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      運(yùn)用系統(tǒng)方法將EDA融入數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)

      2018-04-11 03:42:00李曉靜劉紅月李曉飛
      實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2018年1期
      關(guān)鍵詞:數(shù)字實(shí)驗(yàn)課程

      李曉靜, 劉紅月, 李曉飛

      (天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384)

      0 引 言

      電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)[1]技術(shù)涉及面廣,內(nèi)容豐富,正逐漸成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方式和重要手段。而在教學(xué)和技術(shù)推廣層面上,使用較多的是基于可編程邏輯器件(PLD)的EDA技術(shù)[2]。PLD是專用集成電路的一個(gè)重要分支,可通過(guò)自己的電路設(shè)計(jì)來(lái)定制芯片內(nèi)部的電路功能,使之成為設(shè)計(jì)者自己的專用集成電路,成本低、使用靈活、設(shè)計(jì)周期短、可靠性高、風(fēng)險(xiǎn)小,現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用,發(fā)展非常迅速。目前,應(yīng)用最為廣泛的PLD是FPGA和CPLD。

      依靠EDA軟件,加上種類繁多的數(shù)字邏輯模塊以及表達(dá)豐富的硬件描述語(yǔ)言,再配之以合適的基于FPGA的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,從而進(jìn)行設(shè)計(jì)的數(shù)字電子系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功耗小、速度快等優(yōu)點(diǎn),使得這種方式現(xiàn)已成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主流。

      1 運(yùn)用系統(tǒng)方法將EDA融入數(shù)電課程的思路

      “數(shù)字電子技術(shù)”是電類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一,重點(diǎn)在于數(shù)字電路的分析、設(shè)計(jì)及運(yùn)用[3-4]。在教學(xué)實(shí)踐中使用系統(tǒng)方法,強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)級(jí)的高度來(lái)審視數(shù)字電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)地位,把控知識(shí)體系和系統(tǒng)的全局性,注重每個(gè)知識(shí)點(diǎn)在系統(tǒng)中的位置,形成“先整體后局部,從模型到對(duì)象,重要點(diǎn)輕細(xì)節(jié)”的教學(xué)體系,重點(diǎn)突出、層次分明。而在此過(guò)程中,EDA軟件就可以發(fā)揮重要的作用。

      在教學(xué)實(shí)踐中,選擇了共75人的兩個(gè)自然班作為實(shí)驗(yàn)班,調(diào)整教學(xué)結(jié)構(gòu),優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,將EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)思想真正融合到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中去,以期全面改善課程的教學(xué)效果。以下結(jié)合教學(xué)實(shí)踐中的體會(huì)談?wù)勅绾芜\(yùn)用系統(tǒng)方法將EDA技術(shù)融入數(shù)字電子技術(shù)課程、從而提高課程教學(xué)質(zhì)量。

      2 EDA在理論教學(xué)中的作用

      傳統(tǒng)的理論教學(xué)以教師為主體,學(xué)生則是知識(shí)灌輸?shù)膶?duì)象,發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性與積極性的機(jī)會(huì)不多,更談不上對(duì)其工程能力、實(shí)踐能力的培養(yǎng),與目前提倡的工程教育的側(cè)重點(diǎn)不相適應(yīng),教學(xué)效果不理想。有鑒于此,我們將數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)行小班授課,圍繞如何設(shè)計(jì)數(shù)字電子系統(tǒng)的目標(biāo),將知識(shí)點(diǎn)按照“先整體后局部,從模型到對(duì)象,重要點(diǎn)輕細(xì)節(jié)”的方式,自上而下逐級(jí)分解,同時(shí)補(bǔ)充EDA方面的知識(shí),利用EDA軟件搭建一些實(shí)際電路并將其與數(shù)字電子知識(shí)系統(tǒng)中的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合,在課堂教學(xué)中融入研究元素與工程元素,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與,使之更貼近工程實(shí)際情況,有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣,為他們以后的學(xué)習(xí)與工作奠定基礎(chǔ)[5-6]。

      2.1 EDA的引入

      在學(xué)生還未掌握硬件描述語(yǔ)言時(shí),主要以Quartus II的原理圖輸入法為例介紹EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用。一方面,將課程中抽象的理論知識(shí),例如:暫態(tài)、同步與異步、競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)等問(wèn)題,借用EDA軟件仿真的方式形象地展示給學(xué)生,在課堂上可吸引學(xué)生的注意力,提高其興趣,培養(yǎng)他們觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律的好習(xí)慣。另一方面,利用EDA演示一些來(lái)自現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例,使得教師的課堂講授更趨立體、豐滿和生動(dòng),與實(shí)際科技更緊密相聯(lián),課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)和體系更趨合理,也更能體現(xiàn)出現(xiàn)代科技對(duì)課堂教學(xué)的指導(dǎo)和牽引。

      2.2 EDA的應(yīng)用

      數(shù)字電子課程中牽涉到的集成電路芯片很多,構(gòu)造及原理類似,若花大力氣在講解多個(gè)具體芯片的使用上,有些得不償失。而學(xué)習(xí)的一個(gè)有效手段就是比較,用已經(jīng)掌握的知識(shí)去認(rèn)識(shí)不熟悉的內(nèi)容,當(dāng)然二者之間是存在內(nèi)在聯(lián)系的。故在教學(xué)中重點(diǎn)講述幾個(gè)典型芯片,余下的留給學(xué)生采取比較法自學(xué)。另外,按“重要點(diǎn)輕細(xì)節(jié)”的要求,在課堂上不做復(fù)雜深?yuàn)W的理論講解,如講到計(jì)數(shù)器等一定規(guī)模的集成電路時(shí),不過(guò)多關(guān)注其內(nèi)部構(gòu)造,而是利用EDA軟件演示出來(lái)。這樣一方面能令學(xué)生直觀地看到器件及其應(yīng)用,另一方面也可以避免學(xué)生身陷繁瑣的電路內(nèi)部細(xì)節(jié)分析之中。同時(shí),盡可能運(yùn)用EDA技術(shù)搭建一些實(shí)際的電路例子進(jìn)行講解,例如555定時(shí)器,可利用其構(gòu)造門鈴等實(shí)際電路。使學(xué)生明白理論課上學(xué)到的知識(shí)不再是枯燥抽象的電路,而是可用于真正能在實(shí)際生活中看到的、用到的產(chǎn)品之中,從而加強(qiáng)與工程實(shí)際的聯(lián)系。

      2.3 PLD與VHDL

      在講解可編程邏輯器件這一章時(shí),單獨(dú)拿出一部分學(xué)時(shí)講述VHDL硬件描述語(yǔ)言以及數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。VHDL自頂向下的設(shè)計(jì)方法與“先整體后局部”系統(tǒng)性的要求不謀而合,且由于學(xué)生已有一些計(jì)算機(jī)編程的基礎(chǔ),對(duì)于VHDL語(yǔ)言的教學(xué)就不再做逐條語(yǔ)句講授,而是結(jié)合一些具體實(shí)例講解清楚其架構(gòu)及自身特點(diǎn),幫助學(xué)生在短期內(nèi)掌握VHDL的使用并付諸設(shè)計(jì)實(shí)踐[7]。

      3 EDA與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

      數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)踐性非常強(qiáng),必須高度重視實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的重要性[8-10]。將EDA融入課程的實(shí)踐教學(xué)時(shí)以系統(tǒng)方法為導(dǎo)引,堅(jiān)持以學(xué)生為中心,貫徹將實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的理念[11],改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念,建立以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[12],所采取的具體措施如下:

      (1) 修訂實(shí)驗(yàn)教學(xué)文件。將原來(lái)單獨(dú)設(shè)課的實(shí)驗(yàn)部分與理論課程部分統(tǒng)一為一門課程,并進(jìn)一步壓縮理論課程所占比例,提高實(shí)踐學(xué)時(shí)比重:將原大綱中的共24學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)擴(kuò)充為現(xiàn)在的32學(xué)時(shí),同時(shí)提高綜合設(shè)計(jì)性EDA實(shí)驗(yàn)所占比例。

      另外,針對(duì)我校實(shí)際情況,以系統(tǒng)方法為指導(dǎo),編寫了一本簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)驗(yàn)教程,增添了QuartusII的應(yīng)用方法、VHDL硬件描述語(yǔ)言、FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的介紹,并適當(dāng)加大提高拓展型實(shí)驗(yàn)、綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等的比例供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐。

      (2) 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[12]。實(shí)驗(yàn)室是實(shí)踐教學(xué)及科研活動(dòng)的承載者,除了打造開放實(shí)驗(yàn)室、為學(xué)生提供良好的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境和教學(xué)服務(wù)之外,還嘗試了一些新的做法。例如允許學(xué)生外借單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板、PLD實(shí)驗(yàn)?zāi)K,這樣學(xué)生可以不受時(shí)空限制,不僅能在自己的電腦上通過(guò)下載EDA軟件完成仿真等工作,還可以完成硬件調(diào)試等任務(wù)。

      (3) 協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)[11]。實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)均為同一教師的做法提高了教學(xué)安排的靈活性,方便教師合理協(xié)調(diào)理論及實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容及進(jìn)度。筆者也嘗試了在講解一些教學(xué)內(nèi)容(例如Quartus II、FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用等)時(shí)將課堂搬到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,讓學(xué)生實(shí)際接觸并應(yīng)用這些設(shè)備以便快速掌握使用方法,在提高課堂效率的同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。

      (4) 系統(tǒng)導(dǎo)向開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)踐教學(xué)中,以設(shè)計(jì)實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)為目標(biāo),采取自上而下、逐層分解任務(wù)的方式展開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)。在此過(guò)程中,使學(xué)生掌握利用EDA工具對(duì)FPGA邏輯陣列完成電路軟設(shè)計(jì)的方法,并進(jìn)一步強(qiáng)化動(dòng)手操作能力和綜合實(shí)踐能力。要求學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì),其流程見圖1。

      圖1設(shè)計(jì)流程圖

      4 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

      為擴(kuò)展師生之間交流的空間,借鑒目前國(guó)內(nèi)外開放課程建設(shè)的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn),從學(xué)生的角度出發(fā),在我校網(wǎng)站的課程中心創(chuàng)建了開放課程平臺(tái)。課程組在該平臺(tái)上設(shè)置了“課程介紹”“電子教案”“視頻錄像”“在線測(cè)試”“例題解析”“下載空間”“師生論壇”“在線答疑”等多個(gè)欄目。發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不受時(shí)空限制的優(yōu)勢(shì),在內(nèi)容的組織和編排上保證重點(diǎn)突出、層次分明,便于學(xué)生在碎片化時(shí)間里進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外,該平臺(tái)與國(guó)內(nèi)外著名的EDA開發(fā)網(wǎng)站相鏈接,幫助學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)地了解EDA技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)發(fā)展。

      5 考核方式

      成績(jī)考核是檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要手段,對(duì)學(xué)生培養(yǎng)效果的評(píng)估不宜采用單純依據(jù)考卷分?jǐn)?shù)的這種傳統(tǒng)模式,更應(yīng)將學(xué)生的動(dòng)手操作與實(shí)踐等方面作為考核的一個(gè)重要方面。

      結(jié)合我校數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體情況,課程組制定了相應(yīng)的課程考核辦法如表1所示。在實(shí)驗(yàn)考核部分,教師記錄平時(shí)實(shí)驗(yàn)期間學(xué)生的表現(xiàn)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出平時(shí)成績(jī);最后一次實(shí)驗(yàn)提供幾個(gè)綜合性的題目,學(xué)生抽簽得到筆試和操作考題,一人一題,要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成,再根據(jù)學(xué)生的實(shí)際操作、測(cè)試結(jié)果和問(wèn)題答辯等給出評(píng)價(jià)。

      表1 數(shù)字電子技術(shù)課程考核辦法

      6 EDA在后續(xù)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

      6.1 課程設(shè)計(jì)

      數(shù)字電子技術(shù)課程結(jié)束后的課程設(shè)計(jì)作為教學(xué)中重要的實(shí)踐環(huán)節(jié),一般是要求學(xué)生完成一個(gè)小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù),可謂系統(tǒng)方法的典型體現(xiàn)。在本課程設(shè)計(jì)中,要求學(xué)生將數(shù)字電子技術(shù)課程中所學(xué)的組合及時(shí)序邏輯電路、甚至模擬電子技術(shù)中相關(guān)的系列知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用可編程器件、EDA開發(fā)系統(tǒng)軟件、硬件描述語(yǔ)言等各方面知識(shí)與實(shí)踐技能,掌握數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法,能獨(dú)立地解決實(shí)際問(wèn)題,為電子產(chǎn)品的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。集中在兩周之內(nèi)完成的課程設(shè)計(jì),具體實(shí)施過(guò)程見圖2。

      圖2課程設(shè)計(jì)流程

      課程設(shè)計(jì)工作需學(xué)生獨(dú)立完成,教師會(huì)參與各個(gè)階段并提供指導(dǎo),但僅起輔助作用。在設(shè)計(jì)題目的選擇上,提倡在教師協(xié)助下,發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性通過(guò)先期調(diào)研后自擬確定,一般要求與近幾年課程設(shè)計(jì)題目不重復(fù)。學(xué)生經(jīng)歷了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程,其對(duì)理論知識(shí)的理解能力和實(shí)際動(dòng)手操作能力都可以得到很好的鍛煉與提高。學(xué)生的反饋也表明,他們是樂(lè)于接受并認(rèn)同此種學(xué)習(xí)形式的。而學(xué)生在此過(guò)程中呈現(xiàn)出的創(chuàng)新能力和潛力是教師始料不及的,教師若在此時(shí)加以正確引導(dǎo),會(huì)對(duì)學(xué)生的能力培養(yǎng)幫助良多。

      6.2 課外實(shí)習(xí)與實(shí)踐

      通過(guò)“請(qǐng)進(jìn)來(lái)、走出去”的方式,將學(xué)校課堂與社會(huì)課堂結(jié)合起來(lái),邀請(qǐng)相關(guān)企業(yè)工程師到學(xué)校舉辦講座,組織學(xué)生到企業(yè)進(jìn)行參觀見習(xí)、技術(shù)創(chuàng)新等活動(dòng),加強(qiáng)學(xué)生與社會(huì)及將來(lái)就業(yè)單位的聯(lián)系。

      與此同時(shí),促進(jìn)EDA教學(xué)與學(xué)生科技實(shí)踐活動(dòng)的緊密結(jié)合[13]。鼓勵(lì)學(xué)生建立電子愛(ài)好者協(xié)會(huì)等科技小組,合作開發(fā)實(shí)用的電子設(shè)計(jì)項(xiàng)目,開設(shè)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室,為有意于深入鉆研電子技術(shù)的學(xué)生提供實(shí)踐平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)室全天開放,由學(xué)生自己管理,由具備實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的教師進(jìn)行指導(dǎo),開展一系列的課外科技創(chuàng)新活動(dòng),并為電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等活動(dòng)輸送有一定基礎(chǔ)的選手。其中一些優(yōu)秀學(xué)生還可參與科研工作,與指導(dǎo)老師一起完成相關(guān)科研項(xiàng)目任務(wù)。

      另外,結(jié)合國(guó)家和學(xué)校關(guān)于開展大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)、競(jìng)賽等政策,鼓勵(lì)并輔導(dǎo)學(xué)生積極申報(bào)相應(yīng)課題[14],指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究與撰寫論文,使得學(xué)生在本科階段即參與科研工作[15],為隨后踏入社會(huì)或進(jìn)一步深造奠定良好基礎(chǔ)。

      6.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)

      以往的畢業(yè)設(shè)計(jì),在原理性討論和分析上形成的論文多,而能進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證的實(shí)際設(shè)計(jì)偏少,這樣就造成了畢業(yè)設(shè)計(jì)效果不盡理想的問(wèn)題。近幾年,筆者嘗試結(jié)合EDA技術(shù)引入一些基于FPGA的設(shè)計(jì)性課題,將大學(xué)4年來(lái)的專業(yè)知識(shí)串聯(lián)起來(lái),進(jìn)一步提高了學(xué)生的綜合運(yùn)用能力,為他們今后走向社會(huì)作好了較充分的準(zhǔn)備。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),學(xué)生在學(xué)習(xí)“數(shù)字電子技術(shù)”時(shí)期打下的基礎(chǔ)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了很大作用。

      7 教師作用

      “數(shù)字電子技術(shù)”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課,在此次教學(xué)改革中引入了EDA這個(gè)新元素,對(duì)教師本身的能力有著新的、更高的要求。

      教師必須理論知識(shí)和實(shí)際操作“兩手都要硬”。目前,“數(shù)字電子技術(shù)”課程的主講教師均為長(zhǎng)期從事教學(xué)、科研第一線工作的教師,理論功底和實(shí)踐能力都很強(qiáng),每位教師均負(fù)責(zé)所教班級(jí)學(xué)生的理論、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等各教學(xué)環(huán)節(jié),保證了教學(xué)延續(xù)性和教學(xué)質(zhì)量。

      正所謂“為有源頭活水來(lái)”,教師自身必須積極參與EDA相關(guān)的科研活動(dòng),與時(shí)俱進(jìn),更新知識(shí)[5],將科研的理念、思路、內(nèi)容融入教學(xué),將專業(yè)最新、最前沿的技術(shù)介紹給學(xué)生,才能幫助學(xué)生更好地理論聯(lián)系實(shí)際,實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的目的。

      同行之間的交流、學(xué)習(xí)與借鑒,是教學(xué)質(zhì)量提高的源泉。通過(guò)參加教育部電工電子基礎(chǔ)課程教指委的相關(guān)活動(dòng)、選派教師到國(guó)內(nèi)外高校進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)、參加國(guó)家精品課程培訓(xùn)和高級(jí)研修班等方式,與國(guó)內(nèi)外各高校同行保持聯(lián)絡(luò),互相學(xué)習(xí)借鑒,緊跟時(shí)代發(fā)展,拓寬教師視野。

      8 結(jié) 語(yǔ)

      通過(guò)系統(tǒng)方法引入EDA技術(shù)對(duì)“數(shù)字電子技術(shù)”課程進(jìn)行教學(xué)改革,不僅能夠在興趣驅(qū)動(dòng)下充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,使其對(duì)理論知識(shí)的理解更加透徹,還能提高他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,并為其后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事專業(yè)工作奠定了基礎(chǔ),從而促進(jìn)課程教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量的提升。

      參考文獻(xiàn)(References):

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