徐娟，石雷，畢翔

（合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽合肥230009）

1 背景

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計（以下簡稱數(shù)字邏輯）課程是計算機類相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是計算機組成原理、微機原理與接口技術(shù)、單片機技術(shù)、嵌入式技術(shù)等課程的先導(dǎo)課程[1]，在整個計算機硬件的知識體系中占有重要地位，肩負著引導(dǎo)學(xué)生了解計算機硬件組成，掌握其工作原理并進行計算機硬件電路分析與設(shè)計的重要使命。因此，如何提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)出軟硬兼?zhèn)涞挠嬎銠C工程高級專門人才，是我們在數(shù)字邏輯課程教學(xué)研究中需要首先解決的問題[2-3]。然而，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)字邏輯課程教學(xué)面臨著新的問題和挑戰(zhàn)：一是課程教學(xué)內(nèi)容與實踐脫節(jié)；二是MOOC等新教學(xué)模式的出現(xiàn)，徹底突破了傳統(tǒng)“固定課堂+固定教師+固定內(nèi)容”的教學(xué)方式[4-5]；三是當前計算機類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中“欺軟怕硬”和“唯工具論”的現(xiàn)象比較突出。為了應(yīng)對上述問題，近年來國內(nèi)外高等教育界大力倡導(dǎo)通過計算思維的培養(yǎng)來改革計算機相關(guān)課程的教學(xué)[6-7]。

2 以計算思維為導(dǎo)向的計算機相關(guān)課程教學(xué)改革現(xiàn)狀

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，其特點是形式化的表示和機械化的執(zhí)行，本質(zhì)內(nèi)容是抽象和自動化，涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動[8]。以計算思維為導(dǎo)向的計算機相關(guān)課程教學(xué)改革目標是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識和方法，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中具備從本質(zhì)上和全局上解決問題的能力，從而能夠更深層次地理解計算機科學(xué)[9]。近年來，美國NSF持續(xù)支持眾多計算思維訓(xùn)練與人才培養(yǎng)方面的研究項目[10]，我國的陳國良院士[11]、李廉教授[12]、戰(zhàn)德臣教授[7]等多名計算機學(xué)科領(lǐng)軍學(xué)者也一直倡導(dǎo)圍繞計算思維的計算機類課程教學(xué)改革。2013年5月，教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會發(fā)布了《計算思維教學(xué)改革宣言》[13]。經(jīng)過4年多的發(fā)展，目前各高校已基本形成共識，即計算機相關(guān)課程教學(xué)改革的重要方向之一就是以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維為導(dǎo)向，進行課程實踐和探索[14]。

3 以計算思維為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯課程教學(xué)體系

結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)的時代特征，教學(xué)目標是通過“課程授課—小班討論課—課程實驗”組織形式的基本教學(xué)體系及內(nèi)容組織方式，著力挖掘數(shù)字邏輯課程的計算思維屬性。在課程講授中，教師要講透計算思維在數(shù)字邏輯課程中的表現(xiàn)，突出“問題—計算—可計算與可實現(xiàn)”的思考過程；通過教學(xué)形式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考評機制的改革和實踐，探索以計算思維為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯課程教學(xué)新模式，為適應(yīng)我國信息技術(shù)的發(fā)展培養(yǎng)出更多具有計算思維的高級專門人才。

3.1 改革教學(xué)形式，加強師生互動

傳統(tǒng)“固定課堂+固定教師+固定內(nèi)容”的教學(xué)方式已經(jīng)無法適應(yīng)MOOC時代知識學(xué)習(xí)的要求，有必要在原有課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，增加小班討論課的課外教學(xué)環(huán)節(jié)，通過建設(shè)課程網(wǎng)站讓學(xué)生進行線上學(xué)習(xí)。目前，我校數(shù)字邏輯課程總學(xué)時48學(xué)時，其中理論學(xué)時40學(xué)時，實驗學(xué)時8學(xué)時。眾所周知，在48學(xué)時中想涵蓋數(shù)字邏輯的全部內(nèi)容、面面俱到是不可能的，因此，教師在授課過程中往往壓縮了很多外延內(nèi)容，而只保留核心的知識點。對于計算思維的培養(yǎng)而言，外延知識往往會對學(xué)生起到更好的啟發(fā)和引導(dǎo)效果，因此可以另外設(shè)置8學(xué)時的小班討論課，使學(xué)生利用課余時間通過課程網(wǎng)站的交互形式進行學(xué)習(xí)。線上學(xué)習(xí)中，規(guī)定3～4名學(xué)生為一個小組，小組內(nèi)學(xué)生自由組合，每組安排不同的報告主題和任務(wù)，學(xué)生在課余時間自行收集和整理報告內(nèi)容，任課教師或者助教在指定時間內(nèi)在線參與小組討論和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，最終要求學(xué)生定時提交任務(wù)報告。

小班討論課的落實是MOOC時代數(shù)字邏輯課程教學(xué)方式的變革，能夠提供更為靈活便捷的教學(xué)手段和豐富多樣的教學(xué)內(nèi)容。以“半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展與應(yīng)用”為主題的小班討論課為例，我們建議學(xué)生以“半導(dǎo)體存儲器設(shè)計及應(yīng)用現(xiàn)狀”為主線，從多個方面收集素材并進行學(xué)習(xí)調(diào)研，如半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展歷程、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、目前主流的廠家及最新產(chǎn)品、未來半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展趨勢等。通過這種教學(xué)形式，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)關(guān)注和了解與課程相關(guān)的工業(yè)界發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)水平。學(xué)生感受到自己所學(xué)的知識在工程技術(shù)領(lǐng)域中大有可為，會極大地激發(fā)對所學(xué)專業(yè)課程的興趣，催生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力。更重要的是，雖然數(shù)字邏輯課程中涉及半導(dǎo)體存儲器的內(nèi)容比較淺顯，但是其代表的約束優(yōu)化問題卻是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的根本問題。從產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計和開發(fā)的全生命周期而言，如何在一定的成本、設(shè)計代價和時間約束下滿足產(chǎn)品功能需求，這才是研發(fā)人員需要具備的重要能力，也是計算思維能力的重要體現(xiàn)。

3.2 精心組織教學(xué)內(nèi)容，講透基本原理

計算思維在數(shù)據(jù)邏輯課程內(nèi)容中應(yīng)該均有體現(xiàn)。教師需要針對教學(xué)大綱中所涉及的各個知識點，講清楚知識點從何而來，知識點形式化表述、建模與解決方法，以及知識點對于計算及計算機系統(tǒng)的關(guān)鍵作用這3個方面的內(nèi)容。課堂講授環(huán)節(jié)應(yīng)該堅持把基本問題、基本原理和基本方法講透徹、講明白的原則，輔之以工業(yè)界實際應(yīng)用技術(shù)和案例，說明基本問題、基本原理和基本方法的來龍去脈、重要性及應(yīng)用方法。與具體工具和技能相關(guān)的訓(xùn)練，應(yīng)該在小班討論課和實驗課中有所加強，以更加活躍、輕松和便于互動的方式呈現(xiàn)，讓學(xué)生有機會自主發(fā)掘問題從何而來、實際用途等。此外，教師要有意地引導(dǎo)這兩個部分的教學(xué)環(huán)境，使二者能進行有效且良性的互動。

3.3 開展研究性教學(xué)，著力提升討論課質(zhì)量

數(shù)字邏輯是整個計算機硬件知識體系中的奠基課程，也是計算機類相關(guān)專業(yè)的一門核心主干課程。教師在教學(xué)實踐中應(yīng)該強調(diào)理解一門技術(shù)比學(xué)會一門技術(shù)更重要，引導(dǎo)學(xué)生從計算機的角度理解問題、建立模型和思考問題，嘗試自主給出解決方案。

基于這一指導(dǎo)思想，我們嘗試采用研究性教學(xué)模式，以問題為中心，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、研究能力和創(chuàng)新精神。研究性教學(xué)是指教師通過對課程內(nèi)容及教學(xué)活動的精心設(shè)計和組織，靈活創(chuàng)設(shè)情境，利用設(shè)疑引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生投入問題情景的發(fā)現(xiàn)、探究和解答中的一種師生互動型教學(xué)形式。研究性教學(xué)的教學(xué)模式靈活多樣，可以綜合運用基于問題的教學(xué)模式、網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)、案例教學(xué)、研討式學(xué)習(xí)等。如何將這些形式多樣的研究性教學(xué)模式貫穿到數(shù)字邏輯的教學(xué)活動中，并切實達到師生互動、教學(xué)相長的優(yōu)質(zhì)教學(xué)效果，是我們研究的重點內(nèi)容之一。例如，在學(xué)習(xí)時序邏輯電路設(shè)計時，可以從日常生活中隨處可見的“搶答器電路”這一實際問題引入，先分析實際搶答中的設(shè)計規(guī)則和依據(jù)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)闀r序電路的邏輯問題，使學(xué)生在尋求解決問題的過程中具備時序電路的分析和設(shè)計能力。

3.4 設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的實驗課程，變驗證性為設(shè)計性實驗

數(shù)字邏輯總課時為48個課時，其中40個理論課時，8個實驗課時，理論課時與實驗課時的比例為5:1，實驗學(xué)時相對較少。在有限的實驗課中，目前各高校多采用一些固化的實驗箱進行驗證性實驗，如基本邏輯門的驗證、常用中規(guī)模組合模塊的芯片功能驗證等。學(xué)生在實驗過程中，即使尚未理解芯片功能的工作原理，只要按照實驗指導(dǎo)書的操作提示，在實驗箱上插接集成電路芯片和連接線，撥動開關(guān)，觀察指示燈，也可完成整個實驗過程。這樣“照本宣科”式的實驗環(huán)節(jié)操作容易造成部分學(xué)生不求甚解、蒙混過關(guān)，無法達到預(yù)期的實驗效果。

事實上，對于數(shù)字邏輯這種理論性和實踐性并重的專業(yè)基礎(chǔ)課而言，針對書本上的理論知識如數(shù)字電路的設(shè)計與分析，教師如果只是單純課堂講授，學(xué)生很難清晰、準確和直觀地理解。只有開展設(shè)計性實驗，才能使學(xué)生對抽象問題具象化，加深對理論的理解，從而真正將計算思維應(yīng)用到解決現(xiàn)實問題的過程中。因此，我們探討基于任務(wù)驅(qū)動的數(shù)字邏輯實踐教學(xué)模式，將驗證性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計性實驗，分成基礎(chǔ)性實驗、一般設(shè)計型實驗和綜合設(shè)計型實驗這3個層次。

基礎(chǔ)性實驗可以讓學(xué)生掌握數(shù)字邏輯的基本理論、實驗規(guī)范、數(shù)字電路測試及故障排查，進行驗證性試驗。例如，全加器實驗要求學(xué)生用數(shù)據(jù)選擇器74LS153設(shè)計一個全加器，學(xué)生需要掌握數(shù)字邏輯實驗的基本操作方法，完成對數(shù)據(jù)選擇器74LS153的功能驗證，在此基礎(chǔ)上學(xué)會分析數(shù)字電路的設(shè)計任務(wù)，并提出相應(yīng)的解決辦法，為后續(xù)的復(fù)雜實驗任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

一般設(shè)計型實驗可以讓學(xué)生掌握簡單數(shù)字邏輯電路的分析方法和設(shè)計方法。例如，多人表決器實驗是組合邏輯電路的典型任務(wù)，可以讓學(xué)生掌握組合電路設(shè)計的基本原理和方法，將課堂上講授的“邏輯問題—真值表—邏輯表達式—邏輯電路”等相關(guān)知識切實運用到實際問題的解決中。學(xué)生通過實際電路連接，可以直觀地看到模擬現(xiàn)實的實驗現(xiàn)象，極大地鼓舞學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

綜合設(shè)計型實驗可以培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生對數(shù)字電路系統(tǒng)的綜合分析和設(shè)計能力。例如，基于FPGA的交通信號燈控制器實驗是一個綜合性的系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)，主要由FPGA芯片、譯碼器、定時器、脈沖信號發(fā)生器等模塊組成，是對組合邏輯電路和時序邏輯電路的綜合應(yīng)用。學(xué)生需要在FPGA的開發(fā)環(huán)境中，完成系統(tǒng)電路的設(shè)計、功能模擬和時序模擬，最后下載到器件上進行實踐操作。整個實驗過程完全按照實際工程項目的開發(fā)流程進行，啟發(fā)學(xué)生以計算思維的意識和方法分析和解決問題。

3.5 加強平時考查，形成綜合考評機制

數(shù)字邏輯課程成績的構(gòu)成和評定方法在開課時公布于課程網(wǎng)站，其中期末考試的成績占40%，課堂測試占15%，作業(yè)撰寫占15%，實驗報告占15%，小班討論占15%。平時成績中，各個環(huán)節(jié)的成績在該項考核內(nèi)容結(jié)束后隨即輸入課程網(wǎng)站，避免課程結(jié)束統(tǒng)一錄入各個環(huán)節(jié)成績時可能出現(xiàn)系統(tǒng)不確定等情況，通過設(shè)計嚴格、合理和有效的考評機制，評估和提升課程的教學(xué)效果。一方面，這些措施可以改變少數(shù)學(xué)生平時不學(xué)、考前突擊的不良學(xué)習(xí)習(xí)慣；另一方面，也可以更加客觀、全面地評價學(xué)生在課程各個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效果和綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語

以計算思維為導(dǎo)向的課程改革是近年來計算機相關(guān)課程教學(xué)改革的重要方向。我們以挖掘數(shù)字邏輯課程的計算思維屬性為目標，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和實驗課程，創(chuàng)新教學(xué)形式，豐富教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生以計算思維分析問題和解決問題的能力，為建立符合時代特征的以計算思維為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯教學(xué)模式提供了新思路。

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