一個項目玩轉數字邏輯實驗

王宗俠，韓德強

（北京工業大學 信息學部，北京 100124）

0 引 言

數字邏輯實驗是高校計算機相關專業本科生的實踐類必修課，是計算機組成原理、微型計算機接口技術、計算機體系結構，甚至是編譯原理和操作系統等課程實踐環節開展的基礎和保障。在國家重視高等教育實踐教學工作[1-3]的大背景下，在就業形勢的倒逼下，夯實基礎、培養系統思維、具備前瞻視野，成為了數字邏輯實驗課教學中必須要考慮的問題。

以項目為驅動，就是從系統[4-5]的角度認識和設計基礎實驗，打破傳統的碎片化實驗組織方式，使相對獨立的多個基礎實驗從系統角度構成一個有機整體，要求學生站在系統的高度設計各模塊電路，最終完成一個完整的小項目。

1 項目的選取

要以一個項目串聯起整門課程內容，項目的選取至關重要，所選取的項目至少要具備以下特點。

1）項目要有綜合性。

此處主要是指內容方面，項目涉及的知識要較好地覆蓋課程實踐教學大綱的內容，包括典型的組合電路：譯碼器、數據選擇器和加法器等的分析和設計；典型的時序電路：鎖存器及觸發器、計數/定時器、移位寄存器等的分析和設計；也可涉及有限狀態機的思想[6]。

項目的知識覆蓋情況要靠指導教師來把握，要求指導教師具有豐富的設計經驗和分析設計能力，幫助學生把好關。

2）項目要有趣味性。

課程中所選取的項目要接近學生的生活，或是學生比較了解的東西，這樣可以降低認知門檻，使學生專注于設計內容本身而無需做過多的需求分析。此外，親手實現一個習以為常的產品，不僅可以使學生獲得極大的成就感，還可以激發學習興趣，誘發創造熱情，為后續課程的學習打好思想基礎。

3）項目要有可擴展性。

所選取的項目應能滿足不同層次學生的需求。對于知識和能力一般的學生，最終可以得到一個完整的設計作品；而對于能力較強的學生，該項目的功能或性能也應具有可擴展的空間，使學生的潛力能被充分挖掘和發揮。

4）項目難度要適中。

作為計算機系統結構課程群的第一門實踐課，數字邏輯實驗內容比較基礎、簡單，否則易使剛剛入門的學生產生畏難情緒，不利于之后專業的學習和教學活動的開展。這就要求所選取的項目結構不宜太復雜，確保學生經過學習和研究完全可以勝任。

滿足以上特點的小項目很多，計算器、數字鐘和保險箱等都是不錯的選擇。當然一門課可以提供多個項目供學生自由選擇，這樣的差異化處理更能滿足不同學生的興趣，擴展了課堂廣度和學生的認知維度，達到1+1>2 的效果。

2 過程的實施

以項目“整型算術計算器”為例，實驗的具體實施過程[7-8]如下。

2.1 教師的備課

這種具有開放性的題目，但知識覆蓋明確的實踐課程對指導教師的備課有非常高的要求。教師備課主要需要做以下工作。

1）聯系數字邏輯理論課和學生實踐基礎，按照實踐課程大綱之規定，明確實驗需要覆蓋的知識范圍[9-10]。

數字邏輯實驗的知識覆蓋范圍見表1。關于各電路模塊，指導教師應準備短小精悍的串講型小視頻，帶學生回顧理論課所學，同時提供完成該實踐所需的其他文檔資料、擴展材料和參考教材等內容，所提供的材料力爭與理論教學緊密聯系，高度提煉、切忌冗繁，同時又側重知識的應用，能啟發思路。

表1 數字邏輯實驗的知識覆蓋范圍

2）確定學生需要掌握的實驗技能，建立與知識的聯系，細化落實步驟。

具體而言，數字邏輯實驗至少要求學生掌握：一款EDA 軟件的操作方法和使用流程；電路的仿真方法；會看波形圖；會看電路原理圖；簡單電路的調試方法；系統的分析和設計方法等。以上實驗技能分步驟由簡至難逐步落實在各個模塊電路的實現中，如仿真方法的學習可以從簡單的波形文件輸入法逐漸過渡到硬件描述語言的仿真文件輸入法。以上技術也可按專題準備講解小視頻或操作指南，材料應具備很強的可操作性。

3）確定備選項目，逐一分析，模塊化，畫出系統框圖，然后設計電路，最后對電路進行調試驗證。

在布置給學生之前，指導教師要先行實現，一方面可以進一步驗證設計的可行性，亦能提前發現備課前兩個階段工作中存在的問題或可改進的方面。

以整型算術計算器項目為例，可以得到其框圖如圖1 所示。

圖1 整型算術計算器系統框圖

系統包括輸入電路、運算電路和輸出電路，將各部分進一步細化，可以得到詳細的模塊框圖，如圖2 所示。

圖2 整型算術計算器模塊框圖

至此，得到了由表1 中的電路模塊搭建而成的整型算術計算器的電路框圖，定義各模塊的輸入輸出端口，然后逐一實現并驗證，即可完成項目設計。指導教師需要像整型算術計算器那樣實現所有的備選項目。

4）電路模塊加密打包。

為了使學生體驗到如何從系統的角度設計和調試電路，實驗前指導教師要提供給學生實現的電路，在實驗過程中要求學生用自己設計的模塊電路替換指導教師提供的電路，最終完全用自己的電路實現項目。

要將已實現的電路提供給學生，以便于其從項目整體功能的角度調試模塊電路，但又不能讓學生看到各模塊的具體實現方法，限制學生的思路，因而需要按模塊對電路進行加密。然后將加密好的子模塊和調用子模塊的頂層設計文件一起打包好提供給學生。

2.2 學生實驗前的準備

借鑒翻轉課堂[11-12]的思想，充分調動學生的主動性，將學生變為實踐的主體。課前一周布置預習任務，提供一個模塊電路的視頻和文檔資料，幫助學生復習理論課知識，同時提供該實驗應掌握的實驗技能小視頻或其他資料，然后自己設計或描述模塊電路，進行仿真驗證。預習過程中要求學生詳細記錄自己的思考和遇到的問題，為課上討論做好準備。同時，上網查閱資料，提出該模塊電路的一個應用場景。

2.3 實驗課堂的安排

指導教師是實驗課堂的組織者，把控課堂節奏，營造舒適、積極的討論氛圍，激起同學們的參與熱情，腦、手共用是指導老師的主要職責。作為課前預習的承接和延續，實驗課堂主要包括以下環節。

（1）收集預習過程中提出的問題，每小組1～2 個，匯總出共性或典型問題。先在小組內討論，然后每組就其中一個問題匯報討論成果，全班討論，最后教師進行總結。對于預習中提出的個性化問題，指導教師在下一環節進行過程中一對一交流。以上過程鼓勵學生用實驗手段去證明自己的論點，充分發揮實踐課的優勢。

（2）教師提出課程設計任務：將課前所設計的基本電路模塊進行改造，用其替換所選項目的系統電路框圖（指導教師提供給學生）中對應的模塊，進行系統功能測試，驗證設計的正確性。通過這個過程，訓練學生站在系統的高度理解各部分電路的定義和其在系統中所發揮的作用。

仍以整型算術計算器為例，在“加法器”實驗中，學生已在課前實現了一個4 位的BCD 加法器，課上可要求學生進行位擴展，將輸入輸出端口修改為與圖2（b）中“算術運算單元”相兼容的格式。對于能力強的同學，可以建議他們增加減法、乘法和除法運算。

（3）設計驗收。當堂逐組檢查設計結果，要求學生在硬件平臺上展示實驗結果，并能正確解釋實驗現象。鼓勵學生嘗試“意外”輸入，并對現象進行解釋，培養全面、發散、好奇、勇于嘗試和心細如發的實踐品德。

2.4 實驗課后的總結

經過課前和課上兩個環節，學生已達到知識和技能要求，但要將整個過程內化為學生的思維方式和能力，還需要重視課后的總結，總結的結果以實驗報告的方式呈現出來。

總結要注重整體性。從實驗任務的提出，得出解決思路、設計電路、驗證電路、遇到的困惑、解決的過程、最終的結論和衍生的思考等將整個環節組織串聯起來，有邏輯地一一呈現，展現一個完整的過程。

總結要有側重點。若只注重整體性而沒有側重點，實驗報告很可能淪為流水賬，事無巨細，既增加了學生負擔，也弱化了其總結和自省作用。因而，可建議學生側重于一兩個問題去總結自己的實踐過程。

總結格式要規范?？偨Y是訓練學生文檔整理能力的主要環節。作為低年級的實踐課，需要教會學生如何有邏輯且格式規范地整理文檔，一般會向學生提供統一的參考模板。模板會按照一般行文邏輯進行章節劃分，規定字體、字號，段落格式，圖表規范等。

總結要及時。要求學生養成實驗后立即總結的習慣，在所有操作記憶和理解未模糊或消失前及時總結，會使該環節的效果達到最好。

3 效果的評價

對學生實驗情況的評價[13-14]按實驗分環節進行。由于數字邏輯實驗側重基本電路模塊的設計，因此過程性評價占主導，實驗成績較大比重放在其上；由于應用翻轉課堂思想的實驗課更強調學生的課前預習，因此預習環節占總成績的比重較傳統實驗課較高?？偨Y起來，建議按表2 所示的比例劃分。

表2 實驗成績評定

在以上形成性評價的基礎上，再結合最終系統的功能和運行情況給出本門課程的總結性評價結果。

4 結 語

基于典型項目的數字邏輯實驗課程實施方法將傳統的碎片化的模塊實驗通過一個項目串聯為一個有機整體，使學生不僅學會各電路模塊的設計方法，而且對它們的應用有較深入的理解。實驗實施過程借鑒了翻轉課堂的思想，充分發揮了學生的主觀能動性，最大限度地讓學生成為設計的主人。與傳統的“由分到總”（即先學習模塊電路的設計方法，然后進行系統綜合）的實驗方式相比較，這種以項目驅動的實驗組織方式將系統（全局）的思想貫穿在每一次實驗中。與傳統的實驗課[15]先設計“積木塊”，然后再看用這些零件搭個什么出來不同，項目驅動的實驗一開始便非常明確系統的設計目標，每一個子模塊的設計都在為總目標的達成服務，這種整體與部分、宏觀與微觀的深度結合，使得系統思維和實現能力雙提高的課程目標更易于達成。翻轉的實驗實施過程從時間和空間上擴展了課堂維度，為后續課程的學習和實踐打下了較好的基礎。