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)用重點實驗室，天津 300384)

0　引　言

電子設(shè)計自動化(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重要分支，可通過自己的電路設(shè)計來定制芯片內(nèi)部的電路功能，使之成為設(shè)計者自己的專用集成電路，成本低、使用靈活、設(shè)計周期短、可靠性高、風(fēng)險小，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)豐富的硬件描述語言，再配之以合適的基于FPGA的實驗設(shè)備，從而進(jìn)行設(shè)計的數(shù)字電子系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功耗小、速度快等優(yōu)點，使得這種方式現(xiàn)已成為電子設(shè)計領(lǐng)域的主流。

1　運用系統(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，重點在于數(shù)字電路的分析、設(shè)計及運用[3-4]。在教學(xué)實踐中使用系統(tǒng)方法，強調(diào)從系統(tǒng)級的高度來審視數(shù)字電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)地位，把控知識體系和系統(tǒng)的全局性，注重每個知識點在系統(tǒng)中的位置，形成“先整體后局部，從模型到對象，重要點輕細(xì)節(jié)”的教學(xué)體系，重點突出、層次分明。而在此過程中，EDA軟件就可以發(fā)揮重要的作用。

在教學(xué)實踐中，選擇了共75人的兩個自然班作為實驗班，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)計思想真正融合到各個教學(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)實踐中的體會談?wù)勅绾芜\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)生則是知識灌輸?shù)膶ο?，發(fā)揮學(xué)生主動性與積極性的機會不多，更談不上對其工程能力、實踐能力的培養(yǎng)，與目前提倡的工程教育的側(cè)重點不相適應(yīng)，教學(xué)效果不理想。有鑒于此，我們將數(shù)字電子技術(shù)課程實行小班授課，圍繞如何設(shè)計數(shù)字電子系統(tǒng)的目標(biāo)，將知識點按照“先整體后局部，從模型到對象，重要點輕細(xì)節(jié)”的方式，自上而下逐級分解，同時補充EDA方面的知識，利用EDA軟件搭建一些實際電路并將其與數(shù)字電子知識系統(tǒng)中的教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，在課堂教學(xué)中融入研究元素與工程元素，強調(diào)學(xué)生的參與，使之更貼近工程實際情況，有利于培養(yǎng)學(xué)生對科學(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言時，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，例如：暫態(tài)、同步與異步、競爭冒險等問題，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演示一些來自現(xiàn)實生活中的實例，使得教師的課堂講授更趨立體、豐滿和生動，與實際科技更緊密相聯(lián)，課程的知識結(jié)構(gòu)和體系更趨合理，也更能體現(xiàn)出現(xiàn)代科技對課堂教學(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具體芯片的使用上，有些得不償失。而學(xué)習(xí)的一個有效手段就是比較，用已經(jīng)掌握的知識去認(rèn)識不熟悉的內(nèi)容，當(dāng)然二者之間是存在內(nèi)在聯(lián)系的。故在教學(xué)中重點講述幾個典型芯片，余下的留給學(xué)生采取比較法自學(xué)。另外，按“重要點輕細(xì)節(jié)”的要求，在課堂上不做復(fù)雜深奧的理論講解，如講到計數(shù)器等一定規(guī)模的集成電路時，不過多關(guān)注其內(nèi)部構(gòu)造，而是利用EDA軟件演示出來。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，盡可能運用EDA技術(shù)搭建一些實際的電路例子進(jìn)行講解，例如555定時器，可利用其構(gòu)造門鈴等實際電路。使學(xué)生明白理論課上學(xué)到的知識不再是枯燥抽象的電路，而是可用于真正能在實際生活中看到的、用到的產(chǎn)品之中，從而加強與工程實際的聯(lián)系。

2.3　PLD與VHDL

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

3　EDA與實踐教學(xué)相結(jié)合

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

(1) 修訂實驗教學(xué)文件。將原來單獨設(shè)課的實驗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，提高實踐學(xué)時比重：將原大綱中的共24學(xué)時的實踐教學(xué)擴充為現(xiàn)在的32學(xué)時，同時提高綜合設(shè)計性EDA實驗所占比例。

另外，針對我校實際情況，以系統(tǒng)方法為指導(dǎo)，編寫了一本簡單實用的實驗教程，增添了QuartusII的應(yīng)用方法、VHDL硬件描述語言、FPGA實驗系統(tǒng)的介紹，并適當(dāng)加大提高拓展型實驗、綜合應(yīng)用型實驗和創(chuàng)新型實驗等的比例供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)與實踐。

(2) 加強實驗室建設(shè)[12]。實驗室是實踐教學(xué)及科研活動的承載者，除了打造開放實驗室、為學(xué)生提供良好的實踐教學(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)生外借單片機實驗板、PLD實驗?zāi)K，這樣學(xué)生可以不受時空限制，不僅能在自己的電腦上通過下載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)實驗與理論教學(xué)[11]。實驗與理論教學(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)理論及實驗課程的內(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實驗系統(tǒng)的使用等)時將課堂搬到實驗室進(jìn)行，讓學(xué)生實際接觸并應(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也鍛煉了學(xué)生的動手能力。

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

圖1設(shè)計流程圖

4　網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

為擴展師生之間交流的空間，借鑒目前國內(nèi)外開放課程建設(shè)的優(yōu)秀經(jīng)驗，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。課程組在該平臺上設(shè)置了“課程介紹”“電子教案”“視頻錄像”“在線測試”“例題解析”“下載空間”“師生論壇”“在線答疑”等多個欄目。發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不受時空限制的優(yōu)勢，在內(nèi)容的組織和編排上保證重點突出、層次分明，便于學(xué)生在碎片化時間里進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外，該平臺與國內(nèi)外著名的EDA開發(fā)網(wǎng)站相鏈接，幫助學(xué)生與時俱進(jìn)地了解EDA技術(shù)的最新動態(tài)發(fā)展。

5　考核方式

成績考核是檢驗教學(xué)質(zhì)量的重要手段，對學(xué)生培養(yǎng)效果的評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)生的動手操作與實踐等方面作為考核的一個重要方面。

結(jié)合我校數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)、實驗教學(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。在實驗考核部分,教師記錄平時實驗期間學(xué)生的表現(xiàn)并結(jié)合實驗報告給出平時成績；最后一次實驗提供幾個綜合性的題目，學(xué)生抽簽得到筆試和操作考題，一人一題，要求在規(guī)定時間內(nèi)完成，再根據(jù)學(xué)生的實際操作、測試結(jié)果和問題答辯等給出評價。

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

數(shù)字電子技術(shù)課程結(jié)束后的課程設(shè)計作為教學(xué)中重要的實踐環(huán)節(jié)，一般是要求學(xué)生完成一個小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)，可謂系統(tǒng)方法的典型體現(xiàn)。在本課程設(shè)計中，要求學(xué)生將數(shù)字電子技術(shù)課程中所學(xué)的組合及時序邏輯電路、甚至模擬電子技術(shù)中相關(guān)的系列知識應(yīng)用于實際系統(tǒng)設(shè)計。目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用可編程器件、EDA開發(fā)系統(tǒng)軟件、硬件描述語言等各方面知識與實踐技能，掌握數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，能獨立地解決實際問題，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,具體實施過程見圖2。

圖2課程設(shè)計流程

課程設(shè)計工作需學(xué)生獨立完成，教師會參與各個階段并提供指導(dǎo)，但僅起輔助作用。在設(shè)計題目的選擇上，提倡在教師協(xié)助下，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性通過先期調(diào)研后自擬確定，一般要求與近幾年課程設(shè)計題目不重復(fù)。學(xué)生經(jīng)歷了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的全過程，其對理論知識的理解能力和實際動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，他們是樂于接受并認(rèn)同此種學(xué)習(xí)形式的。而學(xué)生在此過程中呈現(xiàn)出的創(chuàng)新能力和潛力是教師始料不及的，教師若在此時加以正確引導(dǎo)，會對學(xué)生的能力培養(yǎng)幫助良多。

6.2　課外實習(xí)與實踐

通過“請進(jìn)來、走出去”的方式，將學(xué)校課堂與社會課堂結(jié)合起來，邀請相關(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，加強學(xué)生與社會及將來就業(yè)單位的聯(lián)系。

與此同時，促進(jìn)EDA教學(xué)與學(xué)生科技實踐活動的緊密結(jié)合[13]。鼓勵學(xué)生建立電子愛好者協(xié)會等科技小組，合作開發(fā)實用的電子設(shè)計項目，開設(shè)學(xué)生創(chuàng)新實驗室，為有意于深入鉆研電子技術(shù)的學(xué)生提供實踐平臺。該實驗室全天開放，由學(xué)生自己管理，由具備實際工程經(jīng)驗的教師進(jìn)行指導(dǎo)，開展一系列的課外科技創(chuàng)新活動，并為電子設(shè)計競賽等活動輸送有一定基礎(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)科研項目任務(wù)。

另外，結(jié)合國家和學(xué)校關(guān)于開展大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目以及學(xué)生科技創(chuàng)新活動、競賽等政策，鼓勵并輔導(dǎo)學(xué)生積極申報相應(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]，為隨后踏入社會或進(jìn)一步深造奠定良好基礎(chǔ)。

6.3　畢業(yè)設(shè)計

以往的畢業(yè)設(shè)計，在原理性討論和分析上形成的論文多，而能進(jìn)行調(diào)試和驗證的實際設(shè)計偏少，這樣就造成了畢業(yè)設(shè)計效果不盡理想的問題。近幾年，筆者嘗試結(jié)合EDA技術(shù)引入一些基于FPGA的設(shè)計性課題，將大學(xué)4年來的專業(yè)知識串聯(lián)起來，進(jìn)一步提高了學(xué)生的綜合運用能力，為他們今后走向社會作好了較充分的準(zhǔn)備。通過實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)“數(shù)字電子技術(shù)”時期打下的基礎(chǔ)在畢業(yè)設(shè)計中發(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這個新元素，對教師本身的能力有著新的、更高的要求。

教師必須理論知識和實際操作“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期從事教學(xué)、科研第一線工作的教師，理論功底和實踐能力都很強，每位教師均負(fù)責(zé)所教班級學(xué)生的理論、實驗、課程設(shè)計等各教學(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”，教師自身必須積極參與EDA相關(guān)的科研活動，與時俱進(jìn)，更新知識[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)系實際，實現(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。通過參加教育部電工電子基礎(chǔ)課程教指委的相關(guān)活動、選派教師到國內(nèi)外高校進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)、參加國家精品課程培訓(xùn)和高級研修班等方式，與國內(nèi)外各高校同行保持聯(lián)絡(luò)，互相學(xué)習(xí)借鑒，緊跟時代發(fā)展，拓寬教師視野。

8　結(jié)　語

通過系統(tǒng)方法引入EDA技術(shù)對“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)動下充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，使其對理論知識的理解更加透徹，還能提高他們的實踐能力和創(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。

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