本站原创摘 要：结合实验教学的实践,对非电类计算机专业“数字逻辑电路实验”课程教学中的主要问题进行了讨论,并提出教学改革“过三关”的观点和做法.
关 键 词：教学改革；实验；数字逻辑电路；计算机专业
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）29-6570-02
数字逻辑电路实验课程是电气、电子信息类和部分非电类专业本科生在电子技术方面入门性质的技术课.它在电类专业中深受青睐,但在非电类专业中的教学没引起足够的重视.长期以来,在我校计算机专业类数字逻辑电路实验的实验教学中,出现实验教师难教学生厌学的现象.我们从学生学习该课程的现状着手,通过对该课程的先导课程及后续课程进行调查分析,了解相关理论课学习的状态,并据此提出了相应的实验教学改革措施,分三个阶段对学生的学习能力及动手能力进行培养,我们称之为数字逻辑电路实验课程“过三关”[1].
1数字逻辑电路实验的教学改革思路
数字逻辑电路实验在计算机类专业都把它作为一门主干必修课程,但相比专业课来说,非电类专业对该课程地位认识和重视程度是不一样的,普遍存在的一种现象是“重软件轻硬件”[2].我校计科专业、网工专业的“数字逻辑电路实验”课,安排在第三学期,并具有第二学期的“模拟电子技术”课程的基础.而软工专业的“数电”课安排在第二学期,并没有提前开设“模电”课程,缺乏电路知识的先导.在总课时数压缩的情况下,由于理论课和实验课安排在同一学期,并在第一周同时开课,实验课严重滞后于理论课的进度,造成学生想要学好又觉得心有余而力不足[3].
第一关：克服对数字电路实验课的心理恐惧关
对计算机专业的学生来说,模拟电子技术和数字逻辑电路都很难学,更难于精.适合计算机专业的专用教材很少,更没有比较适合的实验教材.不得已沿用电类专业的教材,理论偏多偏深.单纯的数字逻辑分析抽象、枯燥、乏味,遇到复杂的逻辑现象更容易让人感到无从下手,产生畏难情绪.例如：教材[4][5]的第二章逻辑门电路,是学生们共同认为最难于理解、头疼困难的内容.在讲解TTL（Transistor-TransistorLogic）基本逻辑门涉及到很多的电路基础知识、基本电路元件（电阻、二极管、三极管等元件）、电路及结构、半导体工艺、以及它们的电流、电压、元件参数等内部电气参数的计算等.对电路原理的理解和对电子元器件认识存在困难.然而,计算机专业学习的重点并不在这些电路的内部原理和前端设计,实验所必需的电路基础知识在课程中的应用暂时不用十分深入,可以不用刻意去理解逻辑器件的内部结构.重点应放在：一是掌握器件输入和输出之间的逻辑功能；二是外部的电气特性其主要参数.相应的基本门电路实验,目的包括掌握TTL基本逻辑门的逻辑功能验证与参数测试；掌握TTL器件的使用规则；进一步熟悉数字逻辑电路实验装置的结构、基本功能和使用方法.“轻里重外”,将集成电路视为“黑匣子”,这样电路基础知识不再构成计算机专业的学生学习的障碍.
在实验教学中,改善实验条件,增强实验教学的趣味性.让生活走进实验、贴近生活.理论实验化,实验生活化.例如：逻辑门实验是认识数字电路的基本实验,电子门铃的原理就是利用与非门构成振荡器,使输出端的铃声信号输出,从而驱动喇叭发出闹铃声的.除此之外,实验还能进行趣味游戏如乒乓球游戏机等的设计.通过增加实验内容、改变实验方法,多做实验来改变学生怕做实验的恐惧心理.
根据现在的理论课学时、教学计划和实验设备,改编有关内容.以“与非门”逻辑为例说明改革实验教学方法.采用先理论讲解,以逻辑代数为基本数学工具,从基本逻辑门电路入手.实验使用传统标准数字逻辑器件四2输入与非门74LS00,,用它构成传统的与非门验证实验.再用硬件描述语言VHDL（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）[6]和复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）[7]实验实现“与非门”逻辑.这样就建立了同一实际逻辑问题用多种不同层次方法进行实验的模式：数字逻辑单元理论设计,以门电路为基本单元电路构成各种组合逻辑电路和时序逻辑电路,使用标准数字逻辑器件中的中（MSI）、小规模（SSI）的TTL集成电路验证；利用通用集成电路模块产品,主要是用中（MSI）大规模（LSI）集成电路模块,构成预定功能的逻辑电路；再用VHDL和CPLD构成复杂的电路系统,步步推进,穿插进行融合.
第二关：培养动手能力关
从数字逻辑电路实验课程的知识结构和特点分析,数字逻辑电路实验主要由基本逻辑门电路,由门电路组成的基本组合逻辑电路和时序逻辑电路及通用集成电路模块构成.
在第一阶段为数字逻辑电路基础实验（芯片级实验）.由“一门而入”,选用传统典型标准数字逻辑器件与非门,进行基本门电路逻辑功能测试与验证,通过实验使学生熟练掌握数字电路实验箱的结构和使用方法,使用示波器记录描述逻辑功能的波形图,实验基本仪器测试集成电路外部电气特性参数.掌握用与非门组成其它逻辑门及逻辑门之间的互换、解决不同门电路之间相互连接匹配问题.对集成门电路外形建立感性认识,熟悉芯片的外形封装、芯片的引脚数量和分布情况.通过基础实验,训练了学生的数字逻辑设计的基本功,为综合设计性实验打下良好的基础.
第二阶段为综合设计实验（单元级实验）.主要有基本技能测试性综合实验、组合电路设计性综合实验、时序电路设计性综合实验、存储器和D/A或A/D转换电路的综合实验.
综合设计性实验主要是小系统逻辑设计实验[8],每一个实验系统可以由多片标准数字逻辑器件MSI、MSI的门电路组成.也可以用通用集成电路中的MSI、LSI的TTL集成电路芯片组成.实验者可根据自己的设计做出不同种类的电路,培养对单元功能电路的理解和灵活运用能力.例在传统数字逻辑电路实验中,最为经典的例子是“三人表决器实验电路的设计”[9].其中SSI门电路设计最为灵活,可以选择一种与非门构成“与非-与非式”、一种或非门构成“或非-或非式”、与非门+或非门构成“与或非式”.也可以采用通用集成电路模块译码器、数据选择器和加法器分别设计多种三人表决器实验电路.第三关：VHDL及CPLD实验提高复杂电路设计能力关
从第一、第二阶段实验的效果来看,这些实验是在掌握SSI、MSI电路分析和设计的基础上进行,达到预定的逻辑功能.这种方法设计的逻辑系统规模不宜太大,否则,系统需要很多芯片,连接线和接点复杂,导致可靠性下降、功耗增加,系统占用空间扩大.为此,可以采用大规模集成和超大规模集成技术,把完成复杂功能的众多芯片集成到一个芯片内.可以克服上述问题.这种能够完成特定功能的集成电路芯片称之为专用集成电路.用VHDL语言设计后,在CPLD中实现,这已经成为数字系统设计的主流.
将新技术和新型电路设计的方法充实到教学中去,以体现实验与时俱进的先进性.第三阶段的可编程器件的应用与可编程电路的EDA设计实验（系统级实验）,要求学生用CPLD芯片重现第一阶段的基础实验和第二阶段综合设计性实验中的电路设计.训练学生通过阅读资料掌握可编程器件的功能及规范的使用方法.掌握EDA软件的使用方法和设计语言.最终达到“了解一种器件,熟练使用一种设计工具,掌握一门设计语言,能够设计较复杂的数字系统”的目的.
通 过三个不同阶段的实验过程,将一种数字逻辑器件的基础理论,用传统器件实验验证或实现,再用VHDL及CPLD实验复现,三者融合循环,螺旋式上升.实现数字逻辑电路实验的教学改革,帮助学生突破在学习道路上的三道难关.
2结论
侯建军教授提出了“厚理博术,知行相成”的教育理念.通过数字逻辑电路实验,既要加强知识的学习,又要践行所学的知识,提高实践动手能力和创新能力.根据学生的特点确定教学目标,组织教学内容,制定教学方法,以学生为主体,“教法”适应“学法”培养学生的学习兴趣.倡导以启发、探索和创新性实验为核心的研究式学习方式,鼓励学生参与国家级和校级的大学生创新创业项目,并参加各种国家电子技能大赛,取得很好的效果.