刘 岚， 李成范， 周时强， 赵俊娟， 薛 丹

(上海大学 计算机工程与科学学院，上海200444)

0 引 言

数字逻辑实验课程是计算机专业的基础课程，其课程目的是使学生掌握数字系统分析与设计的基本知识和基本方法以及熟悉各种逻辑器件，为计算机系统硬件分析与设计奠定坚实的基础［1-3］。因此，这门课程学得扎实与否，将直接影响到其他硬件课程的学习，其重要性不言而喻［4-5］。但是由于该实验课程内容复杂、抽象，教师用语言不易描述，学生也很难真正理解和掌握［6-9］。传统的实验课程教学方法已不能适应需要，在此背景下，有必要开展基于数字逻辑实验的教学改革和探索实践。针对数字逻辑实验课程教学的发展趋势，本文以上海大学计算机教学实验中心为例，指出当前数字逻辑实验机遇与挑战并存，从安排学生积极参与校外实习、实验操作平台的及时更新、践行实验课程的本科生导师制等方面进行了论述，并对上海高校实验技术队伍建设计划项目“数字逻辑实验动态演示系统”进行了介绍，为推进数字逻辑实验教学改革、实践和提高实验课程教学质量提供一定的参考。

1 数字逻辑实验课程的教学现状

1.1 存在的挑战

(1)学生对数字逻辑实验课存在着认识上的错误。在开设该门实验课时，一方面，学生还没有对整个计算机科学体系形成一个系统的概念，认为实验课并不重要，也没有激发出足够的热情［10-12］;另一方面，学生前期的有关课程基础薄弱，在接触数字逻辑实验课程时短期内无法适应，或者是想学而又觉得心有余而力不足。

(2)数字逻辑实验课程教学方法单一，效果较差［13］。传统的数字逻辑实验课程教学方法大多是针对理论教学的简单验证。学生一般只是根据实验指导书中的既有实验内容和步骤进行操作，并没有激发学生对该门课的学习热情，进而降低学生对实验课的学习兴趣。

(3)实验技术队伍薄弱，重视不够，缺乏系统的培训计划［14］。尽管新进的实验室人员基本上都具有硕士以上学历，但是总体来说实验技术队伍师资力量仍很薄弱。长期以来，高校中重教学轻实验的现象非常普遍，往往不重视实验技术队伍的建设、缺乏系统的培训计划。

(4)参考书内容陈旧，不符合时代发展需要。随着电子通信和计算机技术的快速发展，数据量迅速膨胀，集成计算的规模越来越大，但是数字逻辑实验课程的参考书内容仍沿用传统的教材，并不能满足当前时代快速发展的需要。

1.2 面对的机遇

为落实国家和上海市中长期教育改革和发展规划纲要、人才发展规划纲要以及《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》，加强上海高校内涵建设，根据《上海市教育委员会关于进一步加强高校实验技术队伍建设的指导意见》，基于此，上海市教委从2013年开始实施上海高校实验技术队伍建设计划，资助范围包括上海市全日制普通本科高校、部属211 高校。其中强调高校应该认真梳理学校已有的实验技术队伍建设项目和政策文件，在总结以往工作经验的基础上，统筹协调，制定未来三年实验技术队伍建设规划，包括制度建设、人员和岗位管理、职务聘任、评价考核、人员遴选、经费使用等。

上海高校实验技术队伍建设计划内容包括:组织实验技术人员进行培训、进修学习;建立实验技术人员的培训基地，依托省部级重点实验室、国家认证中心、仪器设备厂家等建设实验技术人员的培训基地，举办短期培训班或进行产学研践习等;支持实验技术人员参加学术交流活动和技术开发等;其他拓宽实验技术人员培养渠道，提高实验技术人员队伍综合素质的学校个性化项目等。该项目的实施将在一定程度上扭转上海高校实验教师队伍的弱势地位。这对于高校实验人员而言是一个非常好的机遇。

2 数字逻辑实验课程教学改革与探讨

2.1 进行校外实习

数字逻辑实验课程是一门操作性很强的课程，需要学生准确地认识数字逻辑试验箱的各个组件和功能。这就要求我们尽可能的让学生深入到企业的真实设计和生产环境中，积极安排学生进行校外实习活动。长期以来，上海大学计算机教学实验中心一直与上海轩怡电子信息科技有限公司保持着紧密的合作关系，积极开展有关产学研活动，为学生进行数字逻辑实验校外参观和实习提供了平台。此外，该公司在为数字逻辑实验课程提供必要的硬件支持的同时，还积极参与数字逻辑实验课程的教学指导，并与实验教学人员及时沟通，做到教学信息及时反馈。

2.2 实验操作平台更新

早期的数字逻辑实验平台主要是Maxplus II，作为Altera 的上一代PLD 设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。与Maxplus II 相比，Quartus II是Altera 公司的综合性PLD/FPGA 开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL 以及AHDL 等多种设计输入形式，内嵌有综合器和仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD 设计流程，提供完善的用户图形界面设计方式，具有运行速度快、界面统一、功能集中、易学易用等特点。由于其强大的设计能力和直观易用的接口，应用越来越广。目前，上海大学计算机教学实验中心全部采用的是Quartus II 平台。通过分析和统计，采用新平台后的数字逻辑实验课程教学效果要明显的优于之前。

此外，为配合实验教学改革的大趋势，提升计算机理论结合实践的效果，上海大学计算机教学实验中心计划在未来几年内采用基于xilinx 的FPGA 开发板。其具有丰富的I/O 器件和接口，可以设计搭建完整的逻辑电路和数字系统。革新设备的同时改变传统硬件实验相互独立的缺陷，以数字逻辑实验为基础，融合组成原理等硬件实验，将实验分层并相互贯通，使学生通过实验课能对整个计算机体系结构和运行原理有更加深入的认识。

2.3 学生成绩考核的改革

学生成绩的考核事关学生的切身利益，在重视实验课程内容设计和安排的同时，还要充分重视成绩的考核方式，并尽可能地向着提升学生创新能力和学习热情的方向发展。上海大学计算机教学实验中心针对实验课特点，制定了详尽的学生成绩考核标准。其中学生成绩考核分为平时成绩(50%)、考试成绩(40%)和额外加分成绩(10%)三项。平时成绩主要包括学生的出勤情况(30%)和平时操作情况(20%)，额外加分情况主要是根据学生平时对疑难问题的解答或其他突出的表现视情况而定。此外，中心要求教师在每一学期的第一节课都应向学生明确该课程的考核要求，以便提高学生成绩考核的透明度。

2.4 践行实验课程的本科生导师制

本科生导师制作为高校本科教育的新生事物，不但要引入到理论课教学中，同样也需要引入到实验课教学中。对于数字逻辑实验课亦是如此。上海大学计算机教学实验中心每年实施的夏季学期大型作业就是基于本科生导师制的数字逻辑实验改革的典型案例之一。其中，无论是根据导师现有课题还是学生自拟课题或创新想法等，都可以通过导师的指导，定期开展小组讨论，对其课题开展进度进行实时监控，保证课题顺利开展。通过基于本科生导师制的实验课程学习和实践操作，能够培养学生过硬的动手能力、团队意识和协作精神，有利于其毕业后能更加适应社会的需要。

2.5 以竞赛平台和多层次大学生创新实践为依托

学科竞赛是指在紧密结合课堂教学的基础上，以竞赛的方法，激发学生理论联系实际问题和独立工作的能力，通过实践来发现问题、解决问题，培养学生学习兴趣，增强学生学习自信心的一系列活动［15-16］，能够为学生提供创新和发展的动力。在高校中，存在着不同层次的学科竞赛平台和大学生创新实践活动等。例如，ACM 程序设计大赛、上海市大学生创新活动计划、校级大学生创新科研活动以及各学科之间的学科竞赛等。通过积极参与这些创新项目，才能加强学生创新能力和动手能力，推动实验课程教学内容、体系和实践方面的革新。

2.6 建立实验室开放运行环境

实验室开放运行是实验教学改革取得成效的关键［17］。以往的实验室通常只为有实验课的学生开放或对有学科竞赛及其他创新项目开放，学生参与面很小。而开放性实验主要通过对教学计划之外的、以提高性实验、软件开发和网页、课件制作等为主的开放性实验活动，能够给学生提供一个自主学习的宽松环境，并通过设计不同模式的开放性实验，最大限度的满足学生自主学习的需求。通过开放性实验室，既培养了学生独立解决问题、分析问题的能力和团队协作精神，又提高了实验室的利用效率，大大改善了教学效果。

3 数字逻辑实验动态演示系统的研究项目

本项目依托上海高校实验技术队伍建设计划项目“数字逻辑实验动态演示系统”，在现有数字逻辑实验的基础上，利用Flash 技术进行“数字逻辑实验动态演示系统”开发。该系统可以让学生直观、清晰地感悟到有关实验内容的思想及内涵，提高实验教学效果。

3.1 系统设计

(1)策划系统。主要包括系统的整体框架、舞台布局、导航位置;系统分为几个模块、每个模块应该表达、展示的内容;每个模块的应该设计成什么样。系统策划对整个系统的品质和效果起着决定性的作用，直接影响着动画完成后的总体效果和表现力的强弱。

(2)素材准备。需要考虑到每个实验的实验过程以及每个实验中可能用到的实验元器件、声音素材、按钮素材等，尽量使数字逻辑实验动态演示系统的外观和整体效果更加丰富、美观。既缩短了数字逻辑实验动态演示系统的制作周期，又增加了各种素材之间的融合效果。

(3)系统制作。包括布置整体舞台、制作界面;不同按钮的操作方式;按照实验目的、实验原理、实验步骤、实验要求、参考资料等模块分解每个实验;不同分解后实验模块的整合。

(4)调试和测试。调试是对每个模块、细节、片段的衔接及声音和动画之间的协调等进行调整。测试是指在整个系统完成之前对动画的效果、品质等进行检测。实际应用中，应尽可能多的在不同配置的电脑上测试动画，并根据测试结果对动画进行调整和修改。

(5)发布动画。通过对动画的生成格式、画面的品质、声音效果灯进行设置，并设置动画文件的格式、文件大小以及动画在网络中的传输速率。

3.2 系统实现

在完成系统设计的基础上，数字逻辑实验动态演示系统包括片头、主界面和分界面制作，其中分界面又包括实验目的、实验原理、实验步骤、开始实验、参考资料等部分。

(1)片头。在数字逻辑实验动态演示系统中制作的片头，属于情境类的动画。片头中包含轮船和帆船两类角色。其中，轮船在移动中形状不断变大，而两艘帆船在移动中始终保持原来形状的大小。在制作的过程中分为背景的制作、轮船的制作和两艘帆船的制作等四个部分。这四个部分最终都放在同一场景一中的不同图层中。背景直接制作在场景一中，轮船和两艘帆船分别先制作成三个影片剪辑，并在每个影片剪辑中设计角色的形状和运动过程。

(2)界面。①主界面:主要包括展示窗口、主导航、分导航。因为数字逻辑实验包括基本门电路、组合电路、记忆元件测试、时序电路、中规模元件及综合设计实验等五个实验，因此主导航中共设计了五个按钮，点击主导航中的任意一个按钮，可以进入到相应的数字逻辑实验主界面，并在展示窗口中显示对应的实验题目。②分界面:当使用者进入每个实验的主界面后，通过点击主界面左侧的分导航，可以方便、快捷地进入每个实验对应的分界面中。分界面主要包括实验目的、实验原理、实验芯片、实验步骤、开始实验、参考资料等六部分。图1 分别为实验二的动画效果和查看功能表中当前实验结果对应的表项。

图1 动画效果(左)和功能表(右)

(3)导航。数字逻辑实验动态演示系统的导航设计分为主导航和分导航两部分。不同导航中的按钮可以通过设置遮罩层和被遮罩层来实现。因为数字逻辑实验包括5 个实验，所以主导航也需要设计实验一至实验五等5 个按钮。此外，该导航还具有较好的可移植性，修改简单。

(4)填空题制作。首先，通过新建一个名为“对错”的影片剪辑，分别在舞台上输入文本“恭喜你答对了”或“答错了”(并将字体设置为红色)的字样。其次，新建一个名为“填空题”的影片剪辑，在第一帧输入文本后，留出填空的位置，并将填空的位置插入“输入文本”。最后，在新建的“填空题”影片剪辑中，插入“动作层”图层，在第一帧中输入动作脚本和插入“按钮”图层，以便实现自动判断填空的正误并调用“对错”影片剪辑中的相应帧。填空题界面如图2 所示。

图2 填空题页面

4 结 语

数字逻辑实验作为计算机专业的一门必修的实验课程，近年来，上海大学计算机教学实验中心通过积极安排学生进行校外实习、实验操作平台更新、学生成绩考核改革、实验课程的本科生导师制、依托竞赛平台和多层次大学生创新实践活动及建立实验室开放运行环境等一系列的实验教学改革与实践手段来提高学生动手能力和实验教学质量。结果表明，通过实验教学改革和实践探索大大提高了实验教学效果。但是其中一些新的实验教学方法还处于起步阶段，大量的实验课程教学细节还需要在今后的实践探索中不断地完善。当前，针对实验课程教学面临着挑战与机遇并存的情况，这就需要上海市属高校广大实验教师能够在此轮上海市高校实验技术队伍建设计划的大力资助下和各级领导的重视及有力支持下，积极推进符合时代发展和社会需要的高校实验课程改革和实践探索，激发与增强学生在实验课程中的创新思维和动手能力，切实提高实验课程教学效果。

［1］ 管冰蕾，胡家芬. 计算机专业《数字逻辑》课程教学改革的研究［J］. 时代教育，2009(3):99-101.

［2］ 唐志强. 计算机专业数字逻辑实验的改革与创新［J］. 实验室研究与探索，2013，32(10):182-184.

［3］ 陈光梦. 数字逻辑基础［M］. 上海:复旦大学出版社，2007.

［4］ 白中英，张 杰，靳秀国，等. TEC-5 数字逻辑与计算机组成的实验系统［J］. 实验室技术与管理，2007，24(11):49-51.

［5］ Chengfan Li，Shiqiang Zhou，Fei Liu，et al. Reform and practice of digital logic experimental teaching［C］//2015 National Conference on Information Technology and Computer Science，March 21-22，2015，Shanghai，China，(2):1765-1771.

［6］ 谢 平. 用Flash 制作课件的难点分析及解决策略［J］.北京教育学院学报(自然科学版)，2011，6(1):3-6.

［7］ 任 卓. 浅谈Flash 动画设计在教学课件中的应用［J］. 甘肃科技纵横，2009(3):16-17.

［8］ 李成范，周时强，李 雪，等. 数字逻辑实验动态演示系统设计与实现［J］. 微型机与应用，2015，34(2):88-90.

［9］ 刘新元，谢柏青. 数字逻辑电路实验课程改革［J］. 电气电子教学学报，2009，31(2):8-10.

［10］ 盛建伦. 数字逻辑实验教学改革探索［J］. 计算机教育，2010(17):41-43.

［11］ 晁仕德. Flash 制作课件探索［J］. 黑龙江教育学院学报，2011，30(7):74-75.

［12］ 艾明晶. 基于自动射击方法的数字逻辑课程改革研究与实践［J］. 实验室技术与管理，2012，29(9):151-155.

［13］ 周建国，王小兰. 虚拟实验系统在“数字逻辑”实验教学中的应用［J］. 实验室研究与探索，2011，30(10):78-80.

［14］ 王 勇. 数字逻辑电路实验系统设计与开发［J］. 实验室研究与探索，2008，27(12):42-44.

［15］ 徐 健，赵小强，常志国. 依托学科竞赛平台的本科生导师制实践教学方法［J］. 实验室研究与探索，2012，31(12):128-130.

［16］ 胡建鹏，张雅丹. 应用型高效多层次创新实验教学体系的实践［J］. 实验室研究与探索，2012，31(12):135-139.

［17］ 张秀玲，李 妍，郑世英. 植物学实验教学改革的探索与实践［J］. 实验室研究与探索，2012，31(12):156-158.