《数字逻辑电路》教学改革研究

刘俊景　梁桂英

摘 要：《数字逻辑电路》是一门工程实践性很强的课程。针对课程教学的内容和特点，着重研究了教学模式、教学方法和教学手段等方面的改革。这些改革探索不仅有利于提升课堂教学效果，还有利于提高学生的学习主动性和综合应用能力。

关键词：《数字逻辑电路》；教学改革；EDA；课堂教学效果

中图分类号：G423.07 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.128

《数字逻辑电路》课程是通信工程、电子信息类专业、计算机科学与技术、电气工程及其自动化等专业的主干技术基础课，是一门理论与实践密切结合的课程。其任务是能熟练运用有关知识和理论分析组合、时序逻辑电路，能根据具体设计要求，综合运用多种方法完成组合、时序电路的设计和验证。通过学习《数字逻辑电路》课程，使学生掌握数字电子技术的基本方法、基本理论、综合应用方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，为《微机原理与接口技术》《电子测量原理》《单片机原理及应用》等课程的学习打基础。

传统的《数字逻辑电路》教学模式采用黑板板书和PPT 的形式，以教师讲授传统的教学内容为主，学生听讲为辅的灌输式教学，学生处于被动学习的状态，缺乏学习兴趣，课堂学习效率和教学效果很不理想。针对数字电路传统教学方法中的问题，我院在教学模式、教学方法和教学手段上都进行了改革。

1 教学改革的内容

1.1 互动式教学模式

互动式教学是主讲教师启发式的讲授、课堂上师生互动式的教学方法。采用这种方法的关键在于主讲教师要做好充分准备。教师在授课的同时，要注重用实际生活中的例子启发学生，比如在讲单稳态电路时，指出该电路具有定时和延迟特性，使它在测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中发挥很好的作用。例如，在楼道照明设施的控制器中，采用一种声控和光控开关，当控制器收到声音后，把它放大并整形，作为单稳态触发器的输入触发信号。单稳态在声音的触发下进入暂稳态，输出高电平使灯亮起来。经过一定的时间后，单稳态触发器恢复为稳态，输出低电平使灯自动灭掉。同时，根据实际应用提出问题，引起学生的学习兴趣，让他们积极思维，进而采取讲课、课堂讨论和自学相结合的教学方式。

1.2 引入EDA

将EDA引入《数字逻辑电路》教学中，对于一些抽象、复杂的变化过程，可以通过EDA的仿真，随时以图形、表格或曲线显示出来。在学习的过程中，学生可以通过修改相应电路和具体参数，仔细观察输出结果，加深对数字电路本质和特点的理解，全面掌握《数字逻辑电路》的重点内容。这样，不仅拓宽了教学面，提高了学生的学习兴趣和创新能力，还收到事半功倍的教学效果。

在教学过程中，首先要保持数字电路内容的完整性和理论的系统性，包括组合逻辑电路、时序逻辑电路、程序逻辑电路和可编程逻辑器件等基本内容。在电路设计中，减少以卡诺图为逻辑化简手段和相应传统设计方面的内容，增加Verilog HDL设计内容。采用多媒体教学方式，结合理论教学的进程，及时利用EDA在计算机上进行设计、仿真验证，以增强学生对学习内容的感性认识，激发他们的学习兴趣。

下面以组合逻辑电路四位全加器的设计为例，介绍EDA在数字逻辑电路课程教学中的应用。

1.2.1 传统的设计方法

组合逻辑电路的传统设计步骤是：①分析逻辑问题，根据问题列出真值表。②根据真值表画卡诺图，利用卡诺图化简法得出最简表达式。如果采用公式化简法，需由真值表写逻辑函数表达式，根据公式化简。③根据设计要求转换简化后的表达式。④画逻辑图。

1.2.2 引入EDA的现代设计方法

引入EDA的数字逻辑电路现代设计过程如下：

分析设计要求：确定a，b是2个4位二进制加数输入端，cin是进位输入端，sum是和数输出端，cout是进位输出端。

用Verilog HDL语言描述输入与输出信号之间的逻辑电路关系，即：

module adder（a，b，cin，sum，cout）；

parameter width=4；

input [width-1：0] a，b；

input cin；

output [width-1：0] sum；

output cout；

assign {cout，sum} = a+b+cin；

endmodule

用Quartus II开发环境编辑、编译、综合和仿真用Verilog HDL语言描述的组合逻辑电路，得到的仿真波形如图 1所示。

图1 四位全加器仿真图

从图1中可以看出，sum=a+b+cin，cout是进位输出，满足设计要求。

将Quartus II软件综合后的adder. sof文件下载到FPGA实验箱进行硬件的验证。

分析这2种设计方法可知：采用基于EDA的现代数字电路设计方法，不要求学生必须列出真值表，推导出逻辑函数式，也不需要人工化简得到最简表达式，因为这些都可以使用Quartus II软件由计算机完成，并且可通过仿真波形检验设计的电路是否满足题目的要求。这样可以使一些看不见、摸不着的抽象理论知识通过仿真和硬件验证比较直观地呈现在学生面前，从而激发学生的学习兴趣。 因此，在《数字逻辑电路》的教学过程中，学院要求教师首先简要讲授传统设计方法，让学生了解数字逻辑电路传统的设计方法和步骤，然后引入基于EDA的现代设计方法，让学生感受到使用现代设计方法的优势。

1.3 网络教学

在传统的教学模式中，大多数学生只是在课堂上有机会与教师交流，在课下学习的过程中发现问题也不能及时解决。这在一定程度上影响了他们的学习进度，最终影响学习效果。因此，要充分利用高速发展的网络技术，将课程的所有资料都放到精品课程网站中，以便学生能够课前课后随时查找授课的知识点，节省了大量的时间。建立的网络教学课程主页 http：//202. 193.64.134/jpkc/中主要包括：《数字逻辑电路》理论课件、实验课件、教学录像、在线自测、在线答疑、教学改革、教学信息发布和试题库等信息。利用网络课程可以进一步提高学生的学习效果，不断提高他们的自学能力。

2 结束语

通过对教学模式、教学方法和教学手段创新的探索与积极实践，加深了学生对理论知识的理解和掌握，激发了学生课外的学习兴趣，提高了他们的学习积极性和在工程实践设计方面的能力，培养了他们分析问题和解决问题的创新思维，实现了对《数字逻辑电路》课程的精讲、多练、勤思的目的，教学质量也达到了新的高度。近年来，我院学生在全国各类大学生电子设计竞赛中连获佳绩，这与将EDA技术应用于《数字逻辑电路》课程的教学中是分不开的。随着科学技术的发展，还将在教学实践中努力探索新的教学方法，持续提高教学质量，以达到更佳的教学效果，为培养出创新意识强、应用能力强、设计能力强的大学生而努力。

参考文献

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〔编辑：白洁〕