ChatGPT在數字邏輯電路設計課程教學中的應用探討

林云霞 李本田

摘要：針對當前數字邏輯電路設計課程教學存在的問題，本文嘗試將ChatGPT引入該課程的整個教學過程，從解釋抽象概念、提供個性化答疑和輔導、實現虛擬仿真、輔助實驗四個角度探討了ChatGPT在數字邏輯電路設計課程教學中的應用。ChatGPT作為一種新型的教學輔助工具，在數字邏輯電路設計課程中展現了潛在的應用前景。通過充分利用ChatGPT的優勢，可以幫助教師提升教學質量，提高學生的學習效率和理解能力，為數字邏輯電路設計課程的教學提供新的可能性。

關鍵詞：數字邏輯電路設計；ChatGPT；課程教學；應用探討

中圖分類號：G42? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0159-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

數字邏輯電路設計課程是一門電子工程和計算機科學領域的課程，主要教授學生數字邏輯電路的基本概念、原理和設計技巧。這門課程旨在培養學生的邏輯思維、問題解決能力和電路設計技能，為培養從事半導體、芯片設計和計算機硬件的信息技術專業人才提供必要的支撐。然而，當前數字邏輯電路設計課程教學存在一些挑戰和問題，如學生難以理解抽象的數學概念和模型，知識點繁雜，實踐機會較少，學生難以學以致用?；贕PT（生成式預訓練轉換）技術，ChatGPT（Generative Pre-trained Transformer） 通過對大量語料庫進行無監督學習，從中學習自然語言的語法規則和上下文關系，能夠生成符合自然語言習慣的文本，從而可以用于模擬自然對話或回答問題。這使得它能夠用自然語言處理用戶的查詢、提供答案、解釋概念、編寫文本等。鑒于ChatGPT自身所具有的能力，本文對ChatGPT作為教學工具應用于整個數字邏輯電路設計的教學過程展開探討，以期充分利用其優勢解決長期存在于數字邏輯電路設計教學過程中的問題，從而大幅提升該課程初學者的學習興趣，提高學生的學習效率，培養學生自主學習能力，深化學生概念理解，提高學生參與度，并為學生提供更靈活的數字邏輯電路設計學習體驗，進一步提升數字邏輯電路設計課程的教學成效。

1 課程現狀及存在的問題

1.1 多角度改革

針對數字邏輯電路課程教學中存在的問題，國內眾多高校教師從多個角度采取了一系列措施和針對性改革，如教學內容的調整、教學方法的改革、虛擬仿真工具的使用、混合教學模式的使用、實踐教學的改進、課程考核的改革、校企協同育人。在教學內容調整方面，汪美霞等[1]增加關于HDL硬件描述語言的內容，引入相關實例和講解。肖春寶等[2]從專業本身角度出發，提出部分內容可不必深究，如集成電路內部結構等，另外教學內容應與時俱進，適當拓展前沿理論知識和內容。從教學方法的改革角度，林純等[3]提出根據教學大綱，結合教學總學時，為每個章節制定特定的教學形式和學時。從虛擬仿真工具的使用角度，汪美霞等[1]引入類似Logsim等電路仿真工具，充分利用仿真工具對邏輯電路進行動態演示，從而使得電路原理更加清晰直觀、生動形象。此外，還可將仿真工具作為學生自我學習的輔助工具。馬習平等[4]利用Logsim仿真軟件設計課程教學案例和實驗內容。從混合教學模式的使用角度，汪美霞等[1]采用線上課程與課堂教學過程融合的教學模式，除課堂教學外，充分利用現代信息技術完善課前預習、課后復習等環節。朱正東等[5]提出一種“1+1”MOOC混合教學模式，即一種“先線上后線下”的教學方式。該方式要求學生預先學習MOOC中的內容以為課堂教學做好準備，接下來在線下課堂與授課老師討論相關知識點，解決課程中的重點和難點問題。從實踐教學的改進角度，汪美霞等[1]提出建立貫通式實驗教學目標、調整實驗內容、注重實驗項目的層次性、創新實驗教學的實施模式。王華本[6]重點探討該課程的JK觸發器，借助Proteus仿真工具，通過在Proteus中進行仿真實踐，將理論與實踐相結合，對其功能進行了深入分析，總結出一系列規律。從課程考核改革的角度，馬習平等[4]采用多樣化的考核方式，如從考勤、完成預習、課堂表現、平時作業和階段性作業5個方面考量學生的平時成績，同時將實驗成績的比重提高到20%。肖春寶等[2]以重點考查學生的分析問題、解決問題的能力為導向，根據畢業要求在考試中以分析和設計題等主觀題為主，允許有不同答案。課程成績包含平時成績、實驗成績和考試成績，合理調整每項成績的比例。從校企協同育人的角度，朱學玲[7]深入分析了校企育人過程中的實際問題，將學校的理論教學與企業的工程相結合，對數字邏輯電路課程內容進行了優化，提升校企融合度和數字邏輯電路課程與后續專業課程的整體融合度。

1.2 問題剖析

經過以上一系列教學改革，數字邏輯電路課程教學取得了一定成效，但仍然存在以下若干問題影響著教學質量和教學效果，主要包括：1） 學生理解難度較高，尤其是基礎較差的學生，難以理解抽象概念如數字系統、邏輯運算、Verilog基本語法、基本邏輯電路等，且難以掌握部分重要方法，如邏輯函數的化簡等；2） 學生的學習進度和理解能力不同，對學生來講需要個性化的教學方式和資源支持；3） 教學資源不足，一些學校仍然缺乏足夠的數字邏輯電路教學資源和設備。針對這些問題，可結合ChatGPT的智能輔助以提升教學質量和效果。

2 ChatGPT的基本原理和功能

ChatGPT 是由OpenAI開發的一個基于GPT語言模型技術的問答工具，它是一個高度復雜的聊天機器人，能夠完成各種基于文本的請求，包括回答簡單問題以及如生成感謝信這樣更復雜的任務。此外，ChatGPT還能夠利用其豐富的數據存儲和高效的設計來理解和解釋用戶的請求，然后生成適當的回應。

GPT的訓練過程包含兩個階段：通過未標記數據進行生成式無監督預訓練，以及通過有監督的區分性微調來改善特定任務的性能。在預訓練階段，模型類似于人在新環境中自然地學習，而微調階段則涉及更有指導性和結構性的創作者的改進。ChatGPT基于GPT-3架構，并具有生成類人文本的能力，使其在語言翻譯、生成摘要和問題回答等自然語言處理任務中能夠發揮巨大作用。除了對寫作職業的潛在影響外，ChatGPT還可能對一系列其他行業產生重大影響。如ChatGPT分析和解釋大量文本的能力，可能有助于文件的研究和準備工作，這使其可以在法律行業中發揮一定作用。此外，ChatGPT對書面作品質量的監督能力，使其能夠對學生作業進行評分并提供反饋，可見ChatGPT也可在教育領域發揮積極作用。

3 ChatGPT在數字邏輯電路設計課程教學中的應用

3.1 解釋抽象概念

學生可以通過與ChatGPT交互來幫助自己理解數字邏輯電路中的抽象概念，如從自己的需求出發向chatGPT提出關鍵具體的問題，比如：“什么是邏輯門？”“觸發器是如何工作的？”等。ChatGPT將提供簡單、清晰的回答，圖1為交互示例。

除此之外，學生可以描述一個特定的數字邏輯問題，然后與ChatGPT一起討論如何解決該問題，比如要求ChatGPT構建簡單的邏輯電路或解釋一個已存在的電路，圖2為相關示例。

另外，學生可以向ChatGPT請教關于數字邏輯的具體工作流程，例如從輸入到輸出的邏輯轉換過程。ChatGPT可以幫助學生理解數字邏輯電路設計中的模糊概念。學生可以假設場景請ChatGPT解釋在該場景下邏輯電路的工作原理，示例如圖3。

以上是學生利用ChatGPT來幫助自己理解抽象概念的相關方法，以此可以提升他們數字邏輯電路設計這門科目的學習效果。另外，學生也應該積極學習，多實踐和思考，以鞏固所學知識。

3.2 個性化答疑和輔導

學生可以向ChatGPT尋求關于自身不能解決的練習題或者問題的解答，從而加強對數字邏輯電路的理解，示例如圖4。

ChatGPT可以為學生提供個性化的資源鏈接、書籍推薦等，以便學生能夠深入了解數字邏輯電路的相關知識，如圖5。

通過與ChatGPT進行交互，學生可以獲得個性化的答疑和輔導，同時也可以在自己的學習過程中更好地理解和掌握數字邏輯電路的知識（圖6） 。

3.3 實現虛擬仿真

使用ChatGPT設計數字邏輯電路案例和模擬實驗可以幫助學生理解和實踐數字邏輯的概念，大致流程包括確定目標、提出問題、設計討論、仿真實驗、分析和評估。具體來說，首先，定義想要設計和模擬的數字邏輯電路，可以是具有某種特定邏輯功能的數字邏輯電路，如加法器、多路選擇器或計數器等。接下來，與ChatGPT對話，提出與目標相關的問題，詢問關于電路的輸入輸出關系、電路的結構或特定元件的行為等方面的問題。然后，與ChatGPT共同討論電路設計，描述設計思路，并從ChatGPT那里獲得反饋和建議，討論不同的設計選擇、元件的選取和連接方式等。接下來，在虛擬環境中進行數字邏輯電路的仿真實驗。根據ChatGPT給出的設計建議，使用相應的仿真軟件（如Logisim、Multisim等）來搭建和驗證電路。最后，通過與ChatGPT的交互，分析和評估電路設計，討論電路的性能、延遲、功耗等因素，并與ChatGPT一起探討優化和改進的方法。

值得注意的是，雖然ChatGPT可以提供有關電路設計和行為的建議，但它并不是一個完整的仿真工具，仍然需要使用適當的電路仿真軟件來驗證和評估設計的數字邏輯電路。此外，應將ChatGPT提供的信息視為參考意見，學生仍然需要通過實際實驗和進一步的學習來鞏固和擴展自身對數字邏輯的理解。

3.4 輔助開展實驗

現有數字邏輯電路設計課程實驗教學存在實驗難度較大、實驗教學與理論教學脫軌、實驗前學生準備不足等問題，因此，我們設計了與理論教學內容相匹配且由易到難的5個實驗。每個實驗均引入ChatGPT，明確在實驗前學生需借助ChatGPT解決的問題，為實驗做足準備，從而保證實驗效率和質量。表1展示了5個實驗的具體內容。

4 結束語

隨著信息技術的快速發展，數字邏輯電路設計課程在計算機科學與工程領域的教學中占據了重要地位。本文通過探討ChatGPT在數字邏輯電路設計課程中的應用，深入研究了其在學科教育中的潛在優勢。ChatGPT作為一種基于自然語言處理的人工智能模型，為數字邏輯電路設計課程的教學提供了新的可能性。通過與ChatGPT進行互動，學生可以獲得個性化的問題解答、輔導和實驗指導。同時，ChatGPT可以輔助學生在實驗開始之前理清實驗的基本原理，為實驗的真正展開做好充足準備，從而大幅提升實驗效率，獲得課程學習的成就感。通過充分利用ChatGPT的優勢，可以提升學生的學習效率和理解能力，為數字邏輯電路設計課程的教學注入新的活力。本研究有望為數字邏輯電路設計課程的教學實踐提供有益的參考和啟示。

參考文獻：

[1] 汪美霞，牛小飛，秦英林，等.基于系統能力培養的數字邏輯課程建設[J].計算機教育，2022（7）：75-80.

[2] 肖春寶，張明川，吳慶濤.數字邏輯電路課程教學改革研究[J].科教文匯（上旬刊），2021（7）：90-91.

[3] 林純，陳娟，王建平，等.新工科背景下數字邏輯電路教學改革探索與實踐[J].中國教育技術裝備，2019（24）：106-107，110.

[4] 馬習平，冉興萍.基于Logisim的新工科數字邏輯課程改革探索[J].電腦知識與技術，2022，18（16）：155-157.

[5] 朱正東，田靖軒，張小雨.MOOC混合教學模式及其在數字邏輯電路課程中的應用[J].計算機教育，2018（7）：100-103.

[6] 王華本.《數字邏輯電路》中觸發器的應用教學探討[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2022，22（2）：123-128.

[7] 朱學玲.校企協同育人機制下的數字邏輯電路課程內容體系設置的研究[J].科技視界，2021（14）：64-65.

【通聯編輯：張薇】