EDA技術(shù)無縫融合專業(yè)課程教學(xué)探討

金小華

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

EDA技術(shù)無縫融合專業(yè)課程教學(xué)探討

金小華

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

分析當(dāng)前EDA技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀和問題，提出EDA技術(shù)無縫融合在專業(yè)課程教學(xué)全過程的重要性和實(shí)現(xiàn)思路，通過專業(yè)課程教學(xué)案例闡明該教學(xué)方法的細(xì)節(jié)，以面向職業(yè)全方位培養(yǎng)學(xué)生成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)秀人才.

無縫融合；集成；逆向工程；EDA；優(yōu)化

隨著微電子技術(shù)和軟件技術(shù)的快速發(fā)展，電子技術(shù)系列課程內(nèi)容不斷更新，課程體系結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整優(yōu)化.EDA技術(shù)融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，為電子電路設(shè)計(jì)工作者提供了一種全新的設(shè)計(jì)方法[1].掌握EDA技術(shù)有利于提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)新能力，目前在專業(yè)課程的教學(xué)中引入EDA技術(shù)，已成為電子類專業(yè)課程教學(xué)的必然選擇.

1 EDA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前我國高校EDA課程教學(xué)一般采用兩種方法：一是開設(shè)EDA技術(shù)單科課程；二是利用EDA技術(shù)輔助專業(yè)課教學(xué)，通常是做一些驗(yàn)證性的仿真[2].

第一種課程設(shè)置以“PLD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”、“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”或者“EDA”為名稱，其教學(xué)內(nèi)容以“CPLD/ FPGA+VHDL/Verilog HDL+Quartus II/ISE”為主體，教學(xué)條件以“電腦+實(shí)驗(yàn)箱”為工具，教學(xué)方法“以項(xiàng)目為導(dǎo)向”，教學(xué)過程是以實(shí)例為驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)EDA軟件，由于教學(xué)時(shí)間有限，而應(yīng)學(xué)內(nèi)容不僅存在過渡性重復(fù)學(xué)習(xí)，且相關(guān)技術(shù)更新極快，教學(xué)效果淺嘗輒止，難以真正為電子產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù).這種課程設(shè)置為非電專業(yè)選修課時(shí)，一般以“電路仿真軟件+CPLD/FPGA設(shè)計(jì)軟件+PCB設(shè)計(jì)軟件+IC設(shè)計(jì)軟件”為內(nèi)容，進(jìn)行模塊化教學(xué)，目標(biāo)是新設(shè)計(jì)工具入門級介紹，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

第二種課程設(shè)置的目標(biāo)是利用EDA軟件來驗(yàn)證專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容，突顯其工具性，目前的教學(xué)效果隨機(jī)性大，取決于教師本身對軟件的掌握和運(yùn)用程度.

2 EDA技術(shù)無縫融合專業(yè)課程教學(xué)

2.1 EDA技術(shù)課程的服務(wù)導(dǎo)向

應(yīng)用型大學(xué)教育的課程越來越多地使用社會需求直至崗位分析等方法進(jìn)行設(shè)置，專業(yè)課程體系優(yōu)化的依據(jù)，是內(nèi)容職業(yè)化和目標(biāo)能力化[3].例如在“電子中級工”實(shí)訓(xùn)課程里，會通過實(shí)用電路板制作和測試培訓(xùn)學(xué)生電路識圖能力、焊接技能、儀器儀表校準(zhǔn)使用能力、測試數(shù)據(jù)分析和處理能力、繪圖能力等，同等重要的是培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，一般是安全使用工具、儀器儀表的習(xí)慣，事前事后檢查整理的習(xí)慣，更為重要的是訓(xùn)練遇到疑問核查返工的素質(zhì)，如實(shí)記錄不編造數(shù)據(jù)又能剔除粗大誤差的素質(zhì)等職業(yè)顯性素養(yǎng).還有有關(guān)職業(yè)素養(yǎng)的隱形素質(zhì)，比如，工作過程的路徑設(shè)計(jì)、工裝和工藝的創(chuàng)新處理、協(xié)作時(shí)的觀察傾聽溝通、持之以恒的合理變通等人文素養(yǎng).

EDA技術(shù)本身能夠面向PCB設(shè)計(jì)、IC設(shè)計(jì)等崗位，更廣泛地服務(wù)于各專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)理論課和專業(yè)實(shí)踐課，通過虛擬設(shè)計(jì)、虛擬測試、虛擬裝配環(huán)境，訓(xùn)練學(xué)生元器件選擇與測試、電路分析與排故、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與圖表制作、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠性分析等職業(yè)能力，理論與實(shí)踐融會貫通的專業(yè)意識，以及獨(dú)立負(fù)責(zé)又分工合作的職業(yè)精神.

2.2 EDA技術(shù)課程的無縫融合教學(xué)

在西方國家的大學(xué)教學(xué)安排中，會有針對性地提前學(xué)習(xí)工程工具軟件.他們在這方面的探索起步很早，甚至在預(yù)科就已開始，并在其后的課程中不斷加強(qiáng)，這種思路被稱為“無縫集成”(seamlessly integrated)概念[4].無縫集成采用的教學(xué)手段仍然是教學(xué)內(nèi)容模塊化處理，即在相關(guān)章節(jié)補(bǔ)充入軟件仿真部分，以對前述關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行虛擬驗(yàn)證或?qū)嵗O(shè)計(jì)，這對于其教材改版相當(dāng)便利[5-6].然而EDA技術(shù)的快速發(fā)展和功能日趨強(qiáng)大，使得模塊式集成的教學(xué)無法體現(xiàn)出EDA技術(shù)足以完成的職業(yè)訓(xùn)練能力，將EDA技術(shù)新穎思想和完整集成工具充分融合進(jìn)專業(yè)課程教學(xué)各環(huán)節(jié)是更高效更符合工程設(shè)計(jì)理念的方法，稱之為“無縫融合”(seamlessly fusion).首先，是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容之間的有機(jī)聯(lián)系，在傳授知識和訓(xùn)練能力時(shí)預(yù)先實(shí)現(xiàn)融合，目的是盡可能減少學(xué)科間過渡性重復(fù)學(xué)習(xí)，能夠快速傳播知識，構(gòu)筑學(xué)生的轉(zhuǎn)移能力.其次，根據(jù)專業(yè)課程內(nèi)在規(guī)律的類別選擇適當(dāng)?shù)腅DA技術(shù)支持教學(xué).著眼于電子產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)是“電子中級工”、“電子工藝與管理”等實(shí)訓(xùn)類課程和專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐面向職業(yè)需求的基本思想，運(yùn)用EDA技術(shù)融合于這類教學(xué)科目，采用“逆向工程”法以獲取電子產(chǎn)品中隱含的設(shè)計(jì)制造測試構(gòu)思和元素，就更能突顯“無縫”的價(jià)值，因?yàn)榫哂泻戏ɡ碛刹鸾夂湍嫦蚶L圖的能力，也是工程設(shè)計(jì)崗位的互用性需求.

3 EDA技術(shù)無縫融合專業(yè)課程教學(xué)案例

3.1 Multisim仿真融合突顯非線性器件線性化處理類課程

圖1 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程

以“電路分析與實(shí)踐”課程的公開課教學(xué)“電路模型”為例，在理解圖1所示的電子產(chǎn)品和電路模型間關(guān)系后，首先以實(shí)物或照片形式展示簡單電子產(chǎn)品，如圖2所示的自行車用LED電筒.然后通過拆解方式建立其物理模型，即該產(chǎn)品由哪些元器件組成，以何種方式形成電氣線路.再分析完成其功能，元器件及其組成的電路表征為哪些性能參數(shù)，從而搭建其由理想元器件和理想導(dǎo)線構(gòu)成的電路模型，用Multisim軟件繪圖并進(jìn)行仿真測試，如圖3所示.改變電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或元器件參數(shù)觀察電路參數(shù)變化，可以直觀地理解電路理論的兩大約束，并虛擬故障形態(tài)總結(jié)其排查方法.最后通過設(shè)計(jì)3D實(shí)驗(yàn)來嘗試電路設(shè)計(jì)和裝配，形成完整的形象化的工程設(shè)計(jì)過程，見圖4.

因此，教學(xué)過程以電子產(chǎn)品實(shí)物剖析—物理模型建立—電路特性確認(rèn)—電路模型搭建—電路仿真參數(shù)分析—電路調(diào)試和故障排除—電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主線，能夠逐步培養(yǎng)學(xué)生元器件辨識和選擇能力、常用電子測試儀器使用能力、元件和電路的檢測能力、電路分析調(diào)試與故障排除能力、電路綜合設(shè)計(jì)能力等.

圖2 自行車用LED電筒實(shí)物及拆解

圖3 仿真電路測試與排故

圖4 3D仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝配

3.2 Verilog HDL/VHDL設(shè)計(jì)融合突顯邏輯功能類課程

以“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)重點(diǎn)“數(shù)據(jù)選擇器”為例，首先說明該IC在其它學(xué)科或?qū)I(yè)書籍中的不同中文表述、英文名稱及其電路、框圖符號.然后對照國際標(biāo)準(zhǔn)和常用標(biāo)準(zhǔn)電路符號教學(xué)其真值表/功能表，如表1所示.

此時(shí)引入Verilog HDL描述該模塊如下：

表1 四選一數(shù)據(jù)選擇器真值表

利用Verilog HDL對硬件描述的精準(zhǔn)性，將使兩者融為一體.同時(shí)通過比較Verilog HDL與C語言的區(qū)別與聯(lián)系，溫故而知新，并且可以借助C語言開發(fā)環(huán)境的完整性，學(xué)習(xí)快速高效設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的技巧[7].

在Verilog HDL開發(fā)平臺上進(jìn)行波形仿真，有助于學(xué)生理解難點(diǎn)“波形圖/時(shí)序圖”.同時(shí)，改變描述語句導(dǎo)致的波形變化，有助于學(xué)生對邏輯功能的辨識.獨(dú)立完成中小規(guī)模數(shù)字IC的設(shè)計(jì)，可以確立學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心.

3.3 其它案例

1) Proteus仿真融合“單片機(jī)原理及應(yīng)用”等MCU類課程教學(xué)：使用“問題追蹤法”教學(xué)[8]；

2) Matlab/Simulink建模融合“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”和“自動(dòng)控制原理”等系統(tǒng)理論類課程教學(xué)：系統(tǒng)建模和仿真；

3) Altium Designer繪圖融合“電子中級工”和“電子產(chǎn)品工藝與管理”等實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)：工程導(dǎo)向自主型教學(xué)；

4) AutoCAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和Coredraw/Photoshop平面設(shè)計(jì)融合“線路板CAD”課程教學(xué)：根據(jù)電子產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)需要教學(xué).

4 結(jié)語

教育的根本價(jià)值在于育人，EDA技術(shù)作為有力的設(shè)計(jì)工具無縫融合于專業(yè)課程教學(xué)前中后，有利于培養(yǎng)學(xué)生從專業(yè)的角度思考現(xiàn)象和建立模型的意識、辨識問題和分析變化的能力、解決問題和驗(yàn)證結(jié)果的技巧，進(jìn)而成長為電子產(chǎn)品的優(yōu)秀設(shè)計(jì)人才.

[1] 魯娟娟. EDA技術(shù)與電子類專業(yè)課程的融合教學(xué)[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2011(23)：104-105.

[2] 王艷春. EDA技術(shù)融入電子技術(shù)課程的探索[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009(6)：89-101.

[3] 羅大鵬，王勇，倪效勇. 自主式課題教學(xué)法—電子信息工程專業(yè)教學(xué)改革探討[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2012(15)：41-43.

[4] 王濤，黃藝. 整合工程數(shù)學(xué)優(yōu)化信號系統(tǒng)課程群[J]. 南昌教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(1)：64－67.

[5] 潘雙來，胡壽松. 信號、系統(tǒng)與控制課程群建設(shè)[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004(6)：24-33.

[6] 王馨梅，李芳，侯浩錄，等. 以“電路”課程為起點(diǎn)仿真能力三年一貫制培養(yǎng)[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014(1)：7-8.

[7] 鄧文娟，朱兆優(yōu)，王嵩. 探索單片機(jī)教學(xué)改革，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力[J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2010(4)：383-386.

[8] 蔣強(qiáng)，何都益，張小英. “問題追蹤法”培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[J]. 科技信息，2012(24)：61.

(責(zé)任編輯：李 平)

On Teaching the Course of Seamless Fusion with EDA Technology

JIN Xiao-hua
(School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

The paper analyzes the status quo of EDA technology teaching and its problems，highlighting the importance of seamless fusion with EDA technology to the teaching of all the curricula in its major and the practical methods. It elaborates on the teaching details by means of teaching cases in order to cultivate excellent talents in electronic product design.

seamless fusion；integration；reverse engineering；EDA；optimization

G718.5

A

1008-5475(2015)01-0073-04

2014-11-01；

2014-12-04

金小華(1964-)，男，江蘇蘇州人，講師，主要從事數(shù)字通信和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究.