周天剑，王庆娟，周雁，吕继方

（1.北京理工大学珠海学院，广东珠海 519085；2.江苏海洋大学海洋工程学院，江苏连云港 222005）

“数字逻辑技术”是计算机科学与技术专业的专业必修课程，是一门理论性和实践性较强的基础课程[1]。为了适应新工科建设下对人才培养的要求，本文探究了一种基于EDA（Electronics Design Automation）技术的“数字逻辑技术”的教学改革，在教学中增加电子设计自动化软件、硬件描述语言Verilog HDL 和可编程逻辑器件等知识，完成逻辑电路的设计、仿真和验证。

1 教学现状分析

结合本专业的培养要求，“数字逻辑技术”的课程目标是培养学生系统分析与设计的能力，基于此，教学团队在实践教学过程中分析总结了传统的“数字逻辑技术”课程教学中存在以下几方面问题：①理论教学方式单一。教学过程中基本是以教师讲授为主，通常只采用课件就完成了电路结构、功能和应用等知识的介绍；对于首次接触电路的学生而言，容易导致学生感到内容枯燥、知识抽象，从而无法较好地理解课程内容，更无法培养其系统的设计和分析能力。②实验教学内容和形式落后。传统的实践教学采用传统的74 系列芯片在面包板上搭建电路，利用数字实验箱提供的逻辑高低电平和发光二极管分别作为输入信号和输出信号来完成实验内容，但受到实验箱上硬件资源的限制，学生只能做一些验证性实验，无法完成某些综合性的实验。③课程考核机制不完善。传统的考核方式以平时成绩、实验报告和期末成绩为主，缺少对学生实践动手能力、综合设计能力和团队合作能力的评价。

2 理论教学改革

2.1 理论教学改革方案

在教学过程中，优化课程内容，突出教学重点，将EDA 仿真设计软件应用于课程教学中，改变了单一的教学方式，提高了学生的学习兴趣，达到预期的教学效果。

坚持以学生为中心，有选择地讲授课程知识。在大纲的定制中将内容分为4 个模块，即逻辑电路基础、组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路。首先舍弃与其他课程存在交叉重复的内容，如数制、二进制数的算术运算等知识点会先在“计算机科学概论”“高级程序语言”课程中学习，让学生在课后自学复习，在课堂上测试检查即可；像存储器的相关知识将在“计算机组成原理”课程中学习，则直接舍弃不讲。其次舍弃那些对于本专业而言不重要的知识点，如门电路的内部工作原理、像电路结构的触发器、异步时序逻辑电路的分析等知识点，需要简化教学内容。

在理论教学中，只通过对电路原理的讲解，学生很难理解其深刻的含义及应用。因此，在课堂上采用理论讲解与EDA 仿真相结合，使用软件Multisim 设计和仿真一些功能抽象和逻辑复杂的电路，动态地展示电路变化，将数字电路的逻辑运行结果形象地展示给学生，以辅助学生理解数字电路的工作原理[2]。

2.2 理论教学改革实例

图1 当使能信号无效时74HC138 的状态仿真图

图2 当使能信号有效时74HC138 的状态仿真图

3 实践教学改革

3.1 实践教学改革方案

实验教学是本课程的重要组成部分，在课程中引进了以现场可编程逻辑器件（FPGA）为核心的实验平台[3]。引入FPGA 技术，既能够让学生了解现代数字系统的发展趋势，又能掌握一种现代的主流的设计方法，体会其优越性。基于此平台完成“理实结合”和“虚实结合”的教学内容，模块化设计实验内容，共设计了6 个实验，具体安排如表1 所示。

表1 课内实验安排

以项目驱动式开展实验教学，首次实验课以往届学生的综合实验作品为模板，介绍综合实验所包含的核心模块与实验内容的关联性。要求学生从实验1—实验6 都在同一个工程中完成，保留好每次实验后的工程文件。实验6 则是通过调用前面学过的模块设计完成，如数字时钟的设计按模块划分为计数器、分频器、数码管的动态显示、译码器几个核心模块，通过完成前面的基础实验，最后完成综合实验。要求学生通过自主学习后完成诸如整点报时、校时、闹钟、秒表等拓展功能。在实验的教学中实现了由单元到系统，由已知知识到拓展知识的完整流程，得到了学生较好的反馈。

3.2 实践教学改革实例

理论课中已经通过虚拟仿真软件Multisim 完成了对译码器芯片74HC138 的逻辑功能仿真和介绍，如图3 所示，在此基础上实验二的译码器部分则要求以FPGA 开发流程为引导，利用QuartusⅠⅠ完成译码器的Verilog HDL 建模，使用Modelsim 进行电路功能的仿真，最后在FPGA 上实现3—8 线译码器。

图3 74HC138 的功能仿真图

当使能信号无效时FPGA 实验箱验证图如图4 所示，当使能信号有效时FPGA 实验箱验证图如图5所示。

图4 当使能信号无效时FPGA 实验箱验证图

图5 当使能信号有效时FPGA 实验箱验证图

4 考核评价机制改革

借助在线教学平台，实施全过程性的教学管理，并制定多元化的考核方式。将教学活动中的各个环节纳入考核，如在线视频、测试、作业、课堂讨论、实验过程及签到等环节。

对实验成绩评定的改革，经过4 轮的教学实践，形成了注重动手能力培养、团队合作的考核方式。改革前的实验成绩基本以学生提交的实验报告为主要依据，对学生的实操缺少评价，存在学生课上不认真完成实验，课下编造实验数据，或者抄他人实验数据的现象。所以在实验评价中增加实验课上动手情况记录，实验能力的评价以小组为单位进行检查，当小组所有学生都完成实验内容后现场演示并回答教师的问题，教师根据实验结果对实验能力进行评价，激发学生的学习兴趣和动手操作能力。

5 结束语

课程组分析了“数字逻辑技术”课程存在的问题，从教学内容、实验平台、考核方式等方面进行了改革。实践结果表明，基于EDA 技术的教学内容较好地培养了学生的实践动手能力、创新能力及团队协作能力。学生在学习过程中，能够学以致用，体会到理论课内容在实验课中的指导作用，实验课又加深了对理论课的理解，提升了学生的学习兴趣和学习效率。