單片機(jī)與EDA綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的探索與實(shí)踐

唐 續(xù)， 趙芳斌， 劉 曦， 蒲曉蓉

(電子科技大學(xué) a.電子工程學(xué)院；b.英才實(shí)驗(yàn)學(xué)院， 四川 成都 611731)

0 引 言

如何提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平和實(shí)踐能力是我校的國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的重要任務(wù)[1-2]。

中心為全校電類專業(yè)(約2 500人/年)開設(shè)了專業(yè)基礎(chǔ)必修課“電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)”，擔(dān)負(fù)著現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)到創(chuàng)新過(guò)程的承上啟下的重要作用[3]。該課程以EDA應(yīng)用[4]和單片機(jī)(MCU)應(yīng)用[5]為技術(shù)核心，要求學(xué)生完成一個(gè)功能完整的電子小系統(tǒng)。該課程經(jīng)前期局部的開放式教學(xué)嘗試[6]，目前開始了大面積的開放模式教學(xué)。在讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，主動(dòng)觀察、思考和發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，獨(dú)立分析和解決問(wèn)題，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新綜合素質(zhì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和奉獻(xiàn)精神[7-10]等方面，取得良好的教學(xué)效果。同時(shí)，面對(duì)如此眾多的學(xué)生，也出現(xiàn)一些新問(wèn)題。

本文討論了在開放教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出“實(shí)驗(yàn)整合”的改革思路和嘗試，與大家共同探討。

1 當(dāng)前開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題

(1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不統(tǒng)一。開放式的綜合實(shí)驗(yàn)課程優(yōu)選了原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。各項(xiàng)目明顯地區(qū)分為EDA 技術(shù)類和單片機(jī)技術(shù)類實(shí)驗(yàn)。并且，兩類實(shí)驗(yàn)并行設(shè)立，學(xué)生只能參與到一類題目及其技術(shù)訓(xùn)練中?；A(chǔ)好的同學(xué)時(shí)有反映對(duì)更豐富訓(xùn)練內(nèi)容的渴求。

表1 綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備不統(tǒng)一。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的用量相當(dāng)大，在實(shí)驗(yàn)開設(shè)中，對(duì)EDA類實(shí)驗(yàn)采用了自制的FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；對(duì)單片機(jī)類實(shí)驗(yàn)采用了外購(gòu)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。而且，受場(chǎng)地限制，分別配置于多個(gè)實(shí)驗(yàn)房間，不能換用。這從空間上限制了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇。學(xué)生只能在相同配置的房間做實(shí)驗(yàn)。常出現(xiàn)某時(shí)段的一類房間空置，而另一類房間容納不下的困境。沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)空間開放。

(3) 教學(xué)資料不統(tǒng)一。分別針對(duì)EDA實(shí)驗(yàn)和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，中心有獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義和豐富的教學(xué)資料。但因二者基于不同的平臺(tái)，不能共用，學(xué)生選課后確定一本講義使用。缺少統(tǒng)一的教材，造成教學(xué)管理等多方面的不規(guī)范。

(4) 教學(xué)方式和評(píng)價(jià)不統(tǒng)一。該實(shí)驗(yàn)課和教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的其他理論課同期開設(shè)。因此，同一學(xué)院的所有學(xué)生將同一時(shí)段來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要開放所有的兩類實(shí)驗(yàn)室來(lái)應(yīng)對(duì)。同時(shí)，為了平衡實(shí)驗(yàn)室工作負(fù)荷及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的工作量，采用行政班方式選課，使得同一學(xué)院的班將被分到兩類實(shí)驗(yàn)中。既使某些學(xué)院學(xué)生對(duì)不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)有所偏重，如機(jī)電學(xué)院學(xué)生偏重單片機(jī)技術(shù)，通信學(xué)院學(xué)生偏重EDA技術(shù)，也只能服從教學(xué)管理的選擇。

其結(jié)果是，學(xué)生不能自主選擇實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)內(nèi)容開放。同時(shí)，由于兩類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完成過(guò)程不同，最終作品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以一致，學(xué)生成績(jī)的公平性時(shí)常受到詬病。

3 實(shí)驗(yàn)整合的改革與實(shí)踐

分析上述問(wèn)題，可以發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)在于缺乏統(tǒng)一。解決之道在于對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各方面進(jìn)行整合。

3.1 整合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提出了更高要求。同時(shí)支持EDA和單片機(jī)類型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有兩種。一種并置兩種核心電路，共用外圍功能模塊[11]。其主要問(wèn)題是，體積大，成本高，且維護(hù)麻煩。另一種則在配置共用外圍功能模塊的同時(shí)，提供不同的可替換式核心板[12]。其主要問(wèn)題是，分離的多個(gè)核心電路板增大了開放實(shí)驗(yàn)室管理的難度。

我們研制了一套可完成EDA和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)布局緊湊、便于維護(hù)且性價(jià)比高。平臺(tái)硬件以Xilinx Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S250E-144為核心，提供多種外圍功能模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)的突出特點(diǎn)在于其軟件系統(tǒng)。除了支持EDA應(yīng)用，還可基于SOPC技術(shù)[13-14]，采用流行的8051單片機(jī)軟核MC8051[15]，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)兼容的8051單片機(jī)。并得益于MC8051的開源特性，對(duì)該軟核進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1) 考慮到學(xué)生從基本原理課程過(guò)渡的適應(yīng)性，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)封裝，如圖2所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)者來(lái)說(shuō)，這時(shí)的FPGA就是一塊具有完整功能的8051單片機(jī)?？膳c平臺(tái)中的各硬件模塊構(gòu)建多種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖2 MC8051封裝

(2) 考慮到學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需對(duì)應(yīng)用代碼反復(fù)修改和調(diào)試，定制了該軟核基于Monitor-51工具[16]的用戶程序在線仿真功能(具體過(guò)程已另文討論)。該功能有效解決了當(dāng)前51單片機(jī)IP核用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，缺乏在線調(diào)試能力的瓶頸問(wèn)題。

各實(shí)驗(yàn)室配置相同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既方便了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理與維護(hù)，更有效緩解了學(xué)生找機(jī)位難和設(shè)備利用率低的矛盾?？烧嬲龑?shí)現(xiàn)時(shí)間和空間的開放。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合

基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的軟硬件系統(tǒng)資源，綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到極大的豐富。如圖3所示，基于所提供的功能電路模塊及單片機(jī)內(nèi)部模塊，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)類的基礎(chǔ)訓(xùn)練及其綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；基于所提供的功能電路模塊及FPGA內(nèi)部邏輯資源，可實(shí)現(xiàn)EDA類的基礎(chǔ)訓(xùn)練及其綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上采用積木式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，靈活組合，循序漸進(jìn)地完成綜合實(shí)驗(yàn)題目。

圖3 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

指導(dǎo)教師不用再受實(shí)驗(yàn)設(shè)備類型的限制來(lái)安排學(xué)生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而可根據(jù)不同專業(yè)方向和學(xué)習(xí)層次的學(xué)生特點(diǎn)，遴選相關(guān)的重點(diǎn)題目進(jìn)行講解，同時(shí)提供備選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由此，可真正體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的開放。

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的整合

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合都是形式上的。必須要配合教學(xué)本身的整合，才能達(dá)到實(shí)質(zhì)的效果。對(duì)此，針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，采用三階段的教學(xué)方式：

(1) 任務(wù)安排與方案分析。該部分為講授，可以利用容納百人的大型階梯教室進(jìn)行整體教學(xué)。

(2) 基礎(chǔ)訓(xùn)練。學(xué)生根據(jù)自選題目的技術(shù)要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的豐富示例，自主開展基本技術(shù)和功能模塊的應(yīng)用訓(xùn)練。教師則輪流值班指導(dǎo)。

(3) 綜合與創(chuàng)新。學(xué)生綜合各功能模塊完成基本任務(wù)，并可從功能擴(kuò)展和多方案實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。教師則根據(jù)公開的難度標(biāo)準(zhǔn)和作品完成量及其效果作評(píng)價(jià)。

整合的教學(xué)方式可極大地提高教學(xué)效率，并為學(xué)生的設(shè)計(jì)作品提供更大的發(fā)揮空間。同時(shí)，學(xué)生難再找到作品雷同的借口，從而約束更多的學(xué)生真正投入到實(shí)驗(yàn)課的過(guò)程中去，也為指導(dǎo)教師做出有效、客觀和統(tǒng)一公正的評(píng)價(jià)提供了技術(shù)保障。

3.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料的整合

在上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式下，學(xué)生有了更加開闊的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，同時(shí)也要求更多的知識(shí)點(diǎn)，特別是關(guān)于兩類實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能的掌握。為此，整合本課程的兩本實(shí)驗(yàn)講義，撰寫了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并已立項(xiàng)本?！笆逡?guī)劃教材”建設(shè)進(jìn)行完善。其中包括三個(gè)層次的內(nèi)容：

(1) 基礎(chǔ)原理層。包括為完成EDA實(shí)驗(yàn)和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)所必備和最常用基礎(chǔ)知識(shí)，供學(xué)生自學(xué)查閱。

(2) 應(yīng)用實(shí)踐層。包括在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成EDA實(shí)驗(yàn)和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和仿真工具介紹，并給出兩種技術(shù)各自驅(qū)動(dòng)各功能模塊的范例供學(xué)生模仿學(xué)習(xí)。

(3) 綜合設(shè)計(jì)層。包括對(duì)典型綜合實(shí)驗(yàn)題目的方案對(duì)比和關(guān)鍵技術(shù)分析，并給出多個(gè)練習(xí)題目。

學(xué)生可以獨(dú)立自主和由淺入深地參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，既在基礎(chǔ)問(wèn)題上有所憑借，又在發(fā)揮問(wèn)題上有所引導(dǎo)，增強(qiáng)了過(guò)程中的自信心和完成后的成就感，真正達(dá)到實(shí)踐能力鍛煉的目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的大規(guī)模開放性教學(xué)在國(guó)內(nèi)尚屬少有。面對(duì)多方面的新問(wèn)題，根據(jù)本校實(shí)際，提出整合EDA和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)思路和實(shí)施手段。該教學(xué)改革已對(duì)英才實(shí)驗(yàn)學(xué)院學(xué)生進(jìn)行了一學(xué)期的實(shí)踐，獲得了良好的效果。希望能對(duì)高校同行有所參考。

[1] 李 穎, 習(xí)友寶. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行機(jī)制與管理模式的探索與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2009, 28(4): 88-90.

LI Yin, XI You-bao. Exploration and Practice on the Operational and Managerial Mode of Experimental Center[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2009, 28(4): 88-90.

[2] 余 魅, 習(xí)友寶. 建設(shè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2006, 23(12): 10-11.

YU Mei, XI You-bao. Constructing a National Representative Center of Laboratory Education, and Building a Platform for Training Creative Students[J]. Experimental Technology and Management, 2006, 23(12): 10-11.

[3] 陳學(xué)英. 電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2011, 9(2): 127-130.

CHENG Xue-ying. Teaching Methods Research and Practice on Electronic Technique Comprehensive Experiments[J]. Experiment Science and Technology, 2011, 9(2): 127-130.

[4] 張江印. 高校單片機(jī)教學(xué)模式的研究[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011, 30(9): 103-106.

ZHANG Jiang-yin. Research of MicroController Unit Teaching Model in University. Research and Exploration in Laboratory[J], 2011, 30(9): 103-106.

[5] 劉婭琴,林 霖. EDA課程教學(xué)探索和實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(4): 34-35.

LIU Ya-qin, LIN Lin. Research and Practice of EDA Course Teaching[J]. Journal of Electrical & Electronic Education, 2010, 32(4): 34-35.

[6] 唐 續(xù). 現(xiàn)代電子技術(shù)開放式綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2007, 24(9): 35-39.

TANG Xu. Practice Of Open Comprehensive Experimental Teaching Using Modern Electronic Technology[J]. Experimental Technology and Management, 2007, 24(9): 35-39.

[7] 陳 林, 楊 健, 陽(yáng) 浩. 電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012, 31(1): 149-152.

CHEN Lin, YANG Jian, YANG Hao. Comprehensive Designing Experiment Project of Electronic Technology[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012, 31(1): 149-152.

[8] 張 波, 貫會(huì)明. 開放性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建中的作用[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2010, 29(9):135-137．

ZHANG Bo, GUAN Hui-ming. Role of Open Experiment in Building the Experiment Teaching System[J], Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(9):135-137．

[9] 耿 新, 陳心浩, 姜臣林. 開放性實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)踐與探索[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011, 30(12): 150-152．

GENG Xin, CHEN Xin-hao, JIANG Chen-lin. Practice and Exploration of Construction of an Open Laboratory[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011, 30(12): 150-152．

[10] 皮之軍, 李建海, 于 敏, 等. 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2010, 27(5): 27-29.

PI Zi-jun, LI Jian-hai, YU Min, etc. Study and exploration of the mode of open experiment teaching[J]. Experimental Technology and Management, 2010, 27(5): 27-29.

[11] 劉延飛, 李 琪, 郭鎖利, 等. 開發(fā)EDA綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提高學(xué)生工程創(chuàng)新能力[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 26(8): 63-64,79.

LIU Yan-fei, LI Qi, GUO Suo-li, etc. Developing EDA Integrated Experimental Platform and Cultivating Students’ Ability on Engineering Education[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2007, 26(8): 63-64,79.

[12] 孫 旭, 謝興紅, 林凡強(qiáng), 等. 單片機(jī)、DSP、EDA的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2008,6(6): 55-57.

SUN Xu, XIE Xing-hong, LIN Fan-qiang, etc. Integrated Experimental Device Design Based on MCU、DSP and EDA[J]. Experiment Science and Technology, 2008,6(6): 55-57.

[13] 何志敏. SOPC課程教學(xué)研究與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2011, 9(5): 245-246, 265.

HE Zhi-min. Teaching Research and Practice for SOPC[J]. Experiment Science and Technology, 2011, 9(5): 245-246, 265.

[14] 韋思健, 張 馳, 韓文龍, 等. 最新的SOPC技術(shù)與EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2006, 23(1): 113-115.

WEI Si-jian, ZHANG Chi, HAN Wen-long, etc. The System Design Bases on SOPC and its Application in EDA Experiment Education[J]. Experimental Technology and Management, 2006, 23(1): 113-115.

[15] 王 瑞, 游志宇, 杜 楊, 等．MC8051 單片機(jī) IP 核的 FPGA 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2009, 17(1): 57-60.

WANG Rui, YIU Zhi-yu, DU Yang, etc. FPGA implementation and application of MC8051 MCU UP core[J]. Electronic Design Engineering, 2009, 17(1): 57-60.

[16] 尹 勇. μVision2 單片機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)指南[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.3, 300-306.