从项目实践中“揭秘”数字逻辑设计

王 珂 唐 溢

（电子科技大学成都学院，成都 611731）

数字逻辑设计是继电路分析、模拟电路技术课程后，电子类专业的一门重要的基础课，该课程拥有学生开展课外科技创新活动所需的必备知识，是解决工程实际问题的重要理论和方法的来源。但是，该课程理论性强、实践要求高，在新技术条件下，数字电路逐渐向高度集成化、智能化发展。因此，在培养实用型人才的过程中，对基础阶段的知识技能掌握尤为重要。传统的教学方式主要偏重于理论授课，但是大部分学生随着内容的递进、知识难度的增加，不能很好地和实际应用结合到一起，学习起来丧失兴趣。

如何根据课程的特点进行合理的教学设计，改善现有的教学状况，使学生能够根据实际情况分析问题、解决问题，变得尤为重要。而现行的CDIO工程教育模式代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习，其教育理念可以很好地解决目前学生在学习本课程理论知识时缺乏工程实践能力的现状。

为了提高数字逻辑设计课程的教学质量，与CDIO教育理念有机融合，现阶段课程的教学指导思想从理论知识的集中讲授、按图索骥追求解题技巧转向“CDIO项目实践驱动法”，通过不同难度等级的项目设计和制作，引导学生加强理论基础知识的理解，提高数字电路的分析设计能力和工程实践意识[1]。

1 项目实践贯穿数字逻辑设计课程

1.1 抛出项目

对于刚接触一门新课程的学生来说，兴趣至关重要。首先选用一个简单、容易上手但具有代表性的工程项目为切入点，吸引学生的注意，进而引导学生开始本课程学习。例如，以“表决器的设计与制作”为主题，要求学生了解该电子产品在现实生活中的应用，查阅资料了解其工作原理，并进一步学习相关知识，分组合作研讨，最终实现产品的功能。

1.2 理论储备

数字逻辑设计课程是电子类专业的重要基础课程，在电子类专业的研究生升学考试中属于专业课必考科目，所以系统的理论学习非常重要[1]。在课堂教学中要讲技巧、讲方法，力争充分调动学生的课堂能动性。以知识点“逻辑函数的卡诺图化简”的讲授为例，随着变量个数的增多，卡诺图的现有方块和增加的方块之间逻辑相邻关系，学生通过折纸的方式可以自己获得，如图1所示。为了掌握卡诺图化简的技巧，学生可以先根据自己对该知识点的理解得出一个结果，然后比对本结果是否是最简的，从中发现化简规律，为自己的“问号”画上“句号”。

图1 二变量到三变量卡诺图的转化

1.3 项目实施

所谓“学以致用”，就是将学习到的理论知识应用到项目实践中。明确项目任务，学习理论知识，具备解决实际问题的能力后，学生还要将其运用到实际制作中，真正做到以做促学[2]。在本阶段，学生需要根据项目任务查阅资料，完成方案设计、电路原理图设计、元器件的选择和检测、电路的硬件制作以及实物的功能测试和调试。以设计项目一“表决器的设计与制作”为例，提出项目设计目的：掌握小规模组合逻辑电路（SSI）的设计方法，巩固课堂上学到的知识；掌握一些常见的数字电路芯片的使用方法；通过分组完成，培养创新意识和团队精神。

1.3.1 方案设计

用五个按键代表五位评委，当按下开关时，代表同意，该评委的红色指示灯亮；开关没有被按下去，表示不赞成，该评委的红色指示灯不亮；评委按照自己的意愿投票，选择是否按下开关。

按照少数服从多数的原则对五个开关的状态进行译码；多数通过（≥3）时，表示选手通过考核，绿色指示灯亮；少数通过（≤2）时，表示选手未通过考核，红色指示灯亮。

1.3.2 设计过程

根据要实现的逻辑功能，列出真值表、写出逻辑表达式、并化成最简形式。选择芯片74LS0074LS1074LS32完成电路设计。

1.3.3 电路仿真

为了事先验证功能是否能够实现，本组成员使用multisim软件对设计的电路进行了功能仿真，如图2所示。

图2 五人表决器的仿真图

1.3.4 实物功能展示

图3、图4为最后的成果展示，可以看出，利用基本的逻辑门电路解决了少数服从多数的表决电路的设计与制作，功能实现，效果良好。

图4 少数通过的表决情况

图3 多数通过的表决情况

1.4 项目答辩和反思

整个流程下来，学生对理论知识有了进一步的了解，并且体会到科技的神奇，简简单单的几个元器件，通过电路设计和制作就组成了以前认为很不可思议、很高端大气的设备。为了巩固学习过的知识，查漏补缺，每个项目完成以后进行答辩，回顾整个过程，回答以下问题：了解了哪些电子元件的工作原理？暴露出哪些知识掌握上有不足之处？在分组完成的过程中，每个人的分工是怎么样的？自己对各部分电路以及整个电路的认识、对各部分功能的准确分析是否正确？该项目还有没有拓展的空间？在解答此类问题的过程中，学生可以提升自己的专业知识技能。

在项目实践的教学过程中，教师的作用更多地体现在引领上，发现问题、解决问题的实施主体是学生[3]。项目设计结果不再有唯一的标准答案，要求学生综合运用所学知识、积极思考才能建立合理的项目实践方案。

2 配套改革环节

“CDIO项目驱动法”提出以后，得到课程组几位教师的一致认可。为了通过本次教学改革令学生在打好理论基础的同时具备分析实际问题并解决问题的能力，笔者做了以下配套工作。

2.1 剧本式教案的编写

剧本式教案和以往教案不同之处在于，在课堂教学环节，任课过程是在特定的场景下，师生融洽的互动过程中进行的。这样的授课过程易于把课堂气氛调动起来，明显地提高了学生的参与度和积极性，使之在互动问答中轻松掌握所授知识。

2.2 吻合课程的项目任务的设计

根据理论知识，合理安排4个基础实践项目——表决器、抢答器、计数器、电子钟表的设计与制作。为每个项目制定项目要求和目标，包括项目的任务、技术要求、性能要求、技术路线等，要求学生分组根据所学内容进行方案论证、设计电路、制作实物、完成项目设计报告，并进行PPT演讲答辩考核，真正做到“学中做、做中学、以做促学”。

2.3 合理设置课内、外教学过程，形成以过程为重点的考评体系

将考核分为三个部分：日常考核、项目考核以及期终考核。根据学生的日常表现（听课效果、作业情况、考勤情况）来完成日常考核，以维持正常的上课秩序，保证应有的课程进度和提高学生对本课程的重视程度[4]。根据每个项目的完成情况、小组的协作分工情况、项目汇报、项目总结报告等综合评定学生的项目考核成绩，以了解学生在课程中的工程综合素质能力的培养情况。每一位学生在学习的过程中是否努力、认真，都有迹可循，更能保证最终成绩的合理性，而且项目的制作分组完成，集众人之力，各有所长，也考察了学生的协作能力，有利于综合素质的进一步提升。

3 结语

数字逻辑设计课程属于电子类经典课程，传统的教学方式已经根深蒂固。新的授课形式是否能被学生认可并接受、激发学生的学习兴趣，是笔者在改革过程中严密关注的一个环节。因此，在半期和期终，笔者分别就学生对教学要求、内容、方法、项目开展情况等进行了教学质量调查和反馈，来了解学生对本课程的回馈情况，据此对不恰当的环节及时予以更正。调查发现，通过项目实践，学生体会了自己亲手制作一个电路设计的过程，将所学的知识与实际应用有效地联系起来，拓宽了知识面，培养了动手能力，增强了自学能力，了解到数字电子技术基础这门课程的重要性及其实用价值。

[1]王敬时，汤敏.“数字电路与逻辑设计”教学改革探索[J].中国电力教育，2014，（18）：61-62.

[2]贺力克，邱丽芳.数字电子技术项目教程[M].北京：机械工业出版社，2012：21-25.

[3]唐普英，姜书艳，郭小伟.“数字逻辑设计及应用”探究式教学实践[J].实验科学与技术，2016，14（6）：102-105.

[4]张翠英，罗伟.基于工作过程课程体系考核方式探析[J].轻工科技，2010，（7）：134-135.