ChatGPT在数字逻辑电路设计课程教学中的应用探讨

林云霞 李本田

摘要：针对当前数字逻辑电路设计课程教学存在的问题，本文尝试将ChatGPT引入该课程的整个教学过程，从解释抽象概念、提供个性化答疑和辅导、实现虚拟仿真、辅助实验四个角度探讨了ChatGPT在数字逻辑电路设计课程教学中的应用。ChatGPT作为一种新型的教学辅助工具，在数字逻辑电路设计课程中展现了潜在的应用前景。通过充分利用ChatGPT的优势，可以帮助教师提升教学质量，提高学生的学习效率和理解能力，为数字逻辑电路设计课程的教学提供新的可能性。

关键词：数字逻辑电路设计；ChatGPT；课程教学；应用探讨

中图分类号：G42      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）35-0159-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

数字逻辑电路设计课程是一门电子工程和计算机科学领域的课程，主要教授学生数字逻辑电路的基本概念、原理和设计技巧。这门课程旨在培养学生的逻辑思维、问题解决能力和电路设计技能，为培养从事半导体、芯片设计和计算机硬件的信息技术专业人才提供必要的支撑。然而，当前数字逻辑电路设计课程教学存在一些挑战和问题，如学生难以理解抽象的数学概念和模型，知识点繁杂，实践机会较少，学生难以学以致用。基于GPT（生成式预训练转换）技术，ChatGPT（Generative Pre-trained Transformer） 通过对大量语料库进行无监督学习，从中学习自然语言的语法规则和上下文关系，能够生成符合自然语言习惯的文本，从而可以用于模拟自然对话或回答问题。这使得它能够用自然语言处理用户的查询、提供答案、解释概念、编写文本等。鉴于ChatGPT自身所具有的能力，本文对ChatGPT作为教学工具应用于整个数字逻辑电路设计的教学过程展开探讨，以期充分利用其优势解决长期存在于数字逻辑电路设计教学过程中的问题，从而大幅提升该课程初学者的学习兴趣，提高学生的学习效率，培养学生自主学习能力，深化学生概念理解，提高学生参与度，并为学生提供更灵活的数字逻辑电路设计学习体验，进一步提升数字逻辑电路设计课程的教学成效。

1 课程现状及存在的问题

1.1 多角度改革

针对数字逻辑电路课程教学中存在的问题，国内众多高校教师从多个角度采取了一系列措施和针对性改革，如教学内容的调整、教学方法的改革、虚拟仿真工具的使用、混合教学模式的使用、实践教学的改进、课程考核的改革、校企协同育人。在教学内容调整方面，汪美霞等[1]增加关于HDL硬件描述语言的内容，引入相关实例和讲解。肖春宝等[2]从专业本身角度出发，提出部分内容可不必深究，如集成电路内部结构等，另外教学内容应与时俱进，适当拓展前沿理论知识和内容。从教学方法的改革角度，林纯等[3]提出根据教学大纲，结合教学总学时，为每个章节制定特定的教学形式和学时。从虚拟仿真工具的使用角度，汪美霞等[1]引入类似Logsim等电路仿真工具，充分利用仿真工具对逻辑电路进行动态演示，从而使得电路原理更加清晰直观、生动形象。此外，还可将仿真工具作为学生自我学习的辅助工具。马习平等[4]利用Logsim仿真软件设计课程教学案例和实验内容。从混合教学模式的使用角度，汪美霞等[1]采用线上课程与课堂教学过程融合的教学模式，除课堂教学外，充分利用现代信息技术完善课前预习、课后复习等环节。朱正东等[5]提出一种“1+1”MOOC混合教学模式，即一种“先线上后线下”的教学方式。该方式要求学生预先学习MOOC中的内容以为课堂教学做好准备，接下来在线下课堂与授课老师讨论相关知识点，解决课程中的重点和难点问题。从实践教学的改进角度，汪美霞等[1]提出建立贯通式实验教学目标、调整实验内容、注重实验项目的层次性、创新实验教学的实施模式。王华本[6]重点探讨该课程的JK触发器，借助Proteus仿真工具，通过在Proteus中进行仿真实践，将理论与实践相结合，对其功能进行了深入分析，总结出一系列规律。从课程考核改革的角度，马习平等[4]采用多样化的考核方式，如从考勤、完成预习、课堂表现、平时作业和阶段性作业5个方面考量学生的平时成绩，同时将实验成绩的比重提高到20%。肖春宝等[2]以重点考查学生的分析问题、解决问题的能力为导向，根据毕业要求在考试中以分析和设计题等主观题为主，允许有不同答案。课程成绩包含平时成绩、实验成绩和考试成绩，合理调整每项成绩的比例。从校企协同育人的角度，朱学玲[7]深入分析了校企育人过程中的实际问题，将学校的理论教学与企业的工程相结合，对数字逻辑电路课程内容进行了优化，提升校企融合度和数字逻辑电路课程与后续专业课程的整体融合度。

1.2 问题剖析

经过以上一系列教学改革，数字逻辑电路课程教学取得了一定成效，但仍然存在以下若干问题影响着教学质量和教学效果，主要包括：1） 学生理解难度较高，尤其是基础较差的学生，难以理解抽象概念如数字系统、逻辑运算、Verilog基本语法、基本逻辑电路等，且难以掌握部分重要方法，如逻辑函数的化简等；2） 学生的学习进度和理解能力不同，对学生来讲需要个性化的教学方式和资源支持；3） 教学资源不足，一些学校仍然缺乏足够的数字逻辑电路教学资源和设备。针对这些问题，可结合ChatGPT的智能辅助以提升教学质量和效果。

2 ChatGPT的基本原理和功能

ChatGPT 是由OpenAI开发的一个基于GPT语言模型技术的问答工具，它是一个高度复杂的聊天机器人，能够完成各种基于文本的请求，包括回答简单问题以及如生成感谢信这样更复杂的任务。此外，ChatGPT还能够利用其丰富的数据存储和高效的设计来理解和解释用户的请求，然后生成适当的回应。

GPT的训练过程包含两个阶段：通过未标记数据进行生成式无监督预训练，以及通过有监督的区分性微调来改善特定任务的性能。在预训练阶段，模型类似于人在新环境中自然地学习，而微调阶段则涉及更有指导性和结构性的创作者的改进。ChatGPT基于GPT-3架构，并具有生成类人文本的能力，使其在语言翻译、生成摘要和问题回答等自然语言处理任务中能够发挥巨大作用。除了对写作职业的潜在影响外，ChatGPT还可能对一系列其他行业产生重大影响。如ChatGPT分析和解释大量文本的能力，可能有助于文件的研究和准备工作，这使其可以在法律行业中发挥一定作用。此外，ChatGPT对书面作品质量的监督能力，使其能够对学生作业进行评分并提供反馈，可见ChatGPT也可在教育领域发挥積极作用。

3 ChatGPT在数字逻辑电路设计课程教学中的应用

3.1 解释抽象概念

学生可以通过与ChatGPT交互来帮助自己理解数字逻辑电路中的抽象概念，如从自己的需求出发向chatGPT提出关键具体的问题，比如：“什么是逻辑门？”“触发器是如何工作的？”等。ChatGPT将提供简单、清晰的回答，图1为交互示例。

除此之外，学生可以描述一个特定的数字逻辑问题，然后与ChatGPT一起讨论如何解决该问题，比如要求ChatGPT构建简单的逻辑电路或解释一个已存在的电路，图2为相关示例。

另外，学生可以向ChatGPT请教关于数字逻辑的具体工作流程，例如从输入到输出的逻辑转换过程。ChatGPT可以帮助学生理解数字逻辑电路设计中的模糊概念。学生可以假设场景请ChatGPT解释在该场景下逻辑电路的工作原理，示例如图3。

以上是学生利用ChatGPT来帮助自己理解抽象概念的相关方法，以此可以提升他们数字逻辑电路设计这门科目的学习效果。另外，学生也应该积极学习，多实践和思考，以巩固所学知识。

3.2 个性化答疑和辅导

学生可以向ChatGPT寻求关于自身不能解决的练习题或者问题的解答，从而加强对数字逻辑电路的理解，示例如图4。

ChatGPT可以为学生提供个性化的资源链接、书籍推荐等，以便学生能够深入了解数字逻辑电路的相关知识，如图5。

通过与ChatGPT进行交互，学生可以获得个性化的答疑和辅导，同时也可以在自己的学习过程中更好地理解和掌握数字逻辑电路的知识（图6） 。

3.3 实现虚拟仿真

使用ChatGPT设计数字逻辑电路案例和模拟实验可以帮助学生理解和实践数字逻辑的概念，大致流程包括确定目标、提出问题、设计讨论、仿真实验、分析和评估。具体来说，首先，定义想要设计和模拟的数字逻辑电路，可以是具有某种特定逻辑功能的数字逻辑电路，如加法器、多路选择器或计数器等。接下来，与ChatGPT对话，提出与目标相关的问题，询问关于电路的输入输出关系、电路的结构或特定元件的行为等方面的问题。然后，与ChatGPT共同讨论电路设计，描述设计思路，并从ChatGPT那里获得反馈和建议，讨论不同的设计选择、元件的选取和连接方式等。接下来，在虚拟环境中进行数字逻辑电路的仿真实验。根据ChatGPT给出的设计建议，使用相应的仿真软件（如Logisim、Multisim等）来搭建和验证电路。最后，通过与ChatGPT的交互，分析和评估电路设计，讨论电路的性能、延迟、功耗等因素，并与ChatGPT一起探讨优化和改进的方法。

值得注意的是，虽然ChatGPT可以提供有关电路设计和行为的建议，但它并不是一个完整的仿真工具，仍然需要使用适当的电路仿真软件来验证和评估设计的数字逻辑电路。此外，应将ChatGPT提供的信息视为参考意见，学生仍然需要通过实际实验和进一步的学习来巩固和扩展自身对数字逻辑的理解。

3.4 辅助开展实验

现有数字逻辑电路设计课程实验教学存在实验难度较大、实验教学与理论教学脱轨、实验前学生准备不足等问题，因此，我们设计了与理论教学内容相匹配且由易到难的5个实验。每个实验均引入ChatGPT，明确在实验前学生需借助ChatGPT解决的问题，为实验做足准备，从而保证实验效率和质量。表1展示了5个实验的具体内容。

4 结束语

随着信息技术的快速发展，数字逻辑电路设计课程在计算机科学与工程领域的教学中占据了重要地位。本文通过探讨ChatGPT在数字逻辑电路设计课程中的应用，深入研究了其在学科教育中的潜在优势。ChatGPT作为一种基于自然语言处理的人工智能模型，为数字逻辑电路设计课程的教学提供了新的可能性。通过与ChatGPT进行互动，学生可以获得个性化的问题解答、辅导和实验指导。同时，ChatGPT可以辅助学生在实验开始之前理清实验的基本原理，为实验的真正展开做好充足准备，从而大幅提升实验效率，获得课程学习的成就感。通过充分利用ChatGPT的优势，可以提升学生的学习效率和理解能力，为数字逻辑电路设计课程的教学注入新的活力。本研究有望为数字逻辑电路设计课程的教学实践提供有益的参考和启示。

参考文献：

[1] 汪美霞，牛小飞，秦英林，等.基于系统能力培养的数字逻辑课程建设[J].计算机教育，2022（7）：75-80.

[2] 肖春宝，张明川，吴庆涛.数字逻辑电路课程教学改革研究[J].科教文汇（上旬刊），2021（7）：90-91.

[3] 林純，陈娟，王建平，等.新工科背景下数字逻辑电路教学改革探索与实践[J].中国教育技术装备，2019（24）：106-107，110.

[4] 马习平，冉兴萍.基于Logisim的新工科数字逻辑课程改革探索[J].电脑知识与技术，2022，18（16）：155-157.

[5] 朱正东，田靖轩，张小雨.MOOC混合教学模式及其在数字逻辑电路课程中的应用[J].计算机教育，2018（7）：100-103.

[6] 王华本.《数字逻辑电路》中触发器的应用教学探讨[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2022，22（2）：123-128.

[7] 朱学玲.校企协同育人机制下的数字逻辑电路课程内容体系设置的研究[J].科技视界，2021（14）：64-65.

【通联编辑：张薇】