以计算思维为导向的数字逻辑课程教学研究

徐娟，石雷，毕翔

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009）

1 背景

数字电路与逻辑设计（以下简称数字逻辑）课程是计算机类相关专业的一门专业基础课，是计算机组成原理、微机原理与接口技术、单片机技术、嵌入式技术等课程的先导课程[1]，在整个计算机硬件的知识体系中占有重要地位，肩负着引导学生了解计算机硬件组成，掌握其工作原理并进行计算机硬件电路分析与设计的重要使命。因此，如何提高教学质量、培养出软硬兼备的计算机工程高级专门人才，是我们在数字逻辑课程教学研究中需要首先解决的问题[2-3]。然而，随着大数据、人工智能、物联网等新技术的发展，传统数字逻辑课程教学面临着新的问题和挑战：一是课程教学内容与实践脱节；二是MOOC等新教学模式的出现，彻底突破了传统“固定课堂+固定教师+固定内容”的教学方式[4-5]；三是当前计算机类专业学生在学习过程中“欺软怕硬”和“唯工具论”的现象比较突出。为了应对上述问题，近年来国内外高等教育界大力倡导通过计算思维的培养来改革计算机相关课程的教学[6-7]。

2 以计算思维为导向的计算机相关课程教学改革现状

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，其特点是形式化的表示和机械化的执行，本质内容是抽象和自动化，涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[8]。以计算思维为导向的计算机相关课程教学改革目标是培养学生的计算思维意识和方法，使学生在课程学习过程中具备从本质上和全局上解决问题的能力，从而能够更深层次地理解计算机科学[9]。近年来，美国NSF持续支持众多计算思维训练与人才培养方面的研究项目[10]，我国的陈国良院士[11]、李廉教授[12]、战德臣教授[7]等多名计算机学科领军学者也一直倡导围绕计算思维的计算机类课程教学改革。2013年5月，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发布了《计算思维教学改革宣言》[13]。经过4年多的发展，目前各高校已基本形成共识，即计算机相关课程教学改革的重要方向之一就是以培养学生的计算思维为导向，进行课程实践和探索[14]。

3 以计算思维为导向的数字逻辑课程教学体系

结合人工智能和大数据的时代特征，教学目标是通过“课程授课—小班讨论课—课程实验”组织形式的基本教学体系及内容组织方式，着力挖掘数字逻辑课程的计算思维属性。在课程讲授中，教师要讲透计算思维在数字逻辑课程中的表现，突出“问题—计算—可计算与可实现”的思考过程；通过教学形式、教学内容、教学方法和考评机制的改革和实践，探索以计算思维为导向的数字逻辑课程教学新模式，为适应我国信息技术的发展培养出更多具有计算思维的高级专门人才。

3.1 改革教学形式，加强师生互动

传统“固定课堂+固定教师+固定内容”的教学方式已经无法适应MOOC时代知识学习的要求，有必要在原有课堂教学基础上，增加小班讨论课的课外教学环节，通过建设课程网站让学生进行线上学习。目前，我校数字逻辑课程总学时48学时，其中理论学时40学时，实验学时8学时。众所周知，在48学时中想涵盖数字逻辑的全部内容、面面俱到是不可能的，因此，教师在授课过程中往往压缩了很多外延内容，而只保留核心的知识点。对于计算思维的培养而言，外延知识往往会对学生起到更好的启发和引导效果，因此可以另外设置8学时的小班讨论课，使学生利用课余时间通过课程网站的交互形式进行学习。线上学习中，规定3～4名学生为一个小组，小组内学生自由组合，每组安排不同的报告主题和任务，学生在课余时间自行收集和整理报告内容，任课教师或者助教在指定时间内在线参与小组讨论和引导学生学习，最终要求学生定时提交任务报告。

小班讨论课的落实是MOOC时代数字逻辑课程教学方式的变革，能够提供更为灵活便捷的教学手段和丰富多样的教学内容。以“半导体存储器的发展与应用”为主题的小班讨论课为例，我们建议学生以“半导体存储器设计及应用现状”为主线，从多个方面收集素材并进行学习调研，如半导体存储器的发展历程、国内外研究现状、目前主流的厂家及最新产品、未来半导体存储器的发展趋势等。通过这种教学形式，引导学生自发关注和了解与课程相关的工业界发展现状和技术水平。学生感受到自己所学的知识在工程技术领域中大有可为，会极大地激发对所学专业课程的兴趣，催生自主学习的内在动力。更重要的是，虽然数字逻辑课程中涉及半导体存储器的内容比较浅显，但是其代表的约束优化问题却是数字系统设计中的根本问题。从产品规划、设计和开发的全生命周期而言，如何在一定的成本、设计代价和时间约束下满足产品功能需求，这才是研发人员需要具备的重要能力，也是计算思维能力的重要体现。

3.2 精心组织教学内容，讲透基本原理

计算思维在数据逻辑课程内容中应该均有体现。教师需要针对教学大纲中所涉及的各个知识点，讲清楚知识点从何而来，知识点形式化表述、建模与解决方法，以及知识点对于计算及计算机系统的关键作用这3个方面的内容。课堂讲授环节应该坚持把基本问题、基本原理和基本方法讲透彻、讲明白的原则，辅之以工业界实际应用技术和案例，说明基本问题、基本原理和基本方法的来龙去脉、重要性及应用方法。与具体工具和技能相关的训练，应该在小班讨论课和实验课中有所加强，以更加活跃、轻松和便于互动的方式呈现，让学生有机会自主发掘问题从何而来、实际用途等。此外，教师要有意地引导这两个部分的教学环境，使二者能进行有效且良性的互动。

3.3 开展研究性教学，着力提升讨论课质量

数字逻辑是整个计算机硬件知识体系中的奠基课程，也是计算机类相关专业的一门核心主干课程。教师在教学实践中应该强调理解一门技术比学会一门技术更重要，引导学生从计算机的角度理解问题、建立模型和思考问题，尝试自主给出解决方案。

基于这一指导思想，我们尝试采用研究性教学模式，以问题为中心，培养学生的问题意识、研究能力和创新精神。研究性教学是指教师通过对课程内容及教学活动的精心设计和组织，灵活创设情境，利用设疑引导和启发学生投入问题情景的发现、探究和解答中的一种师生互动型教学形式。研究性教学的教学模式灵活多样，可以综合运用基于问题的教学模式、网络自主学习、案例教学、研讨式学习等。如何将这些形式多样的研究性教学模式贯穿到数字逻辑的教学活动中，并切实达到师生互动、教学相长的优质教学效果，是我们研究的重点内容之一。例如，在学习时序逻辑电路设计时，可以从日常生活中随处可见的“抢答器电路”这一实际问题引入，先分析实际抢答中的设计规则和依据，从而转变为时序电路的逻辑问题，使学生在寻求解决问题的过程中具备时序电路的分析和设计能力。

3.4 设计任务驱动的实验课程，变验证性为设计性实验

数字逻辑总课时为48个课时，其中40个理论课时，8个实验课时，理论课时与实验课时的比例为5:1，实验学时相对较少。在有限的实验课中，目前各高校多采用一些固化的实验箱进行验证性实验，如基本逻辑门的验证、常用中规模组合模块的芯片功能验证等。学生在实验过程中，即使尚未理解芯片功能的工作原理，只要按照实验指导书的操作提示，在实验箱上插接集成电路芯片和连接线，拨动开关，观察指示灯，也可完成整个实验过程。这样“照本宣科”式的实验环节操作容易造成部分学生不求甚解、蒙混过关，无法达到预期的实验效果。

事实上，对于数字逻辑这种理论性和实践性并重的专业基础课而言，针对书本上的理论知识如数字电路的设计与分析，教师如果只是单纯课堂讲授，学生很难清晰、准确和直观地理解。只有开展设计性实验，才能使学生对抽象问题具象化，加深对理论的理解，从而真正将计算思维应用到解决现实问题的过程中。因此，我们探讨基于任务驱动的数字逻辑实践教学模式，将验证性实验转变为设计性实验，分成基础性实验、一般设计型实验和综合设计型实验这3个层次。

基础性实验可以让学生掌握数字逻辑的基本理论、实验规范、数字电路测试及故障排查，进行验证性试验。例如，全加器实验要求学生用数据选择器74LS153设计一个全加器，学生需要掌握数字逻辑实验的基本操作方法，完成对数据选择器74LS153的功能验证，在此基础上学会分析数字电路的设计任务，并提出相应的解决办法，为后续的复杂实验任务奠定基础。

一般设计型实验可以让学生掌握简单数字逻辑电路的分析方法和设计方法。例如，多人表决器实验是组合逻辑电路的典型任务，可以让学生掌握组合电路设计的基本原理和方法，将课堂上讲授的“逻辑问题—真值表—逻辑表达式—逻辑电路”等相关知识切实运用到实际问题的解决中。学生通过实际电路连接，可以直观地看到模拟现实的实验现象，极大地鼓舞学生的学习热情。

综合设计型实验可以培养和锻炼学生对数字电路系统的综合分析和设计能力。例如，基于FPGA的交通信号灯控制器实验是一个综合性的系统设计任务，主要由FPGA芯片、译码器、定时器、脉冲信号发生器等模块组成，是对组合逻辑电路和时序逻辑电路的综合应用。学生需要在FPGA的开发环境中，完成系统电路的设计、功能模拟和时序模拟，最后下载到器件上进行实践操作。整个实验过程完全按照实际工程项目的开发流程进行，启发学生以计算思维的意识和方法分析和解决问题。

3.5 加强平时考查，形成综合考评机制

数字逻辑课程成绩的构成和评定方法在开课时公布于课程网站，其中期末考试的成绩占40%，课堂测试占15%，作业撰写占15%，实验报告占15%，小班讨论占15%。平时成绩中，各个环节的成绩在该项考核内容结束后随即输入课程网站，避免课程结束统一录入各个环节成绩时可能出现系统不确定等情况，通过设计严格、合理和有效的考评机制，评估和提升课程的教学效果。一方面，这些措施可以改变少数学生平时不学、考前突击的不良学习习惯；另一方面，也可以更加客观、全面地评价学生在课程各个环节的学习效果和综合素质。

4 结语

以计算思维为导向的课程改革是近年来计算机相关课程教学改革的重要方向。我们以挖掘数字逻辑课程的计算思维属性为目标，优化教学内容和实验课程，创新教学形式，丰富教学方法，培养学生以计算思维分析问题和解决问题的能力，为建立符合时代特征的以计算思维为导向的数字逻辑教学模式提供了新思路。

[1]詹瑾瑜,廖建明.数字逻辑课程教学方法研究与探讨[J].计算机教育,2011(2):91-94.

[2]逄珊,杨欣毅.“数字电路与逻辑设计”课程立体化教学改革研究[J].大学教育,2015(3):132-133.

[3]黄丽薇,徐玉菁,曹诚伟,等.基于创新意识和实践能力培养的“数字逻辑电路”教学研究[J].课程教育研究,2014(13):223.

[4]季伟东,张军.数字逻辑课程的探究性教学研究与实践[J].计算机教育,2010(20):76-78.

[5]汤书森,李蜀娴,高国平.“数字逻辑电路”实验课教学新模式探索:传统教学方式结合仿真技术在实验教学中的应用与实践[J].高校实验室工作研究,2015(1):12-14.

[6]战德臣,聂兰顺.计算思维与大学计算机课程改革的基本思路[J].中国大学教学,2013(2):56-60.

[7]战德臣,王浩.面向计算思维的大学计算机课程教学内容体系[J].中国大学教学,2014(7):59-66.

[8]李廉.计算思维：概念与挑战[J].中国大学教学,2012(1):7-12.

[9]冯博琴.对于计算思维能力培养“落地”问题的探讨[J].中国大学教学,2012(9):6-9.

[10]郭守超,周睿,邓常梅,等.基于AppInventor和计算思维的信息技术课堂教学研究[J].中国电化教育,2014(3):91-96.

[11]陈国良,董荣胜.计算思维的表述体系[J].中国大学教学,2013(12):22-26.

[12]李廉.以计算思维培养为导向深化大学计算机课程改革[J].中国大学教学,2013(4):7-11.

[13]教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.计算思维教学改革宣言[J].中国大学教学,2013(7):7-10.

[14]王移芝,鲁凌云,周围.以计算思维为航标拓展计算机基础课程改革的新思路[J].中国大学教学,2012(6):39-41.