数字逻辑金课建设探索

谢跃雷 杨海燕 陈小毛

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

0 引言

为建设高水平本科教育，吴岩提出了“金课”的概念[1，2]，并且指出高等学校淘汰“水课”，打造有深度、有难度、有挑战度的“金课”，是提高人才培养质量的关键。 “金课”又可称为一流课程，是推动中国高等学校教学质量提升， 实现高等教育高质量发展的必然趋势，是当下高等学校教育教学改革方向。 大学课程是高等教育领域的最基本元素[3，4]，大学人才培养的职能通过课程教学来实现，因此大学课程质量直接影响着人才培养的质量，加大“金课”建设力度，是培养高素质人才的关键。

数字逻辑是电子信息类专业的工程基础课程，在电路课程体系中， 上接电路分析及模拟电子技术课程，下续微机原理、EDA 技术、单片机等课程。 其主要内容包括数制与码制、逻辑代数基础、门电路、组合及时序逻辑电路、半导体存储电路、AD/DA、脉冲波形产生与整形电路等，为后续课程准备必要的数字逻辑电路技术知识，是当今热门的人工智能、5G、云计算、大数据、机器学习等先进信息技术的硬件载体。 以学生为中心，提高数字逻辑课程教学质量和水平，是影响电子信息类高等教育效果的重要因素之一，也是电子信息类高校建设“金课”体系的重要内容之一[5，6]。

结合我校数字逻辑课程的现状，从课程的教学目标、教学内容、教学方式和考核方式四个方面进行了完善，努力提高学生的学习兴趣和积极性，增强学生的工程观念，理论与实践相结合，积极引导学生分析和解决实际工程问题，以高阶性、创新性、有挑战度的“金课”为标准，探索数字逻辑课程的教学改革。

1 高阶性的课程目标

课程目标是指学生通过课程学习后，所需达到的知识、能力、素质方面的要求。 根据我校本科教育“以工为主，电子信息学科优势突出、特色鲜明，培养高素质的应用型人才，创办教学研究型大学”的办学定位，我们从知识、能力、素质三个方面制定了数字逻辑课程目标，具体如下：

1.1 知识目标

通过本课程的学习，使学生理解数字电路的基础知识，包括进制码制、逻辑代数、数字集成器件、存储单元、A/D 和D/A 及时钟信号的知识； 能够分析数字电路中器件的连接问题、同步存储问题，能够根据实际工程需要选择合适的器件；重点是掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的基础知识和应用。

1.2 能力目标

通过本课程的学习，使学生掌握组合、时序逻辑电路的分析与设计方法，建立数字电路的逻辑思维概念；能够利用真值表、逻辑图、逻辑式、状态表、状态图、时序图分析电路的逻辑功能，评价数字电路的性能；能从电子信息领域实际问题出发，建立合理数字逻辑模型，并设计出数字逻辑电路，为解决复杂电子信息领域工程问题打下基础。

1.3 素质目标

根据我校课程思政的建设要求，在课程实施过程中，强调数字电路相关的工程伦理、法律规定、职业规范、科学道德，培养学生的社会责任感和家国情怀，树立实事求是、探索创新的科学精神。

与旧的课程目标相比，新制定的课程目标突出了高阶性，弥补了旧的课程目标中强调数字电路的基础知识，能力目标和素质目标不突出的缺点。 数字电路基础知识与能力素质的有机融合，能够培养学生解决电子信息领域复杂工程问题的高级思维和能力。

2 创新性教学内容及方式

“金课”是知识、能力、素质的有机融合，课程建设是“金课”建设的根，课程内容是课程的灵魂，所以在“金课”建设中应强调“内容为王”，要注重课程内容提炼、融合和创新，使课程内容不仅具有基础性、传承性，还能体现数字电路的前沿性、时代性。 课程内容的“新”和“旧”，都是相对的，没有新知识的加入课程就无法进步，完全放弃旧知识会使课程如同空中楼阁，让人不知所然。 课程内容强调数字电路知识的广度、深度，培养学生深度分析、勇于创新的能力。 根据这一思想， 将数字逻辑课程内容及教学方式改革如下：

2.1 梳理知识体系，压缩陈旧内容，引入前沿技术

数字电路是从逻辑学基础上发展而来的，梳理其知识内容，我们将其归纳为理论体系“逻辑代数—动态模型—组合及时序逻辑电路分析与设计”， 电路体系“门电路—数字电路—数字系统”。 理论体系中，与、或、非三种基本逻辑运算互相组合，利用真值表、逻辑式、状态方程等动态模型工具，可描述实现各种各样的组合电路功能及任何在时间上具体规则次序的功能。 电路体系中，晶体管互相连接实现逻辑运算就构成了门电路，各类门电路互相连接可构成各种组合功能，门电路互相连接且引入时钟构成触发器，触发器和门互相连接构成时序逻辑电路，可实现各种复杂的功能。 对于以上内容体系，我们进行了浓缩和充实，将理论体系中逻辑代数基础进行适当压缩，将基于动态模型的传统时序逻辑分析与设计进行精练。 在电路体系中，压缩晶体互连构成门电路的相关内容，强调门器件之间的互连准则。

数字电子技术近年来发展迅速，在教学内容上要解决好基础与前沿、基础理论与实际应用、理论与实践等之间的关系，处理好博与专、新与旧、深与浅的关系，建立先进科学的教学结构、时时更新的课程内容。在理论体系中，引入最新算法模型思想，以算法模型来描述任意待实现的数字系统，然后将算法模型转换成算法状态机模型， 进而利用状态机实现该数字系统。 在电路体系中引入现代数字电路设计的思想，借助可编程逻辑器件FPGA 或CPLD，在EDA 软件上以编程的方式实现数字电路设计。

2.2 立德树人，加强课程思政

素质目标的实现离不开课程思政，数字逻辑课程中具备了许多可挖掘的思政资源， 根据教学大纲，通过将教学内容恰当地进行教学设计，可以培养起学生的家国情怀、民族精神和个人道德，启发学生形成正确的人生观、世界观、方法论。 如在逻辑代数知识点中，通过介绍逻辑代数的创始人乔治·布尔的生平，让学生体会到严谨、条理、认真、努力勤奋的科学精神，这是从事科学研究最基本的素养及成功的基础。 在门电路的知识点中，通过介绍集成电路是怎么制造出来的，再结合美国对中兴、华为的芯片禁用封杀的事实，激起学生的爱国主义热情，让学生能够更加积极主动全身心投入到数字电路的学习中，为我国集成电路事业努力奋斗；通过介绍萨支唐院士发明了集成电路的CMOS 工艺， 让学生明白华人对集成电路发展的重大贡献，激发民族自豪感。 在半导体存储器知识点中，通过介绍中国朗科公司发明U 盘这一事实，进一步激发学生的民族自豪感，发扬爱国主义热情。

2.3 融合信息技术的教学方式

在2020 年之前， 我校的数字逻辑教学为传统的线下授课方式。 不可否认，线下授课作为教学的主体，是效率最高的一种教学方式。 教师对于学生学习状态的掌控也更加方便，对于知识的传授过程更直观。 然而突发的疫情，使得线上授课成了唯一的选择。 为适应这一变故，笔者拍摄了数字逻辑知识点视频，并在中国大学MOOC 平台上构建了异步SPOC 课程，同时在B 站上发布数字逻辑课程学习视频，结合腾讯课堂实施了线上教学和学生自主学习及测试。 同时利用雨课程这一智慧教学工具， 实现课前推送预习知识点，课间良好互动。建立课程QQ 群，随时随地在线答复学生的各种问题。 同时在教学中，利用腾讯课程大班讲授基础知识， 腾讯会议组织学生进行小班讨论问题、新技术，进而培养学生解决复杂工程问题的能力。

3 有挑战度的考核方式

课程考核是判断学生通过课程学习后，是否达到了课程目标的有效方式，同时衡量一门课程是否有难度和挑战性，最有效的方法就是看这门课程的考核内容，如何进行考核。 因此，为增加课程的挑战度，考核方式改革如下：

第一，提高平时成绩比重，重过程考核，关注多个环节考核，进一步提升考核的公平性。 我校数字逻辑课程的考核形式为7 种，各形式及占比如下：课堂考核（10%）、作业考核（15%）、期中考核（10%）、期中考核（10%）、讨论课发言（5%）、大作业考核（10%）及期末考试（40%）。

第二，采用了丰富多样的考核方式。 利用雨课堂进行了学生考勤、课堂表现、章节测试考核，利用批改的方式考核学生平时作业、期中考试、期末考试，利用验收视频及大作业报告考核数字逻辑大作业，评价学生的表达能力及解决复杂工程问题的能力，利用小组讨论发言情况考核学生的能力目标及素质目标，强调教学过程的考核和管理。

4 结语

大学“金课”的打造，对我国人才培养以及“人才强国”战略的实施意义重大。 本文通过对“金课”的高阶性、创新性和挑战度的解析，对数字逻辑课程进行了教学改革探索，从课程目标体系、课程内容、教学方法与学习结果评价四个方面，给出了建设数字逻辑一流课程的措施。 “金课”建设，既需要所在大学的支持，也需要教师本身提升对教学的认识，以不断完善自身的知识体系，结合本校人才培养定位、课程目标与课程内容对标“两性一度”，完善学生的课程学习评价体系，运用多种信息技术手段与教学方法提升课程的含“金”量。