“電子設(shè)計自動化”課程教學方法探討

摘要：闡述了“電子設(shè)計自動化”課程的重要性，重點分析了該課程的教學特點；并以此為依據(jù)，探討了從課程引入、理論教學方法改革、硬件思維貫穿、實踐教學改革等四種針對“電子設(shè)計自動化”課程的教學方法，這些教學方法在教學過程中收到了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計自動化；課程特點；教學方法

作者簡介：董素鴿（1983-），女，河南葉縣人，鄭州大學西亞斯國際學院電子信息工程學院，助教；李華（1972-），男，河南鄭州人，鄭州大學西亞斯國際學院電子信息工程學院，助教。（河南鄭州451150）

中圖分類號：G642.41#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）11-0046-02

電子設(shè)計自動化（EDA：Electronic Design automation）是將計算機技術(shù)應(yīng)用于電子設(shè)計過程中而形成的一門新技術(shù)，[1]它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計和仿真、集成電路的版圖設(shè)計、印刷電路板（PCB）的設(shè)計和可編程器件的編程等各項工作中。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)及電子信息工業(yè)的不斷發(fā)展，電子設(shè)計自動化技術(shù)在信息行業(yè)中的應(yīng)用范圍越來越廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域也涉及產(chǎn)業(yè)鏈中的幾乎任何一個環(huán)節(jié)。一方面是社會上對電子設(shè)計自動化人才的急需，另一方面是我國高校中電子設(shè)計自動化人才培養(yǎng)的落后，兩者之間的矛盾也促使眾多的高校開始在電子信息、微電子技術(shù)等專業(yè)中開設(shè)“電子設(shè)計自動化”課程。如今，該課程已成為眾多信息類學科的專業(yè)必修課，這為我國電子設(shè)計自動化人才的培養(yǎng)和充實做出了巨大的貢獻。

“電子設(shè)計自動化”課程教學效果直接影響著人才培養(yǎng)的質(zhì)量，因此，優(yōu)秀的教學方法和教學質(zhì)量是教學過程中必須重視的。筆者根據(jù)近幾年的教學經(jīng)歷，總結(jié)經(jīng)驗，開拓創(chuàng)新，形成了一套特有的教學方法，旨在培養(yǎng)出基礎(chǔ)牢、思路清、知識廣、能力強的電子設(shè)計自動化人才。

一、“電子設(shè)計自動化”課程教學的特點

電子設(shè)計自動化是一個較為寬泛的概念，它涵蓋了電路設(shè)計、電路測試與驗證、版圖設(shè)計、PCB板開發(fā)等各個不同的應(yīng)用范圍。而當前“電子設(shè)計自動化”課程設(shè)置多數(shù)側(cè)重電路設(shè)計部分，即采用硬件描述語言設(shè)計數(shù)字電路。因此，該課程的教學具非常突出的特點。

1.既要有廣度，又要有深度

有廣度即在教學過程中需要把電子設(shè)計自動化所包含的各個不同的應(yīng)用環(huán)節(jié)都要讓學生了解，從而使學生從整個產(chǎn)業(yè)鏈的角度出發(fā)，把握電子設(shè)計自動化的真正含義，以便于他們建立起一個全局概念。有深度即在教學過程中緊抓電路設(shè)計這個重點，著重講解如何使用硬件描述語言設(shè)計硬件電路，使學生具備電路設(shè)計的具體技能，并能夠應(yīng)用于實踐和工作當中。

2.突出硬件電路設(shè)計的概念

在眾多高校開設(shè)的“電子設(shè)計自動化”課程中，多數(shù)是以硬件描述語言VHDL作為學習重點的。而VHDL語言是一門比較特殊的語言，與C語言、匯編語言等存在很大的不同。因此，在教學過程中首先要讓學生明白這門語言與前期所學的其他語言的區(qū)別，并通過實例，如CPU的設(shè)計及制造過程，讓學生明白VHDL等硬件描述語言的真正用途，并將硬件電路設(shè)計的概念貫穿整個教學過程。

3.理論與實踐并重

“電子設(shè)計自動化”是一門理論性與實踐性都很強的課程，必須兩者并重，才能收到良好的教學效果。在理論學習中要突顯語法要點和電路設(shè)計思想，[2]并通過實踐將這些語法與設(shè)計思想得以加強和鞏固，同時在實踐中鍛煉學生的創(chuàng)新能力。

二、“電子設(shè)計自動化”課程教學方法總結(jié)

良好的教學方法能起到事半功倍的效果。因此，針對“電子設(shè)計自動化”課程的教學特點，筆者根據(jù)近幾年的教學經(jīng)驗總結(jié)了一些行之有效的教學方法。

1.以生動的形式帶領(lǐng)學生進入電子設(shè)計自動化的世界

電子設(shè)計自動化對學生來說是一個全新的概念。如何讓他們能夠快速地進入到這個世界中，并了解這個世界的大概，從而對這個領(lǐng)域產(chǎn)生興趣，是每個老師在這門課授課之前必須要做的一件事情。教師可以采用一些現(xiàn)代化的多媒體授課技術(shù)，讓學生更直觀地了解電子設(shè)計自動化。由于電子設(shè)計自動化是一個很抽象的概念，因此，可以通過播放視頻、圖片等一些比較直觀的內(nèi)容來讓學生了解這個領(lǐng)域。從學生最熟悉的電腦CPU引入，通過一段“CPU從設(shè)計到制造過程”的視頻，讓學生了解集成電路設(shè)計與制造的流程與方法，并引出集成電路這個概念。

通過早期的集成電路與現(xiàn)在的集成電路的圖片對比，引出EDA的概念，并詳細講解EDA對于集成電路行業(yè)的發(fā)展所作的巨大貢獻。在教學過程中，通過向?qū)W生介紹一些使用EDA技術(shù)實現(xiàn)的當前比較主流的產(chǎn)品及其應(yīng)用，提高學生對EDA的具體認識。這些方法不僅使學生對EDA相關(guān)的產(chǎn)業(yè)有了相應(yīng)的了解，更激發(fā)了學生的學習興趣，使學生能夠踴躍地投入到“電子設(shè)計自動化”的學習中。

2.以實例展開理論教學

“電子設(shè)計自動化”的學習內(nèi)容包含三大部分：[3]硬件描述語言（以VHDL語言為學習對象）、開發(fā)軟件（以QUARTUS II為學習對象）和實驗用開發(fā)板（以FPGA開發(fā)板為學習對象）。

硬件描述語言的學習屬于理論學習部分，是重中之重。對于一門編程語言的學習來說，語法和編程思想是學習要點。在傳統(tǒng)的編程語言學習的過程中，通常都是將語法作為主線，結(jié)合語法實例逐漸形成編程思想。這種學習方法會使學生陷入到學編程語言就是學習語法的誤區(qū)中，不僅不能學到精髓，還會因為枯燥乏味而產(chǎn)生厭倦感。

如何能使學生既能掌握電路設(shè)計的方法，又輕松掌握語法規(guī)則是一個教學難題。筆者改變傳統(tǒng)觀念，將編程思想的學習作為教學主線，在理論學習過程中，以具體電路實例為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學生從分析電路的功能入手，熟悉將電路功能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的程序語句的過程，并掌握如何將這些語句按照規(guī)則組織成一個完整無誤的程序。在此過程中，不斷引入新的語法規(guī)則。由于整個過程中學生的思考重點都放在電路功能的實現(xiàn)上，而語法的學習就顯得不那么突兀，也不會產(chǎn)生厭倦感。由于語法時刻都需要用到且容易忘記，因此在后期的實例講解過程中需要不斷地鞏固之前所學過的語法現(xiàn)象，以避免學生遺忘，以此讓學生明白，學習編程語言的真正目的是為了應(yīng)用于電路設(shè)計。通過一些實踐，學生體會到語言學習的成就感，進一步提高了學習興趣，此方法收到了良好的教學效果。

3.將硬件電路設(shè)計的概念貫穿始終

硬件描述語言與軟件語言有本質(zhì)區(qū)別。很多學生由于不了解硬件描述語言的特點，在學習過程中很容易將之前所學的C語言等軟件編程語言的思維慣性的應(yīng)用于VHDL語言的學習過程中，這對于掌握硬件電路設(shè)計的實質(zhì)有非常大的阻礙。因此，在教學過程中，從最初引入到最后設(shè)計電路，都要始終將硬件電路設(shè)計的概念和思維方式貫穿其中。

在講述應(yīng)用實例時，需要向?qū)W生分析該例中的語句和硬件電路的關(guān)系，并強調(diào)這些語句與軟件語言的區(qū)別。以if語句為例，在VHDL語言中，if語句的不同應(yīng)用可以產(chǎn)生不同的電路結(jié)構(gòu)。完整的if語句產(chǎn)生純組合電路，不完整的if語句將產(chǎn)生時序電路，如果應(yīng)用不當，會在電路中引入不必要的存儲單元，增加電路模塊，耗費資源。[4]而對于軟件語言，并沒有完整if語句與不完整if語句之分。為了讓學生更深刻地理解不同的if語句對應(yīng)的硬件電路結(jié)構(gòu)特性，可以通過一個小實例綜合之后的電路結(jié)構(gòu)圖來說明。

如以下兩個程序：

（1）entity muxab is

port（a，b：in bit；

y：out bit）；

end；

architecture behave of muxab is

begin

process（a，b）

begin

if a>b then y<='1'；

elsif a

end if；

end process；

end；

（2）entity muxab is

port（a，b：in bit；

y：out bit）；

end；

architecture behave of muxab is

begin

process（a，b）

begin

if a>b then y<='1'；

else y<='0'；

end if；

end process；

end；

（1）（2）兩個程序唯一的不同點在于：程序（1）中使用的是elsif語句，是一個不完整的if語句描述，而程序（2）使用的是else語句，是一個完整的if語句描述。這一條語句的區(qū)別卻決定了兩個程序的電路結(jié)構(gòu)有很大的不同。（1）綜合的結(jié)果是一個時序電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示。而（2）綜合的結(jié)果是一個純組合電路，電路結(jié)構(gòu)非常簡單，如圖2所示。通過綜合后的電路圖比較，學生更深刻理解這兩類語句的區(qū)別。

強化硬件電路設(shè)計的思想，可以促使學生逐漸形成一種規(guī)范、高效、資源節(jié)約的設(shè)計風格，培養(yǎng)一個優(yōu)秀的硬件電路設(shè)計工程師。

4.通過實踐拓展強化學生動手能力

“電子設(shè)計自動化”是一門實用性很強的課程，學生在學完該課程后必須具備一定的硬件電路設(shè)計和調(diào)試的能力，因此在教學中需要不斷地用實踐訓(xùn)練來強化學生在課堂所學習的理論知識，并使他們達到能夠獨立設(shè)計較復(fù)雜硬件電路的能力。

筆者在教學過程中鼓勵學生將課程實踐和畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容相結(jié)合的方法，讓學生強化實踐能力，收到了良好的效果。學習“電子設(shè)計自動化”課程的學生基本上都是即將進入大四，此時他們的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)開始進入選題，開始了初步設(shè)計的過程。筆者先在實驗課堂向?qū)W生布置一些常用硬件電路設(shè)計的題目，比如交通燈、自動售貨機、電梯控制器等，讓學生體會電子設(shè)計自動化課程的實用性，激發(fā)他們的思考和學習興趣。在此基礎(chǔ)上分組組建實踐小團隊，讓每組學生共同完成一個較復(fù)雜的電路系統(tǒng)，比如遙控小車、溫度測控系統(tǒng)等，鼓勵他們將所做的內(nèi)容與畢業(yè)設(shè)計對接。其中大部分同學通過這些訓(xùn)練都可以掌握硬件電路設(shè)計的基本方法和流程，有一部分同學還能設(shè)計出比較出色的作品。此過程不僅讓學生體會到了學習知識的快樂，也培養(yǎng)了他們的團隊協(xié)作精神，為他們以后的繼續(xù)深造和工作做了鋪墊。

三、結(jié)束語

掌握“電子設(shè)計自動化”課程的特點，有針對性地改善教學方法，充分調(diào)動學生的學習積極性，強化理論和實踐教學相結(jié)合，一方面使學生把握課程的全局性，了解和熟悉電子設(shè)計自動化行業(yè)的狀況和最新動態(tài)；另一方面培養(yǎng)學生具有扎實的理論基礎(chǔ)和良好的動手能力，培養(yǎng)出厚基礎(chǔ)、重實踐、有創(chuàng)新的高素質(zhì)人才，具有重要的社會意義。

參考文獻：

[1]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL(第二版)[M].北京:清華大學出版社，2007.

[2]Roth，C.H.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與VHDL[M].金明錄，劉倩，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3]陳立靜.EDA技術(shù)在數(shù)字電路教學中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2009，(3):83-84.

[4]曹瑞.EDA技術(shù)與CPLD/FPGA開發(fā)應(yīng)用簡明教程[M].北京:清華大學出版社，2007.

（責任編輯：宋秀麗）