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摘 要：现有的计算机类专业数字逻辑课程体系缺乏系统性，实践教学内容缺乏工程规模。为了满足系统能力培养的要求，首先构建合理的数字逻辑课程知识体系，实现与后续课程知识的良好衔接；其次构建适合计算机类专业本科生学习和设计的数字系统工程实践项目；最后把工程化项目合理引入课堂理论教学过程，在讲授原理性知识的同时，培养学生工程项目分析和设计能力。
关键词：数字逻辑；实践教学；系统能力
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）24-0085-03
Abstract： The existing digital logic course system is lack of systematicness in computer major ， and the practical teaching content is lack of engineering scale. In order to meet the requirements of system capability， first of all， constructing a rational knowledge system of digital logic course， to achieve a good connection with the knowledge of the follow-up courses； secondly， the construction of digital system engineering practice project suitable for the study and design of computer major undergraduate students； finally， introducing engineering project into the course of classroom theory teaching， training students engineering project analysis and design ability， at the same time， teaching principles of knowledge.
Keywords： digital logic； practice teaching； system capability
一、概述
2015年11月15日，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会发布了“基于系统能力培养的计算机专业课程建设报告”，报告指出，当前我国计算机類专业人才培养中存在一些普遍性问题：“课程知识体系缺乏系统性，学生不能很好地建立完整的计算机系统观念，且实践过程中缺乏足够的工程训练规模与难度”。在此背景下，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会提出：在高校计算机类专业中推动系统能力培养的重大课题。
“计算机系统能力”指能够理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用机制，并综合运用多种知识与技术完成全系统开发的能力。以系统能力培养为目标的教学改革，是指将本科生自主设计“一台功能计算机、一个操作系统核心、一个编译系统”确立为教学目标，并据此重构计算机系统类课程群（这里特指“数字逻辑”“计算机组成”“操作系统”“编译原理”四门课程），形成边界清晰且有序衔接的课程群知识体系[1]，在实验体系规划上强调按工业标准和工程规模开发系统，同时注重探索系统开发的工程化方法以提高学生达成教学目标的达成度[2]。
经过以上分析可知，“数字逻辑”是计算机系统能力培养体系构建的首要环节，而现有的课程教学内容和教学方法难以满足计算机系统能力培养的要求，当前数字逻辑课程理论和实践教学存在的问题如下[3][4]：
（一）知识体系难以满足系统能力培养要求
系统能力培养是一个完整的体系，强调课程之间知识的整合和衔接。而“数字逻辑”课程是一个独立的知识体系，强调完整性，相关知识比较全面，但是忽略了和后续课程知识的相关性，不能有效整合与衔接，使得学生难以系统地理解课程知识体系。
（二）实践教学内容缺乏工程规模
数字逻辑课程的实践教学只是简单的机械式重复，按照课本要求设计全加器、选择器、译码器等简单的电路，学生往往不知器件的实际用途，也不会利用所学的知识组合设计应用性电路系统；学生只是学习了简单实验方法，缺乏开发具有工程规模系统的实践。虽然小规模实验可以达到让学生基本理解、掌握系统运行原理和初步具备系统开发能力的目的，但由于缺乏足够的工程工作量，使得复杂系统中存在的较为深刻的问题难以暴露。因此，学生虽然经过了训练，但却因训练强度不足，不能对系统有较为深刻的认识，也就无法完成具有工程规模的系统级开发。
（三）缺乏工程性，综合式教学方法
数字逻辑课程涉及较多的基本概念和硬件知识，在实际教学中以理论教学为主，忽视了依托实际项目进行讲授的实践教学方法。传统教学过程主要突出原理性、分析式教学方法，缺乏工程性、综合式教学方法；突出原理性知识的传授，注重是什么，有什么，而往往没有讲授一套有效的工程性构建方法。学生虽然知道基本概念，却难以完成具有一定规模的实验。
因此，现有的“数字逻辑”课程，强调了知识体系的完整性，忽略了与后续课程之间的衔接；完成了大量的验证性实验，欠缺开发一定工程规模系统的实践训练；突出原理性知识的传授，没有讲授一套有效的工程性构建方法[5]。
为了在计算机类专业中推动系统能力培养改革，本文拟对基于计算机系统能力培养的“数字逻辑”课程教学体系建设方案进行改革探索，包括：构建基于计算机系统能力培养的课程知识体系，设计面向工程应用的实践教学环节，研究工程化项目驱动式教学方法等。 二、基于系统能力培养的数字逻辑课程体系建设方案
构建符合计算机系统能力培养要求的数字逻辑课程体系，主要包括以下内容：构建基于计算机系统能力培养的课程知识体系，实现与后续课程的递进式衔接；建立面向工程应用的实践教学体系，并研究工程化项目驱动式的课堂教学方法，提升学生的计算机系统设计能力以及工程项目思维和素养。其中，需要重点研究的问题包括：
1. 如何根据计算机系统能力培养的要求，构建合理的数字逻辑课程知识体系，实现与后续课程知识的良好衔接。
2. 如何构建适合计算机类专业二年级本科生学习和设计的数字系统工程实践项目，既能达到教学效果，又不至于因为项目过于复杂，打击学生积极性。
3. 如何把工程化项目合理引入课堂理论教学过程，在讲授原理性知识的同时，培养学生工程项目分析和设计能力。
（一）构建基于计算机系统能力培养的课程知识体系
基于系统能力培养的数字逻辑课程在知识体系总量上与以往的教学模式没有太大的差别，但需要针对系统能力培养目的、技术途径和方法，对各相关知识点在教学学时和讲解重点上进行调整和补充。因此，本文面向系统能力培养要求，以《计算机科学与技术本科专业规范》（CSCE）为基础，同时考虑课程衔接和实验工程性和规模性，研究数字逻辑课程所涉及的知识领域、知识单元、知识点以及和后续课程之间的关系，最终建立符合计算机系统设计所需要的主要知识体系。
在系统能力培养中，数字逻辑知识体系是计算机组成原理的逻辑知识和处理器设计及简单应用的基础，重点知识点是数值编码、组合电路设计、状态机设计、寄存器（状态存储器件）、寄存器传输控制和可编程技术。在课程知识点衔接上要强调寄存器传输控制，同时在课程教学中增加信号接口的一般性概念介绍。表1所示为本文拟构建的面向计算机系统能力培养的数字逻辑知识体系，主要包括：数据表示，数字系统，存储系统，接口通信等知识单元。
与现有的数字逻辑课程知识体系相比较，一方面：深入讲解寄存器、存储器、译码器，等与后续课程相关的知识模块（表2为数字逻辑课程的知识模块和其他课程之间的关联表）；同时，增加数字系统接口通信知识模块的教学，要求学生能够实现对VGA接口的访问，通过VGA在显示器上显示字符或者图案。
（二）建立面向工程应用的实践教学体系
1. 实验教学环节设计
数字逻辑实践教学环节，学生需实用硬件实验箱或EDA软件工具，完成包括译码器、加法器、算术逻辑运算单元、寄存器等一系列计算机基础硬件组件的设计和开发。学生在完成这些实验项目的同时，就完成了指令译码器、数据选择器、ALU、数码寄存器、移位寄存器和寄存器堆、32位定时器/计数器、程序计数器、乘法单元等 CPU 主要功能部件的设计。这些功能部件将在后续的计算机组成原理实验中被直接使用。
“数字逻辑实验”教学内容主要包含两个方面，验证性实验和应用性系统设计。这二类实验的前提是学生已经掌握所涉及的知识，通过实验，巩固、加深和拓宽学生对课程内容的理解。拟构建的“数字逻辑实验”教学体系，计划安排9次，共计36个学时，拟设计的实验教学内容如表3。
2. 课程设计教学环节设计
增加数字逻辑课程设计环节，利用Verilog硬件描述語言和软件工具，设计面向工程应用的数字系统项目，培养学生独立思考的习惯，激发其创新意识，进一步提高学生的实践能力。具体设计过程中，要求学生查手册比较相关器件的差别，选定合适的器件，制定出设计方案，并画出逻辑图；画出集成电路芯片布局布线图；安装、调试通过并比较其他不同的设计方案，设计报告并提出改进意见。拟设计的部分面向工程应用的课程设计项目如表4。
3. 数字系统实践教学平台搭建
现有的基于数字逻辑课程实验箱一般是基于“逻辑门电路+插线”的方式，只能做简单的验证性实验，无法满足数字系统的设计要求。因此，必须设计和实现数字系统实践教学平台。电路的计算机辅助设计与分析技术已成为电路系统分析和设计的有力工具，借助EDA软件进行数字逻辑课程设计，突出了以学生为中心的开放模式，激发学生大胆想象并尝试各种不同的设计方案、采用不同的集成元器件，对培养学生的创新意识有所帮助。
本文计划设计的数字系统实践教学平台的特点如下：
包含传统的IC插座，支持使用基本的74系列芯片进行验证性实验和简单的应用性设计。目的是为了让学生对基本芯片和简单电路连接有直观的认识。
包含FPGA芯片I/O接口，支持软件编写小型数字系统，学习FPGA设计以及Verilog HDL硬件编程语言，用于小型数字系统的设计。
（三）探究工程化项目驱动式的课堂教学方法
“数字逻辑”课程课堂教学中需要引入“工程化项目驱动式”教学方法，将主要授课内容融入到一个个项目中去，构建项目驱动式实践教学体系。
“工程化项目驱动式”教学法是基于工作过程的一种探究式教学方法，由教师将所要学习的新知识隐含在一个或几个基于工作过程为导向的项目之中，学生通过自己对工作过程的项目进行分析、讨论，明确工作过程的项目大体涉及哪些知识，在老师的指导和帮助下找出解决问题的方法，最后通过项目的完成而实现对所学知识的传授。基于以工作过程为导向的“工程化项目驱动式”教学法与传统的教学法相比，主要有三大转变：以教师为中心转变为以学生为中心，以课本为中心转变为以项目为中心，以课堂为中心转变为以工作过程为中心。
“工程化项目驱动式”教学法在“数字逻辑”课程中应用，正是基于数字逻辑课程具有较强实践性的特点，理论教学和实践教学不可能完全分开，在课堂教学中引入相应的小型电路系统项目实施教学，可以起到事半功倍的效果。
三、结束语
系统能力培养是当前国内计算机类专业研究的热点和难点，数字逻辑课程是计算机系统能力培养的首要环节，因此，本文研究的内容是当前国内本科教学改革的主流和前沿；另外“工程教育认证”是当前国内本科高校的重要工作内容之一，认证要求学生具有解决复杂工程问题的能力，现有的数字逻辑课程教学难以满足工程认证要求，经过本文的研究，通过建立面向工程应用的实践教学体系，在教学中引入工程化数字系统项目，提升学生解决复杂工程问题的能力。
参考文献：
[1]冯国富，马玉奇，易丛琴.面向数字逻辑与计算机组成原理衔接的实践环节[J].计算机教育，2017（2）：141-145.
[2]肖娟，张雯雾.转型发展中数字逻辑课程教学改革研究[J].现代计算机，2015（9）：17-19.
[3]李永华.数字逻辑与数字系统课程MOOC建设探讨[J].实验室科学，2017，20（4）：173-176.
[4]王心刚，贺利，张冬至.数字逻辑电路精品实验项目的设计与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（9）：175-178.
[5]李山山，刘敬晗，等.计算机专业数字逻辑实验教学探索[J].实验科学与技术，2016，14（2）：115-118.
[6]王华彬，钱付兰，李学俊，等.计算机类专业“数字逻辑课程设计”教学模式探索[J].高教学刊，2016（03）：66-67.
关键词：数字逻辑；实践教学；系统能力
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）24-0085-03
Abstract： The existing digital logic course system is lack of systematicness in computer major ， and the practical teaching content is lack of engineering scale. In order to meet the requirements of system capability， first of all， constructing a rational knowledge system of digital logic course， to achieve a good connection with the knowledge of the follow-up courses； secondly， the construction of digital system engineering practice project suitable for the study and design of computer major undergraduate students； finally， introducing engineering project into the course of classroom theory teaching， training students engineering project analysis and design ability， at the same time， teaching principles of knowledge.
Keywords： digital logic； practice teaching； system capability
一、概述
2015年11月15日，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会发布了“基于系统能力培养的计算机专业课程建设报告”，报告指出，当前我国计算机類专业人才培养中存在一些普遍性问题：“课程知识体系缺乏系统性，学生不能很好地建立完整的计算机系统观念，且实践过程中缺乏足够的工程训练规模与难度”。在此背景下，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会提出：在高校计算机类专业中推动系统能力培养的重大课题。
“计算机系统能力”指能够理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用机制，并综合运用多种知识与技术完成全系统开发的能力。以系统能力培养为目标的教学改革，是指将本科生自主设计“一台功能计算机、一个操作系统核心、一个编译系统”确立为教学目标，并据此重构计算机系统类课程群（这里特指“数字逻辑”“计算机组成”“操作系统”“编译原理”四门课程），形成边界清晰且有序衔接的课程群知识体系[1]，在实验体系规划上强调按工业标准和工程规模开发系统，同时注重探索系统开发的工程化方法以提高学生达成教学目标的达成度[2]。
经过以上分析可知，“数字逻辑”是计算机系统能力培养体系构建的首要环节，而现有的课程教学内容和教学方法难以满足计算机系统能力培养的要求，当前数字逻辑课程理论和实践教学存在的问题如下[3][4]：
（一）知识体系难以满足系统能力培养要求
系统能力培养是一个完整的体系，强调课程之间知识的整合和衔接。而“数字逻辑”课程是一个独立的知识体系，强调完整性，相关知识比较全面，但是忽略了和后续课程知识的相关性，不能有效整合与衔接，使得学生难以系统地理解课程知识体系。
（二）实践教学内容缺乏工程规模
数字逻辑课程的实践教学只是简单的机械式重复，按照课本要求设计全加器、选择器、译码器等简单的电路，学生往往不知器件的实际用途，也不会利用所学的知识组合设计应用性电路系统；学生只是学习了简单实验方法，缺乏开发具有工程规模系统的实践。虽然小规模实验可以达到让学生基本理解、掌握系统运行原理和初步具备系统开发能力的目的，但由于缺乏足够的工程工作量，使得复杂系统中存在的较为深刻的问题难以暴露。因此，学生虽然经过了训练，但却因训练强度不足，不能对系统有较为深刻的认识，也就无法完成具有工程规模的系统级开发。
（三）缺乏工程性，综合式教学方法
数字逻辑课程涉及较多的基本概念和硬件知识，在实际教学中以理论教学为主，忽视了依托实际项目进行讲授的实践教学方法。传统教学过程主要突出原理性、分析式教学方法，缺乏工程性、综合式教学方法；突出原理性知识的传授，注重是什么，有什么，而往往没有讲授一套有效的工程性构建方法。学生虽然知道基本概念，却难以完成具有一定规模的实验。
因此，现有的“数字逻辑”课程，强调了知识体系的完整性，忽略了与后续课程之间的衔接；完成了大量的验证性实验，欠缺开发一定工程规模系统的实践训练；突出原理性知识的传授，没有讲授一套有效的工程性构建方法[5]。
为了在计算机类专业中推动系统能力培养改革，本文拟对基于计算机系统能力培养的“数字逻辑”课程教学体系建设方案进行改革探索，包括：构建基于计算机系统能力培养的课程知识体系，设计面向工程应用的实践教学环节，研究工程化项目驱动式教学方法等。 二、基于系统能力培养的数字逻辑课程体系建设方案
构建符合计算机系统能力培养要求的数字逻辑课程体系，主要包括以下内容：构建基于计算机系统能力培养的课程知识体系，实现与后续课程的递进式衔接；建立面向工程应用的实践教学体系，并研究工程化项目驱动式的课堂教学方法，提升学生的计算机系统设计能力以及工程项目思维和素养。其中，需要重点研究的问题包括：
1. 如何根据计算机系统能力培养的要求，构建合理的数字逻辑课程知识体系，实现与后续课程知识的良好衔接。
2. 如何构建适合计算机类专业二年级本科生学习和设计的数字系统工程实践项目，既能达到教学效果，又不至于因为项目过于复杂，打击学生积极性。
3. 如何把工程化项目合理引入课堂理论教学过程，在讲授原理性知识的同时，培养学生工程项目分析和设计能力。
（一）构建基于计算机系统能力培养的课程知识体系
基于系统能力培养的数字逻辑课程在知识体系总量上与以往的教学模式没有太大的差别，但需要针对系统能力培养目的、技术途径和方法，对各相关知识点在教学学时和讲解重点上进行调整和补充。因此，本文面向系统能力培养要求，以《计算机科学与技术本科专业规范》（CSCE）为基础，同时考虑课程衔接和实验工程性和规模性，研究数字逻辑课程所涉及的知识领域、知识单元、知识点以及和后续课程之间的关系，最终建立符合计算机系统设计所需要的主要知识体系。
在系统能力培养中，数字逻辑知识体系是计算机组成原理的逻辑知识和处理器设计及简单应用的基础，重点知识点是数值编码、组合电路设计、状态机设计、寄存器（状态存储器件）、寄存器传输控制和可编程技术。在课程知识点衔接上要强调寄存器传输控制，同时在课程教学中增加信号接口的一般性概念介绍。表1所示为本文拟构建的面向计算机系统能力培养的数字逻辑知识体系，主要包括：数据表示，数字系统，存储系统，接口通信等知识单元。
与现有的数字逻辑课程知识体系相比较，一方面：深入讲解寄存器、存储器、译码器，等与后续课程相关的知识模块（表2为数字逻辑课程的知识模块和其他课程之间的关联表）；同时，增加数字系统接口通信知识模块的教学，要求学生能够实现对VGA接口的访问，通过VGA在显示器上显示字符或者图案。
（二）建立面向工程应用的实践教学体系
1. 实验教学环节设计
数字逻辑实践教学环节，学生需实用硬件实验箱或EDA软件工具，完成包括译码器、加法器、算术逻辑运算单元、寄存器等一系列计算机基础硬件组件的设计和开发。学生在完成这些实验项目的同时，就完成了指令译码器、数据选择器、ALU、数码寄存器、移位寄存器和寄存器堆、32位定时器/计数器、程序计数器、乘法单元等 CPU 主要功能部件的设计。这些功能部件将在后续的计算机组成原理实验中被直接使用。
“数字逻辑实验”教学内容主要包含两个方面，验证性实验和应用性系统设计。这二类实验的前提是学生已经掌握所涉及的知识，通过实验，巩固、加深和拓宽学生对课程内容的理解。拟构建的“数字逻辑实验”教学体系，计划安排9次，共计36个学时，拟设计的实验教学内容如表3。
2. 课程设计教学环节设计
增加数字逻辑课程设计环节，利用Verilog硬件描述語言和软件工具，设计面向工程应用的数字系统项目，培养学生独立思考的习惯，激发其创新意识，进一步提高学生的实践能力。具体设计过程中，要求学生查手册比较相关器件的差别，选定合适的器件，制定出设计方案，并画出逻辑图；画出集成电路芯片布局布线图；安装、调试通过并比较其他不同的设计方案，设计报告并提出改进意见。拟设计的部分面向工程应用的课程设计项目如表4。
3. 数字系统实践教学平台搭建
现有的基于数字逻辑课程实验箱一般是基于“逻辑门电路+插线”的方式，只能做简单的验证性实验，无法满足数字系统的设计要求。因此，必须设计和实现数字系统实践教学平台。电路的计算机辅助设计与分析技术已成为电路系统分析和设计的有力工具，借助EDA软件进行数字逻辑课程设计，突出了以学生为中心的开放模式，激发学生大胆想象并尝试各种不同的设计方案、采用不同的集成元器件，对培养学生的创新意识有所帮助。
本文计划设计的数字系统实践教学平台的特点如下：
包含传统的IC插座，支持使用基本的74系列芯片进行验证性实验和简单的应用性设计。目的是为了让学生对基本芯片和简单电路连接有直观的认识。
包含FPGA芯片I/O接口，支持软件编写小型数字系统，学习FPGA设计以及Verilog HDL硬件编程语言，用于小型数字系统的设计。
（三）探究工程化项目驱动式的课堂教学方法
“数字逻辑”课程课堂教学中需要引入“工程化项目驱动式”教学方法，将主要授课内容融入到一个个项目中去，构建项目驱动式实践教学体系。
“工程化项目驱动式”教学法是基于工作过程的一种探究式教学方法，由教师将所要学习的新知识隐含在一个或几个基于工作过程为导向的项目之中，学生通过自己对工作过程的项目进行分析、讨论，明确工作过程的项目大体涉及哪些知识，在老师的指导和帮助下找出解决问题的方法，最后通过项目的完成而实现对所学知识的传授。基于以工作过程为导向的“工程化项目驱动式”教学法与传统的教学法相比，主要有三大转变：以教师为中心转变为以学生为中心，以课本为中心转变为以项目为中心，以课堂为中心转变为以工作过程为中心。
“工程化项目驱动式”教学法在“数字逻辑”课程中应用，正是基于数字逻辑课程具有较强实践性的特点，理论教学和实践教学不可能完全分开，在课堂教学中引入相应的小型电路系统项目实施教学，可以起到事半功倍的效果。
三、结束语
系统能力培养是当前国内计算机类专业研究的热点和难点，数字逻辑课程是计算机系统能力培养的首要环节，因此，本文研究的内容是当前国内本科教学改革的主流和前沿；另外“工程教育认证”是当前国内本科高校的重要工作内容之一，认证要求学生具有解决复杂工程问题的能力，现有的数字逻辑课程教学难以满足工程认证要求，经过本文的研究，通过建立面向工程应用的实践教学体系，在教学中引入工程化数字系统项目，提升学生解决复杂工程问题的能力。
参考文献：
[1]冯国富，马玉奇，易丛琴.面向数字逻辑与计算机组成原理衔接的实践环节[J].计算机教育，2017（2）：141-145.
[2]肖娟，张雯雾.转型发展中数字逻辑课程教学改革研究[J].现代计算机，2015（9）：17-19.
[3]李永华.数字逻辑与数字系统课程MOOC建设探讨[J].实验室科学，2017，20（4）：173-176.
[4]王心刚，贺利，张冬至.数字逻辑电路精品实验项目的设计与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（9）：175-178.
[5]李山山，刘敬晗，等.计算机专业数字逻辑实验教学探索[J].实验科学与技术，2016，14（2）：115-118.
[6]王华彬，钱付兰，李学俊，等.计算机类专业“数字逻辑课程设计”教学模式探索[J].高教学刊，2016（03）：66-67.