逻辑电路软件工程教学改革

1实验教学现状与问题

1．1现状

同济大学软件学院作为国家示范性软件学院，一贯重视本科生基础实验环节的课程设置，注重对学生实践能力和创新能力的培养，多门专业基础实验课程均以独立设课的方式存在，与相关基础理论课程相对应。其中，面向软件工程专业本科生开设的“数字逻辑实验”就是这样一门实验必修课程。该课程内容主要包括逻辑组合电路实验和时序控制电路实验两大部分，旨在通过一系列的实验项目，实践与理论相结合，加深学生对“数字逻辑原理”理论课程知识要点的理解，并具备一定的电路设计能力，具有较强的工程实践性。该课程也是后续课程，尤其是领域软件系统方向（包括体系结构、嵌入式等）的重要先导课程之一。多年的教学实践表明，独立设课的实验课程有效提高了学生对专业基础知识要点的理解和掌握程度，为后续课程的学习打下了扎实的基础。然而，实验教学内容和形式不应是一成不变的，需要不断提炼和改进。

1．2问题

根据软件工程专业课程体系的自身特点，在“数字逻辑原理”理论课程教学中，着重于对相关理论的阐述和介绍，要求学生掌握数字逻辑的基本原理和电路的工作原理及其应用，而没有过多涉及硬件设计方面的内容，如HDL、FPGA、CPLD等。与此相适应，实验项目的设置也围绕着中小规模集成电路芯片的应用为基础，涉及到基本门电路、译码器、数据选择器、加法器、触发器、锁存器、计数器等相关芯片，实验过程以接线调试为主要实验手段，考核方式以现场验收和实验报告相结合为主。基于上述情况，存在的问题主要集中在3个方面：（1）实验教学面向软件工程专业，学生主观上缺乏学习硬件知识的积极性，认识上存在一定的误区。（2）验证性实验项目比例较高，面对既定实验步骤，学生进行“按部就班”的操作，生搬硬套谋求实验结果。（3）在实验过程中遇到异常现象或结果，学生不假思索会直接求助指导教师。这样的实验课程学习效果显然达不到教学大纲的要求，并不能加深学生对相关知识要点的理解和掌握。如何充分激发软件工程专业学生对于硬件实验的兴趣，调动他们的主观能动性和创造力，加强发现问题及解决问题能力的培养，是摆在我们面前亟待解决的问题。

2教学改革方案

2．1开放式实验室

同济大学软件学院探索并实施开放式实验教学与管理模式，主要体现为：（1）实验室在工作日全天候开放。（2）学生在集中听取实验章节后，自主完成实验预习。（3）学生在提交预习报告后，可以通过实验教学管理系统自行选择时段进行实验预约。（4）学生在登记后进入实验室自主完成实验，实验教学管理系统统计实验时间。（5）允许学生在规定课时内未获得满意实验结果的情况下，另选时段重做实验直至完成。（6）教师与助教提供全程、全方位的指导和帮助，不仅在实验室现场，还可以通过网络方式建立师生联系。这种开放模式推行之初，确实提高了学生的学习兴趣。大多数学生认可这样的自主学习氛围，愿意在实验过程中主动思考、自行解决问题，并体会到其中的乐趣，也体会到科研工作的艰辛，教学效果取得了一定成效。但在随后的教学实践中，成绩分析显示优良率和不及格率均有逐年上升的趋势，呈现出两极分化的态势；成绩分布标准方差指数逐年上升，成绩分布曲线有向马鞍型分布的发展趋向。如何在基础实验课程的教学中加强监管，提高整体成绩水平，基本杜绝不及格现象，也需要在积累良好经验的同时，对实验教学的实施过程加以改进。

2．2实施方案在总结以往经验的基础上，着手对数字逻辑实验教学进行重新梳理和规划，对该课程的教学方式做了一些改进，主要围绕以下5个方面进行：

2.2.1加强实验教学与理论教学的衔接

每学期在制订排课计划时，实验教学和理论教学进行进度协商，确保实验教学进程紧随理论教学的节奏进行安排。通常是相关知识要点学习后的1～2周内进行相关实验，学生更容易接受。这个时间段内，学生对涉及到的原理知识“记忆犹新”，也可以通过实验操作“温故知新”，有助于对相关知识要点和实验现象的理解和掌握，做到知其然并且知其所以然。

2.2.2规范整体教学流程

每学期首堂实验课，安排专门的学时向全体学生介绍实验学习流程，普及实验室安全知识和操作要求，并带领学生进入实验室熟悉实验环境和试验设备，认识集成电路芯片等主要配件，掌握电路连接方法和万用表的使用方法。这样，为整个实验课程的学习做了一个良好的铺垫，也初步激发了学生的学习兴趣，让他们面对实验课程心中有数，不至于茫然无措。实验过程仍以在实验箱上接线调试为主，不盲目引入和开发虚拟实验系统，旨在为学生营造一个真实的动手环境，可以在实践中发现问题并加以解决。对于硬件实验中不可避免的设备故障及配件损耗，则通过加强日常维护和更新来降低故障率，尽可能保证实验顺利进行。目前，在院校两级经费的支持下，基本能做到主要实验设备5年左右分批次轮换更新，实验易耗配件（主要是集成电路芯片）2年内进行补充更新。从另一个方面来看，也教会学生一些基本的故障判断和问题排除方法，这也有助于提升其动手能力。

2.2.3改进逻辑电路综合设计实验

在完成一系列验证性实验之后，设置逻辑电路综合设计实验，并作为课程考核项目。该项目要求学生根据所学知识，自行设计逻辑电路方案并加以调试实现。在实验讲解中，教师会提供4～5个方案作为蓝本，如彩灯模拟电路、时钟模拟电路、抢答器模拟电路、电子锁模拟电路等，供学生参考，并明确鼓励自行设计的电路方案，对自行设计方案提高评分点，这样很好地调动了学生主动思考和创新的积极性。设计实验安排4个学时，分在两周进行。第一周，在课堂集中讲解实验要求之后，学生自由分组（每组不超过4人），开始进行为期一周的方案设计。要求自行选择所需的集成电路芯片，方案规模适中，不盲目求大、求难；第二周，进行现场接线调试并限时考核验收，要求学生根据已经初步做好的方案原理图或接线示意图，在两个学时内现场完成接线及调试任务，并由指导教师进行验收。验收过程中需进行演示逻辑电路功能并接受答辩，讲述设计思路和工作原理。设计实验的最终成绩由现场答辩分数和实验报告分数两部分组成。

2.2.4把控实验报告质量

每个实验项目结束后，都要求学生在规定时间内提交实验报告（通常为两周，留给学生充分的时间撰写报告）。明确实验报告的规范编写格式，加强对实验报告中小结部分的考核，要求小结篇幅适当、内容充实，杜绝空洞无物的语句。实验小结可以阐述对实验原理的理解，对实验中遇到问题的思考，还可以对实验方案提出建设性意见。经过两年来的实践和改进，学生的实验报告规范程度得到很大提高，优良率始终保持在70％以上，且稳中有升。每学期结束后，对实验报告进行归档，择优做成示范文档供后期学生参考。

3实践成效

数字逻辑实验作为软件工程专业一门基础实验课，并没有沦为数字逻辑理论课的附属课程，而是与之相辅相成，起到了良好的理论联系实际的作用。本文结合笔者的教学实践，通过分析在以往实验教学中存在的问题，给出了几点改革措施，并进行了初步的实践。改革后的实验教学经过两个年级的试行，取得了较好的效果。

（1）从教学过程来看，由于融入大量思考性内容，促使学生不能完全依赖于实验教材“埋头苦干”，而必须投入到积极思考当中。在实验过程中，学生的主观能动性和学习兴趣明显提高，课堂气氛热烈，学生之间的相互讨论成为常态现象，也敢于对教材中存在的问题提出疑问。

（2）从考核情况来看，越来越多的学生选择自行设计内容作为考核项目，更有一些学生主动在课外学习电路设计辅助软件（如Multisim仿真软件等），进行方案设计，极大提高了设计水平和效率。统计数据显示，2013学年和2014学年学生自行设计方案的比例分别为18％和31％，有较大提升。学生乐于在实验中融入自己的想法，如“乒乓球模拟”“比大小”“节奏大师模拟”“音乐节拍器模拟”等，思路之开阔让人耳目一新。

（3）在实验报告方面，内容和质量均有显著提升，反映了学生分析问题、解决问题的能力得到提高，对相关理论知识的理解也有所加深，学生的创新能力也得到了发掘。其中2013学年数字逻辑实验成绩优良率达88．9％；而2014学年优良率更是达到92．1％，系首次突破90％。

（4）从成绩分布情况来看，设计性实验的引入表面上看提高了实验难度，但是成绩优良率并没有降低，不及格人数也处在可控范围内（不超过3％）。其中，2013学年数字逻辑实验不及格率为1．8％；2014学年无不及格现象，也是首次实现全通过。种种迹象表明，在校院两级支持下，在一系列的教改措施实行后，数字逻辑实验作为一门基础硬件实验课，在软件专业学生的心目中，不再是一门枯燥无味、为学分而学习的实验课，而是可以发挥自己主观能动性和创新才华的场所。

4结语

通过一系列的改革措施，引导并鼓励学生应用所学知识进行独立思考，加强动手能力和解决问题能力的培养。由此可见，规范的教学方法和创新的实验内容，在学生的能力培养中都是非常必要的。数字逻辑实验课程的改革有效提升了实验教学质量，为学生学习其他专业课程打下坚实的基础，也改观了软件专业部分学生对硬件学习的抵触情绪，从而有助于提升软件专业学生的综合素质，促进高校人才培养与时展需要相适应。

作者：张晶 单位：同济大学