程改革的思考与探讨[J].现代计算机(专业版),2010(9):61-63.
[3]王华本,鹿建银,朱良月.“数字逻辑”课程教学模式改革探索与实践[J].长春理工大学学报,2013,8(4):204-205.
[4]曹维,徐东风,孙凌洁.基于CDIO理念的数字逻辑实践教学探索[J].计算机教育,2012(12):75-77.
[5]任长松.探究式学习：学生知识的自主构建[M].北京：教育科学出版社,2005.
[5]刘彦,李仁发.以计算思维为导向的数字逻辑课程教学方法改革[J].计算机教育,2014(24):35-38,42.
作者：龙夏 肖连军 何立新 单位：合肥学院
计算机专业数字逻辑课程改革研究 来源：网络整理
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