易 婷

(復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200433)

“數(shù)字邏輯基礎(chǔ)”課程是我校工科專業(yè)的一門平臺基礎(chǔ)課程，主要講授數(shù)字邏輯電路的分析與設(shè)計。這是一門理論性和實踐性都很強的課程，如何在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力和解決問題能力，一直是這門課的任課教師考慮的問題。高校在完成這門課程的理論教學(xué)之后，都會開設(shè)相應(yīng)的軟件和硬件實驗［1-3］。由于上述實驗是在完成這門課程的理論教學(xué)之后進行的，這使得理論教學(xué)與實驗教學(xué)之間會存在一定的脫節(jié)。為了解決這個問題，筆者在進行這門課的理論教學(xué)時，嘗試通過在課堂教學(xué)中安排課程設(shè)計，讓學(xué)生在進行理論學(xué)習(xí)的同時，就有機會將學(xué)習(xí)到的理論知識應(yīng)用于實踐。多年教學(xué)實踐表明，這種將課程設(shè)計引入課堂教學(xué)的方式能取得良好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生歡迎。

1 課程設(shè)計的實施安排

我?！皵?shù)字邏輯基礎(chǔ)”課程由課堂教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分組成。實驗教學(xué)從第五教學(xué)周開始(此時課堂教學(xué)已經(jīng)講到組合電路的分析與設(shè)計)，每周一次實驗課。學(xué)生已初步掌握了EDA軟件的使用方法，這為在此后的課堂教學(xué)中結(jié)合課程設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。實驗教學(xué)部分采用EDA工具，完成編碼器、7段數(shù)碼顯示電路、加法器、同步計數(shù)器和順序脈沖信號發(fā)生器等模塊電路的分析和設(shè)計。

課程設(shè)計的選題首先是設(shè)計性的，即要求設(shè)計一個電路或小型系統(tǒng)。在選擇設(shè)計目標(biāo)時，主要考慮以下四個方面:綜合性、應(yīng)用性、趣味性以及具有一定的復(fù)雜度，即側(cè)重于綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識來解決實際問題。題目來源可以是任課教師推薦的，也可以是學(xué)生自選的。同時，課程設(shè)計的課題數(shù)必須足夠多以保證學(xué)生有足夠的選擇空間。

在實施課程設(shè)計時，任課教師會在第六教學(xué)周前，將課程設(shè)計的題目發(fā)給學(xué)生，學(xué)生選擇自己要做的課題。對于需要多人共同完成的課題，學(xué)生自行選出小組負責(zé)人。學(xué)生應(yīng)在第十六教學(xué)周前完成課程設(shè)計，并完成相應(yīng)的設(shè)計報告。設(shè)計報告的內(nèi)容包括設(shè)計目標(biāo)，電路的實現(xiàn)方案和模塊劃分，模塊電路和整個電路的設(shè)計、仿真及結(jié)果分析。還有在課程設(shè)計中遇到的問題分析和解決辦法以及課程設(shè)計的體會等。在第十六教學(xué)周和/或第十七教學(xué)周，每位學(xué)生都要到講臺上就自己所完成的課題向全班展示，并對提出的問題進行解答。設(shè)計報告的撰寫和課堂上的答辯，有助于加深學(xué)生對所做課題的理解，學(xué)會如何對所完成的工作進行總結(jié)，同時還可以提高他們的表達能力。

課程設(shè)計以學(xué)生為主體，任課教師和助教在整個課程設(shè)計過程中所起的作用主要是對學(xué)生遇到的問題(例如EDA軟件使用和電路設(shè)計問題等)進行解答、跟學(xué)生就電路的實現(xiàn)方案進行討論，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生用多種方案來實現(xiàn)同一電路功能，在課程設(shè)計答辯時進行點評和內(nèi)容補充，引導(dǎo)學(xué)生提問等。

由于課程設(shè)計答辯需要占用一定的教學(xué)課時，而減少授課內(nèi)容，任課教師可將部分原本在課堂上講授的內(nèi)容結(jié)合到課程設(shè)計的課題中去，通過課程設(shè)計展示和教師的補充講解傳授給全班學(xué)生。

2 課程設(shè)計的具體實例

2.1 課程設(shè)計的三類選題

(1)知識加深型

該類課題內(nèi)容是課堂教學(xué)中的一些授課內(nèi)容的延伸和加深。例如，“如何設(shè)計一個帶直接置位端和直接復(fù)位端的主從結(jié)構(gòu)邊沿觸發(fā)器，并用它設(shè)計一個異步復(fù)位的九進制同步計數(shù)器”這道課程設(shè)計題目是跟邊沿觸發(fā)器和計數(shù)器的設(shè)計相關(guān)的。要完成這個課程設(shè)計，首先需要充分理解教材上的相關(guān)內(nèi)容。教材上介紹的主從結(jié)構(gòu)的邊沿觸發(fā)器都用到了CMOS傳輸門。但是承擔(dān)這個課題的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用Xilinx ISE設(shè)計工具進行電路仿真時，庫里面沒有提供CMOS傳輸門。所以必須考慮用其它方法來實現(xiàn)這個電路。例如，利用教材上的電路圖，用三態(tài)門來代替CMOS傳輸門;或者用2個D鎖存器來構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器。在該學(xué)生的設(shè)計報告中，闡明了上述邊沿觸發(fā)器的設(shè)計，并采用兩種不同的方法實現(xiàn)了九進制同步計數(shù)器，還對異步復(fù)位的優(yōu)缺點進行了分析，給出了解決異步復(fù)位缺點的方法—異步復(fù)位同步釋放。

(2)知識拓展型

該類課題中加入了一些學(xué)生以后學(xué)習(xí)中會用到的知識。例如，“設(shè)計一個電路實現(xiàn)四位二進制碼和溫度計碼的相互轉(zhuǎn)換”這道題目引入了“溫度計碼”的概念。溫度計碼是模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器中常用的一種編碼方式。選擇這道題目的學(xué)生必須先去查找與溫度計碼相關(guān)的資料，知道它具有什么特點，然后才能完成相應(yīng)的電路設(shè)計。最后，該學(xué)生通過課程設(shè)計答辯介紹有關(guān)溫度計碼的知識。

(3)比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)

上述的兩類題目較簡單，每道題目由一位學(xué)生獨立完成。而本類課題都是一個小的數(shù)字系統(tǒng)，具有較強的綜合性和趣味性。每個課題需由2-4位學(xué)生合作完成。為了順利完成所承擔(dān)的課題，各小組首先需要進行討論，對系統(tǒng)功能進行定義、完成功能劃分和模塊劃分，并確定模塊與模塊之間的連接關(guān)系，再將任務(wù)分配給各個組員。由各個組員完成模塊電路的設(shè)計，再將已完成的模塊電路連接起來，完成整個系統(tǒng)的設(shè)計，并用EDA工具進行系統(tǒng)功能仿真和驗證。

例如，“智力競賽搶答器邏輯電路設(shè)計”這道課程設(shè)計題目是由四位學(xué)生共同來完成的。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，他們將整個電路分成四個模塊:①搶答電路;②計時電路;③加減計分電路;④計分顯示電路。每個成員承擔(dān)其中一個模塊的電路設(shè)計。整個電路涉及到的內(nèi)容包括基本型異步時序電路的設(shè)計及競爭冒險的消除(搶答電路)、同步減法計數(shù)器的設(shè)計(計時電路)、寄存器的設(shè)計和組合電路的設(shè)計(包括加/減法器、除法器和譯碼器等)。

以上內(nèi)容幾乎涉及到了這門課程的所有內(nèi)容。

2.2課程設(shè)計實施的效果和學(xué)生體會

(1)通過課程設(shè)計可以讓學(xué)生加深對理論知識的理解和掌握，學(xué)會對知識的靈活運用;可以開闊眼界，體現(xiàn)學(xué)以致用的原則;學(xué)生對自己所完成的課題任務(wù)有成就感和滿足感，這表明課堂教學(xué)中引入課程設(shè)計這一環(huán)節(jié)很有意義。

(2)學(xué)生通過課程設(shè)計認識到細節(jié)的重要性、團隊合作精神和隊友之間良好溝通的重要性、合理安排時間的重要性、以及工作態(tài)度認真的重要性。

(3)課程設(shè)計是一個提出問題到解決問題再到改進方案的設(shè)計過程，為學(xué)生提供一次能綜合運用所學(xué)過知識的機會。

(4)課程設(shè)計的答辯實際上是對課堂上已學(xué)過的知識的詳細的回顧，有利于對學(xué)過的知識的復(fù)習(xí)、以及對所學(xué)知識的拓展和延伸。

3 結(jié)語

我們通過在“數(shù)字邏輯基礎(chǔ)”的課堂教學(xué)中引入課程設(shè)計，提供三種類型的課題，讓學(xué)生在完成課程設(shè)計的過程中，學(xué)會靈活應(yīng)用所學(xué)過的知識，學(xué)會通過自主查找資料、與教師討論等方式來解決問題，學(xué)會獨立思考，學(xué)會團隊合作，收獲學(xué)習(xí)的快樂和成就感。同時通過課程設(shè)計，讓學(xué)生體會到數(shù)字邏輯電路在實際生活中的應(yīng)用，體會到數(shù)字邏輯電路之魅力。

由于教學(xué)學(xué)時的限制，所有的課程設(shè)計都由學(xué)生在課余時間完成。這固然會增加學(xué)生課外學(xué)習(xí)的負擔(dān)，但是學(xué)生完成課程設(shè)計的過程也是對課堂上所學(xué)的相關(guān)知識進行總結(jié)掌握的過程，所取得的學(xué)習(xí)效果遠大于純粹做習(xí)題所獲得的學(xué)習(xí)效果。

［1］王勇.“模擬與數(shù)字電路實驗”的課程設(shè)置［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(1):6-7

［2］田東.數(shù)字電路課程設(shè)計的改革與探討［J］.北京:實驗技術(shù)與管理，2006，23(5):118-119

［3］侯素芳，任艷頻.電子技術(shù)課程設(shè)計內(nèi)容改革的研究與實踐［J］.上海:實驗室研究與探索，2012，31(1):108-110