“EDA技術(shù)”課程實踐教學改革探索

任文平　李鵬

摘 要：傳統(tǒng)的“數(shù)字電子技術(shù)”由于設計方法陳舊、設計驗證滯后等問題，已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代數(shù)字電路的設計要求，取而代之的是近年來發(fā)展起來的“EDA技術(shù)”。本文針對“EDA技術(shù)”課程教授過程中出現(xiàn)的問題，提出了在教學內(nèi)容、教學方法、手段、實驗課設置及實驗考核等幾個方面進行教學改革的措施。經(jīng)過近兩年實踐證明，通過實施這些措施，學生的電路設計能力及工程應用能力得到了提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路 EDA技術(shù) 教學改革 應用能力

關(guān)鍵詞：2016年云南大學重點教改項目資助；云南大學信息學院教改項目基金資助

引言

在科技迅猛發(fā)展的今天，電子技術(shù)已得到廣泛應用。作為電子系統(tǒng)重要的組成部分，傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設計方法卻存在著如下缺點：（1）以原理圖為核心的設計方法，不能適應現(xiàn)代復雜電子系統(tǒng)的設計要求；（2）采用通用的中小規(guī)模的邏輯元、器件及芯片進行電路的設計，不能滿足知識產(chǎn)權(quán)保護的要求；（3）在系統(tǒng)設計的后期才能進行的仿真和調(diào)試，不能滿足現(xiàn)代社會對設計周期及產(chǎn)品性價比的要求。

近年來出現(xiàn)了以可編程邏輯器件PLD（programmable logic device）為設計平臺的EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)，該技術(shù)是目前電子系統(tǒng)設計的最新技術(shù)方向和潮流，使用EDA來設計數(shù)字系統(tǒng)，可以大大縮短設計時間，提高系統(tǒng)的便利性及可靠性。因此，該設計方法在電子信息、通信、自動控制及計算機領(lǐng)域都有著廣泛的應用。近年來，各高校已經(jīng)逐漸把EDA技術(shù)納入本科和研究生教學中，據(jù)有關(guān)資料顯示，全國90%的高校都在不同的教學層次上開設了相關(guān)的課程。云南大學于2004年就開設了這門課，但是經(jīng)過幾年的教學實踐，我們感到這門新課程在教學模式、實驗的設置及內(nèi)容的安排上存在著不足，這些都嚴重地影響了教學效果，使課程沒有達到應有的效果?！癊DA技術(shù)”作為信息學院重要的實踐教學課程之一，在教學及實驗的內(nèi)容方面，都是多學科內(nèi)容的綜合體現(xiàn)，因此，如果對EDA課程在內(nèi)容、設置及思路上進行有效的改革，將有助于培養(yǎng)學生的綜合能力及實踐動手能力。因此，該門課程的教學改革意義重大。本課程的改革主要從以下幾個方面進行：

1 調(diào)整教學內(nèi)容

“EDA技術(shù)”是一門實踐應用課程，但是原有的課程在內(nèi)容設置上不能體現(xiàn)這一特點，所用的教材介紹了可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)、工作原理，硬件描述語言的語法及數(shù)字電路的基本電路單元等，在應用及創(chuàng)新拓展方面實例不足，因此必須按照課改思路更新教學內(nèi)容。內(nèi)容設置可分為如下三個階段：（1）第一階段（1～8周），EDA基礎知識的學習及基礎實驗階段。在這個階段，學生將學習可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)、硬件描述語言語法、基本邏輯單元的設計等內(nèi)容，學會以可編程邏輯器件為設計平臺，利用軟件進行基本電路的設計，如，譯碼器、加法器、計數(shù)器等電路單元的設計。（2）第二階段（9～13周），EDA工具的深入應用及綜合實驗階段。在這階段學生將學習LMP兆功能模塊、Signal Tap邏輯分析儀、Modelsim仿真軟件等高級EDA工具的使用方法，利用這些高級設計工具，學生可以進行簡單電路系統(tǒng)的設計，例如，數(shù)字鐘、信號發(fā)生器等具有一定應用功能的電路系統(tǒng)的設計。同時配置綜合性實驗2～3個。（3）第三階段（14～17周），綜合設計及工程訓練階段。在這個階段，將講授大量的系統(tǒng)設計實例，內(nèi)容涵蓋數(shù)字電路、計算機接口技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字信號處理、圖像處理、自動化技術(shù)等多門課程，將本門課程與其他課程的知識結(jié)合起來。

通過調(diào)整課堂教學內(nèi)容，有助于絕大多數(shù)學生掌握EDA基礎知識，并具備一定的專業(yè)開發(fā)能力，能夠以FPGA作為平臺，進行應用系統(tǒng)的設計。

2 改革教學方法和手段

2.1 改變“滿堂灌”的教學方法

在改變教學內(nèi)容的同時，教師也必須改變教學方式。在過去的理論教學中，大家習慣了老師講、學生聽的上課模式。但是多年的實踐表明，這種理論教學模式往往難以收到很好的教學效果。因此，必須改變傳統(tǒng)教學“滿堂灌”的做法。在“講授”方面：講授的內(nèi)容強調(diào)少、精、寬、新。將傳統(tǒng)的以教師為主體的單向灌輸式教學，轉(zhuǎn)化為以學生為主體的參與式教學。例如，①開展互動學習法。在講硬件描述語言的語法時，組織學生自學并討論，讓學生自己比較出該課的語法與C語言的異同，最后教師進行總結(jié)，完成教學過程。②采用演示性教學。讓語法語句融入程序?qū)嵗?，并能在實驗板上演示出來，增強這些知識的實用價值。③除了常規(guī)作業(yè)外，適時安排2～3次大作業(yè)。比如，在學完譯碼器、觸發(fā)器、計數(shù)器等基本電路的編程設計之后，設置若干實用電路——搶答器、水位控制監(jiān)控電路等，提出設計要求，由學生分組選題討論設計。安排專門時間，由每組派出代表，講解設計過程，并用EDA軟件驗證設計結(jié)果。通過這樣的方法，就能夠初步培養(yǎng)學生將理論知識運用到實踐中的能力。

2.2 引入網(wǎng)絡教學

在網(wǎng)絡發(fā)達的今天，網(wǎng)絡教學能夠作為正常教學的一個很好的補充。網(wǎng)絡教學具有資源豐富、開放、交互的一些特點，深受學生的歡迎。利用網(wǎng)絡的這一特點，可以將該課程中很多教和學的環(huán)節(jié)置于網(wǎng)絡中。例如，建立課程網(wǎng)站，在網(wǎng)站中設置學習專欄，將課程中軟件平臺的使用流程、方法以視頻的形式存放在網(wǎng)站中，便于學生課后學習使用；將歷年該課程的學生作品設置成專題，可以查看視頻，也可以查看全部設計資料，方便學生獲得第一手參考資料；設置多個鏈接網(wǎng)站，提供與本課程相關(guān)的學習論壇的網(wǎng)絡鏈接，方便學生走進更廣闊的學習天地。

3 增加實驗課課時，調(diào)整實驗課內(nèi)容

實踐教學是“EDA技術(shù)”課程教學的重要組成部分，但是，長期以來，實驗教學一直作為輔助環(huán)節(jié)，從屬于理論教學，內(nèi)容設置不盡合理，實驗的作用不能充分地發(fā)揮出來。實驗課改革的目標就是要使學生真正參與到實驗中來，通過實驗培養(yǎng)學生的系統(tǒng)設計和研發(fā)能力、創(chuàng)新能力、工程能力、團隊協(xié)作能力等。實驗的改革主要從以下兩個方面著手：

3.1 設置入門實驗課，提高學生對實驗的興趣

在學生學習“EDA技術(shù)”課程的第一周開設2課時的教學實習，采用直觀教學方法和手段，準備好各實驗設備、歷屆制作的課程作品，例如，搶答器、數(shù)字電子表、簡易照相機等，讓學生零距離接觸、觀看和測試，讓學生充分認識到本課程的設計制作并非高不可攀，它就在我們即將學習的知識中，消除學生對電路設計的陌生感和神秘感，激發(fā)學生對動手課程的興趣。

3.2 設立驗證性實驗、設計性實驗、綜合設計性實驗等多層次的實驗模式，提高學生的應用能力

教師可以將“EDA技術(shù)”的實驗與授課內(nèi)容相配合，設置如下三個層次：第一，基礎性實驗。配備實驗5～6個，實驗內(nèi)容主要是數(shù)字電路中的組合電路及時序電路單元，比如，譯碼器、計數(shù)器等電路的設計，目的是加深學生對于課程中硬件描述語言的語法、設計軟件平臺、設計方法的理解。但此類實驗由于缺乏主動性與創(chuàng)造性，比例不宜過大。第二，設計性實驗。配置實驗2～3個，要求學生完成一些簡單應用性電路系統(tǒng)的設計，目的是培養(yǎng)學生設計應用性電路的能力。實驗內(nèi)容可由易到難，從數(shù)字電子鐘、信號發(fā)生器等簡單的電路系統(tǒng)入手，逐步過渡到設計十字路口交通燈控制電路、出租車計費電路等具有一定綜合性的電路系統(tǒng)。這類實驗的設置能使學生的應用能力大大增強，是實驗課內(nèi)容改革需要重點關(guān)注的部分。第三，綜合設計性實驗。鼓勵學生自擬實驗項目，或者將課外科技活動納入到實驗教學活動中來，利用跨學科知識、器件進行綜合性系統(tǒng)的設計的實驗，鼓勵學生做出實物電路。這類實驗要求學生具有較高的綜合能力和創(chuàng)新能力，難度較大。

4 設置實驗考核新模式

實驗課的考核，從形式到內(nèi)容，均以能充分展現(xiàn)學生的能力為目的?？荚嚨倪x題由數(shù)字電路、計算機接口技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字信號處理、圖像處理、自動化技術(shù)等多門課程的不同方向組成，綜合性強。希望學生通過查資料、復習等方式，將本門課程與其他課程的知識結(jié)合起來。考試的形式采用競賽模式，學生3人為一組，以小組為單位，寫出設計論文并進行答辯?？荚嚨脑u分由論文、答辯及演示三部分組成，論文寫作規(guī)范、答辯清晰、思路新穎、演示成功的學生將獲得高分。教師希望采用這樣的考核方式，能培養(yǎng)并進一步提高學生的系統(tǒng)設計和研發(fā)能力、綜合創(chuàng)新能力、自學能力、科技文獻寫作能力、團隊協(xié)作能力及口頭表達能力等一系列的工程應用能力。

5 結(jié)語

目前對“EDA技術(shù)”課程的教改正在實施及檢驗過程中，近兩年，改革效果已逐漸顯現(xiàn)，學生在考核環(huán)節(jié)中自選題目的設計水平已有很大的提高，在2015年全國大學生電子設計大賽中，參賽學生利用EDA課程的設計方法，完成了G題關(guān)鍵步驟的設計，取得了云南省一等獎的好成績，這些都證明該門課教改思路是正確的。

這些成績的取得并不意味著課程改革的結(jié)束，隨著課程中器件、軟件平臺、設計方法、設計手段不斷地發(fā)展，要求教師在教學的內(nèi)容、方法、手段上也要隨時更新與改進，為社會培養(yǎng)具有應用能力的人才。

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責任編輯 張 瑩