基于Logisim的新工科数字逻辑课程改革探索

马习平 冉兴萍

摘要：数字逻辑课程是电子信息及计算机类专业的一门专业必修基础课程，通过分析目前该课程在我校的教学情况及存在的问题，在新工科的背景下提出从整合优化教学内容，融入思政元素，结合Logisim仿真工具设计理论教学案例和实验教学内容，探索混合式教学方法和改革考核方式这几个方面探索课程改革。研究表明，从以上四个方面进行的课程改革探索有利于培养学生高尚的德行，提高学生的学习积极性、主动性，自主学习能力、动手操作能力和创新设计能力。

关键词：Logisim;混合式;课程改革;思政元素;理实结合

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）16-0155-03

1 引言

自2017年以来，教育部积极推进新工科建设，提出了很多指导性的意见，全国各大高校也积极行动起来助力新工科建设。新工科专业主要指针对新兴产业的专业，以互联网和工业智能为核心，以智能制造、云计算、人工智能、机器人等对传统工科专业进行升级改造，旨在培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[1]。芯片技术是我国目前的“卡脖子”技术之一，而数字逻辑课程的主要内容数字电子技术，是与芯片技术有着密切的基础课程，这门课程的学习能够帮助学生了解集成芯片，掌握数字系统的分析和设计方法，能够帮助学生提高动手操作能力和创新设计能力。

数字逻辑课程目前的改革主要是采用Multisim软件[2]、LabVIEW软件[3]、FPGA[4]技术和小模块可移动的实验电路板开展项目式教学，主要是在实践教学环节进行改革探索。本文从我校的实际情况出发提出从整合优化教学内容并融入思政元素，利用Logisim仿真软件设计课程教学案例和实验教学内容，采用多样的教学方法和改革考核方式这几个方面探索课程改革，旨在提高学生的学习积极性、主动性，培养学生高尚的德行，自主学习能力、动手操作能力和创新设计能力。

2 数字逻辑课程教学现状与问题

数字逻辑这门课程是电子信息类专业及计算机类专业和的一门专业基础课程。目前我校该课程开设在大二第一学期，总学时为64学时，其中实验学时16学时。由于师资紧张，该课程采用的是大班授课模式，一般为80人左右的规模，教学环境为多媒体教室。存在的主要问题有：1）学生课堂参与度比较低，传统教学过程中多采用的满堂灌的教学方式[5]，注重公式的推导，定理的证明，电路的分析与设计等多是借助PPT进行讲解，学生被动接受。2）学生的学习兴趣低、课堂气氛死气沉沉，现在我们的学生都是电子产品及互联网环境伴着成长的，手机几乎是时刻不离身，采用传统的教学模式不能吸引学生的眼球。3）教学内容重理论轻实践，学生学习目标不明确。在与学生的交谈中了解到学生认为课程中教师过分注重理论知识的讲解忽略了知识的实际应用，开设的实验也仅仅是照着老师的实验指导机械地连线，觉得学习内容挑战度和创新性不够。4）课程考核方式单一，使得部分学生认为只要按时交作业，期末考试通过就可以。要实现让学生学起来、忙起来的目标必须对当前的教学内容及课程的教学模式进行改革。

3 课程改革

3.1 优化整合教学内容

由于人才培养目标的差异性，我系计算机类专业仅开设了数字逻辑一门基础硬件课程没有开设其先导性课程模拟电子技术，所以在选择教学内容时需要补充模电的部分知识同时考虑到我院学生中60%左右的是南疆同学而且整体学生的基础比较弱，还要对门电路这块内容进行简化讲解。这门课程的后续硬件课程是计算机组成原理，因此数字逻辑课程的重点内容是组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析与设计，最终目的是让学生学会简单数字系统的设计，进而培养学生的自主学习能力、动手操作能力和创新设计能力。因此将该课程的内容整合为6个部分，第一部分为数字逻辑基础知识，第二部分为集成门电路（略讲），第三部分为组合逻辑电路，第四部分时序逻辑电路，第五部分脉冲波形的产生和整形电路，第六部分数/模（D/A）和模/数（A/D）转换。具体内容如图1所示。

3.2 融入思政元素

课程思政是一种教育教学理念[6]，高校是培养祖国建设者和接班人的主阵地，人才培养质量的高低关键在课程建设[7]。每一门课程都具有传授知识培养能力及思想政治教育双重功能，承载着培养大学生世界观、人生观、价值观的重要作用。因此在数字逻辑课程中如何润物细无声地融入思政元素非常重要。本文中思政元素的融入主要以社会主义核心价值观的引导而设计，吸取社会主义核心价值观的精髓依据进行。在学习二进制表示法时1后面的0越多表示这个数越大从而引入团队合作精神，在现实生活与工作中经常需要团队协作，聚集大家的力量有可能把事情做得更好;在学习集成门电路时可以结合中国目前的卡脖子技术集成芯片展开激发学生的爱国热情;在学习组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析和设计方法时引导学生掌握解题的方法和规律，运用我们总结的一般方法去解决同一类问题，同时也要注意每个问题的特殊性，用辩证的观点看问题。在学习触发器的过程中告诉学生触发器是具有记忆存储功能的，虽然它也是由门电路组成但是它与组合逻辑电路功能不同，从而引导学生要勤于思考，要有创新精神，敢于突破常规;在试验教学中要提醒学生注意，理论设计结束后，需要进行仿真验证才能搭建实际电路，强调理论要与实际统一，引导学生注重科学的严谨性、實践性。

3.3 借助Logisim软件设计闯关式实验教学内容

目前数字逻辑课程的实验有两种模式，一种是虚拟仿真另一种是以试验箱为基础的实际操作实验。虚拟仿真形式的实验常借助Multisim软件、LabVIEW软件等软件进行[8]，这些软件中用到的器件例如译码器、计数器等都是现成的集成芯片仅注重具体器件的用法，不利于学生对译码器、计数器原理的理解，对数字系统的设计的理念穿插得较少。而传统的以试验箱为基础的实验，学生仅仅是按照老师给的试验原理图去连接线路，连线较多的容易出错，没有起到锻炼学生的电路分析设计能力，并且硬件也限制了只能在特定的试验场所中进行，特别是在目前疫情常态化的形势下显得格外不便。鉴于以上两种模式的缺陷，本文提出借助Logisim软件设计闯关式实验教学内容，可以利用互联网在头哥教学平台进行。

Logisim软件是一款用于数字逻辑电路设计、计算机硬件系统设计的模拟软件，操作简单、易学，搭建电路方便而且可以实时动态观测输入数据对输出结果的影响，容易帮助学生理解数字逻辑中的基本概念，掌握电路设计思想。而且它内部也有集成芯片库，也可以方便地进行芯片逻辑功能的验证。考虑到与后续课程计算机组成原理的衔接，以及实验学时的有限，本课程的试验内容设置主要针对的理论教学内容为第一、第三和第四部分设计了6个实验项目，第一部分设计了1个实验项目，属于验证性实验，主要针对逻辑函数及其描述工具，侧重点在逻辑函数的5种描述方法的理解和Logisim软件的熟悉，第三部分是组合逻辑电路设计了3个实验项目，主要针对组合逻辑电路的分析设计，常用逻辑器件的设计与应用，第四部分设计了2个实验，主要针时序逻辑电路的分析设计、常用时序逻辑器件的设计与应用。每个实验项目有4-6关卡，除实验一外所有的项目中涉及了电路的设计和应用的实验，打破了以往的验证性实验多设计性实验少的模式，目的是以加深对理论知识的理解与应用。实践教学中除常规的试验项目设置外还设计了综合实训项目，考虑到学生的实际情况，综合性实训题目为十字路口交通灯的设计，具体设计的关卡包括显示译码器的设计、数据比较器，多路选择器，计数器设计及状态机设计最终集成实现为交通灯系统。整个实践环节实验关卡由简到难，层次递进，从器件到部件，从部件到系统，以帮助学生建立数字逻辑系统设计的理念，培养学生的动手、设计和创新能力。

3.4混合式教學改革措施

3.4.1以成果导向教育理念为指导明确教学目标

成果导向教育理念强调以学生为中心[9]，教学的实质是教会学生学习方法，启发学生自主思考，勇于创新探究，学会如何学习。首先我们要明确该课程的教学目标，考虑到课程后续衔接课程的特点结合我区经济社会发展的需要，该门课程的教学目标是：使学生掌握数字电子技术方面的基本理论、基本方法和基本技能，掌握数字逻辑系统设计的方法，培养学生分析问题及解决实际问题的能力，自主学习能力和创新设计能力。充分利用第一堂课的时间帮助学生明确学习目标即通过这门课程的学习我们能收获什么，可以通过演示十字路口交通灯的实验结果让学生有一个明确的认识，然后结合课程的教学内容帮助学生理顺要实现这样一个结果需要学习哪些方面的内容，从而使学生有的放矢激发学习兴趣。

3.4.2采用多样化的教学模式

改变传统的以教师为主的讲授式的教学方式，根据教学内容以高阶性、创新性和挑战度为导向设计教学，采用多样化的课堂教学形式。调整传统的先讲后练的教学模式，采用线上线下相结合的混合式教学模式[10]。线上教学资源主要是借助中国大学MOOC网上的国家级精品课程华中科技大学的数字电路与逻辑设计这门课程的视频作为主要的学习资源。提前给学生布置预习作业，利用雨课堂为工具推送预习PPT或者采用每节课课程任务单的形式，为了不增加学生的学业负担，对于较为简单的内容，或仅需要了解的内容可以在课前布置任务，课中再给部分时间让学生自学后，教师根据学生作业反馈情况针对性讲解;对于重点章节的内容在设计任务单时可以加入具体案例设计需要学生提前预习，课堂中主要以分组讨论，设计展示和问答的形式开展，充分发挥学生的主体地位，同时也可设计一些实时测试，让学生在课堂中忙起来。

3.4.3不断建设更新丰富教学资源

除了借助优质的MOOC资源外，教师也应该结合现代信息技术工具不断补充优化自己的教学资源。本文利用Logisim软件进行理实相结合的教学案例设计。根据教学内容对于不同章节知识点可以提前利用软件设计好教学案例，方便课中使用，让学生体会边学习理论知识边进行实践设计的感觉。在课堂教学中运用Logisim软件随时进行验证性和设计性教学。

4 考核方式改革

考核评价是教师了解学生学习情况，激励学生勤奋学习的重要举措，也是教师进行教学反思的依据。但传统的考核方式中一般采用平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%），平时成绩主要包括考勤和平时作业，这种单一的考核方式不利于激发学生的学习积极性，为了更全面、准确、动态地评价学生的学习情况，采用多样化的考核方式，细化考核规则，使得考核评价环节更具科学性和合理性。考核细分为平时（30%）+实验（20%）+期末（50%），具体如表1所示。

5结束语

在新工科背景下，借助Logisim软件实现实时实验教学和理论教学相结合，对课程内容做优化，对课程要求做加法，充分借助互联网优质的学习资源，对教学形式多样化进行探索，激发学生学习兴趣。课程授课过程中始终渗透成果导向教学理念，将思政元素融入日常教学，调整传统教学模式，变换为先学后教，以学生为主导老师为指导的学与教模式。同时对实验教学内容进行关卡式设计，增加实验的趣味度，同时增大设计与应用类实验比例，增加综合实训项目，最后对传统考核方式进行改革，注重过程性评价。实践表明，通过上述不同方面的教学改革有助于提高学生的学习积极性、主动性，培养学生高尚的德行，自主学习能力、动手操作能力和创新设计能力的作用。

参考文献：

[1] 刘吉臻，翟亚军，荀振芳.新工科和新工科建设的内涵解析——兼论行业特色型大学的新工科建设[J].高等工程教育研究，2019（3）：21-28.

[2] 邓涛，朱明强.在线教学模式下数字电子技术仿真实验案例设计[J].教育教学论坛，2021（6）：169-172.

[3] 陶苗苗，王爱红，邹亚琪.基于LabVIEW的数字电路实验课程的教学改革研究[J].教师，2020（35）：121-122.

[4] 王彩凤.基于FPGA的EDA课程教学改革与实践[J].高师理科学刊，2018，38（2）：91-93.

[5] 柴妍红.高校工科课程实施翻转课堂的影响因素研究[D].杭州：浙江大学，2016：8-9.

[6] 程鸿，黎轩，许耀华，等. “数字电路与逻辑设计”课程思政研究初探[J].工业和信息化教育，2021（3）：5.

[7]张大良.课程思政：新时期立德树人的根本遵循[EB/OL].[2021-05-25].https：//www.sohu.com/a/443016393_284354.

[8] 韩梦玲， 蒋留兵， 张子宁，等. 开放式数字逻辑课程虚拟仿真教学共享平台设计[J]. 大众科技， 2020， 22（7）：3.

[9] 曹贝.基于工程教育认证的“数字集成电路设计”课程教学改革[J].黑龙江教育（理论与实践），2021（4）：69-70.

[10] 吴东，张烈平.“双万计划”背景下《数字电路》课程混合式教学模式探索[J].大众科技，2021，23（3）：83-85.

【通联编辑：王力】