利用EDA技術(shù)改革電子學(xué)實(shí)踐教學(xué)

只德瑞，白 芳，費(fèi) 騰

(天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300134)

0 前言

以微電子學(xué)為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為載體、以軟件技術(shù)為核心的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)飛速發(fā)展改變了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，對(duì)21世紀(jì)新一代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了新的要求。在此背景下，大學(xué)生必須既具備堅(jiān)實(shí)的電子學(xué)理論基礎(chǔ)，也必須掌握先進(jìn)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和方法，具備初步開(kāi)發(fā)電子系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，適應(yīng)社會(huì)需求。近幾年教育部提出關(guān)于“使用信息技術(shù)工具改造課程”方案，從而推動(dòng)了我校EDA技術(shù)在“電子學(xué)”教學(xué)中實(shí)施和推廣。在“電子學(xué)”課程中深入開(kāi)展EDA實(shí)踐教學(xué)和EDA設(shè)計(jì)大賽，收到了明顯的改革成效，實(shí)踐教學(xué)提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了大學(xué)生的解決問(wèn)題能力和創(chuàng)造力，形成具有鮮明教學(xué)特征和課程特色，形成了現(xiàn)代教育思想完整、可持續(xù)、有輻射力的課程體系。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件工具的出現(xiàn)為電子設(shè)計(jì)工作者提供了一種全新的設(shè)計(jì)方法。將EDA引入到教學(xué)中，可使學(xué)生開(kāi)闊眼界，從中小規(guī)模的分立邏輯器件上升到可編程邏輯器件，從用自底向上的設(shè)計(jì)方法在印刷電路板上將集成電路組裝成板級(jí)系統(tǒng)，上升到自頂向下的ASIC(Application specific IC)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，改革電子學(xué)教學(xué)方法引入EDA技術(shù)為培養(yǎng)高水平科技人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。使學(xué)生盡快掌握現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法，在后續(xù)課程中逐步加深和掌握儲(chǔ)備知識(shí)，比如，在后續(xù)的電工電子實(shí)習(xí)、專業(yè)課課程設(shè)計(jì)、各類專業(yè)實(shí)習(xí)和競(jìng)賽中得以鞏固和擴(kuò)展知識(shí)。同時(shí)，減輕許多學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)硬件的恐懼心理，對(duì)后面的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)也有積極影響。使學(xué)生在全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用電子設(shè)計(jì)的綜合能力增強(qiáng)。

電子學(xué)知識(shí)在我校工科教學(xué)中重點(diǎn)在小規(guī)模集成電路構(gòu)成的電路分析和設(shè)計(jì)以及中規(guī)模集成電路的原理和應(yīng)用，而大規(guī)模集成電路知識(shí)涉及內(nèi)容較少，只有一個(gè)簡(jiǎn)單CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)，這已不適應(yīng)現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，因此我校對(duì)電子學(xué)知識(shí)的教學(xué)進(jìn)行了改革。

1 構(gòu)建立體化教學(xué)資源

電子技術(shù)知識(shí)教學(xué)中逐步實(shí)現(xiàn)“教”與“學(xué)”的配合，通過(guò)教師與學(xué)生的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)方法向現(xiàn)代教育所強(qiáng)調(diào)的“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的過(guò)渡，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索知識(shí)的能力，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)，掌握終身學(xué)習(xí)的方法。重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面。

1)電子學(xué)理論知識(shí)教學(xué)不容忽視

實(shí)際硬件電路知識(shí)在教學(xué)是不可缺少的，可以規(guī)范學(xué)生在EDA設(shè)計(jì)中軟件架構(gòu)的思路。因此，在教學(xué)內(nèi)容上圍繞小規(guī)模集成電路分析和設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)刪減，保留概念的介紹。重視中規(guī)模以上集成電路的理解應(yīng)用，如計(jì)數(shù)器等，因此制定新的教學(xué)改革大綱，以適應(yīng)改革的要求。

2)全方位進(jìn)行EDA教學(xué)

首先，在電子學(xué)知識(shí)理論教學(xué)中引入EDA教學(xué)，將部分實(shí)例及部分電路的原理用EDA軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如寄存器、計(jì)數(shù)器、加法器、比較器等，這樣既節(jié)省時(shí)間，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;其次，在電子學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中引入EDA教學(xué)，可以讓學(xué)生在課下預(yù)習(xí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)，先用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)方針，激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的欲望。這樣可加深學(xué)生對(duì)電路基本原理的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。

3)EDA教學(xué)注重教學(xué)方法

由于課時(shí)的限制和內(nèi)容的篩選，大大地縮小了授課范圍。因此，在教學(xué)中以實(shí)驗(yàn)為中心線索，打破現(xiàn)有教材章節(jié)之間的界限，在教學(xué)中大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?CPLD/FPGA)只給學(xué)生一個(gè)基本介紹，工具軟件及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的使用均不具體講授，作為學(xué)習(xí)工具以會(huì)用為原則，通過(guò)圖形輸入和文本輸入兩種驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)完成EDA設(shè)計(jì)的完整流程，讓學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)掌握其使用的基本方法。

4)案例教學(xué)激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)

用大規(guī)?？删幊唐骷ㄟ^(guò)EDA軟件平臺(tái)，運(yùn)用硬件描述語(yǔ)言完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法的學(xué)習(xí)，其內(nèi)容涉及知識(shí)面廣、綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)和難度大，要在短時(shí)間內(nèi)使學(xué)生掌握EDA設(shè)計(jì)思想和方法難度很大。如果在教學(xué)過(guò)程中引入案例教學(xué)來(lái)補(bǔ)充語(yǔ)法設(shè)計(jì)，加強(qiáng)實(shí)踐和學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)各具特色的案例，讓學(xué)生學(xué)到新的知識(shí)和設(shè)計(jì)技巧。案例教學(xué)引入課堂既吸引學(xué)生注意力，激發(fā)他們的好奇心，又能促使學(xué)生在整個(gè)案例分析過(guò)程中積極的思考。

5)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)培養(yǎng)自學(xué)能力

開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)使學(xué)生更好的利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)、擴(kuò)展電子技術(shù)知識(shí)。使VHDL等語(yǔ)言的講授時(shí)間可以減少，通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)就會(huì)學(xué)會(huì)語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的要求，達(dá)到教學(xué)夠用的軟件要求，讓學(xué)生從驗(yàn)證、模仿到自己設(shè)計(jì)，既學(xué)習(xí)了新知識(shí)，又鍛煉了自學(xué)能力。

2 強(qiáng)化創(chuàng)新能力培養(yǎng)

教育教學(xué)改革要以培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)需要的具有創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)精神的高素質(zhì)人才為宗旨。創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩大環(huán)節(jié)中，探索與實(shí)踐在新形勢(shì)下實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和應(yīng)用能力中的作用和體味，探索實(shí)踐教學(xué)改革的途徑與方法，為學(xué)生提供課外科技活動(dòng)、創(chuàng)新實(shí)踐以及培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力的平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

1)培養(yǎng)創(chuàng)新能力搭建創(chuàng)新實(shí)踐研究平臺(tái)

以實(shí)際工程應(yīng)用為線索的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探索，是通過(guò)教師給出的題目，學(xué)生通過(guò)自學(xué)、討論，學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，用來(lái)訓(xùn)練學(xué)生研究方法、培養(yǎng)學(xué)術(shù)研究能力。設(shè)計(jì)型題目在多章節(jié)授課內(nèi)容基礎(chǔ)上加以綜合，完成簡(jiǎn)單工程設(shè)計(jì)，將電子學(xué)理論與工程實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)的工程實(shí)踐思想。

2)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)積極組織開(kāi)展科技活動(dòng)

為了對(duì)本科教學(xué)質(zhì)量起到促進(jìn)作用，及時(shí)把教師的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)積極組織學(xué)生參與教師科研和大學(xué)生訓(xùn)練項(xiàng)目，對(duì)提高本科教學(xué)質(zhì)量將起到很大的推動(dòng)作用。EDA教學(xué)工作總體思路框架如圖1所示。

圖1 EDA教學(xué)工作思路框架

3)總結(jié)改革成果，學(xué)生評(píng)價(jià)促改革

通過(guò)一兩輪的實(shí)驗(yàn)改革對(duì)學(xué)生做了問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查范圍是經(jīng)過(guò)EDA教學(xué)改革重點(diǎn)培養(yǎng)的學(xué)生。學(xué)生普遍反映教學(xué)方法豐富、教學(xué)方式靈活、激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣、增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)、開(kāi)拓了視野，從問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)看出，學(xué)生滿意度很高，教學(xué)效果顯著，通過(guò)此次改革取得了可喜的成績(jī)。課程教學(xué)效果調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表中認(rèn)為“我能較好運(yùn)用該課程所學(xué)知識(shí)，分析解決實(shí)際問(wèn)題”的學(xué)生比例占85.8%，認(rèn)為“該課程有助于我創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)”的學(xué)生比例占88.3%，更重要的結(jié)果是提高了學(xué)生對(duì)課程的興趣，感覺(jué)所學(xué)知識(shí)有的放矢不盲目。

3 結(jié)語(yǔ)

我校的EDA教學(xué)改革特色是打破了以往教學(xué)死板、實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式較固定的教學(xué)模式，增加了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境，舉行了形式多樣的學(xué)生自主學(xué)習(xí)和培訓(xùn)模式，構(gòu)建了學(xué)生自學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生自覺(jué)利用課余時(shí)間開(kāi)展科學(xué)研究活動(dòng)。此次改革促進(jìn)了學(xué)生個(gè)性的發(fā)揮，立體化的教學(xué)資源的搭建，為今后以培訓(xùn)和開(kāi)展競(jìng)賽的教學(xué)活動(dòng)提供了豐富的資源和交流環(huán)境，為學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)開(kāi)拓了視野、增強(qiáng)了信心，所有這些舉措的實(shí)施，保證了教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生素質(zhì)。

改革不足之處在于改革探索階段，改革實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸煌瓿蓛奢啠虒W(xué)環(huán)節(jié)經(jīng)驗(yàn)不足，實(shí)驗(yàn)班級(jí)少，建設(shè)性材料還有許多需要完善的地方，希望在以后的改革實(shí)驗(yàn)中不斷補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容和補(bǔ)充多樣教學(xué)實(shí)踐形式。今后工作目標(biāo)是將EDA技術(shù)成熟的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推廣到全校理科專業(yè)學(xué)習(xí)電子學(xué)知識(shí)的課程中，使更多學(xué)生受益。

［1］ 秦曾煌.電工學(xué)(電子技術(shù))［M］.北京:高等教育出版社，2004.7

［2］ 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)［M］.北京:高等教育出版社，2005.7

［3］ 王金明，楊吉斌.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verliog HDL［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.6

［4］ 徐繼存編.教學(xué)論導(dǎo)論［M］.蘭州:甘肅教育出版社，2001.5

［5］ 鄭金洲編.案例教學(xué)指南［M］.上海:華東師范大學(xué)出版社，2000.6