應(yīng)用型本科EDA技術(shù)教學(xué)改革的研究

龐前娟

[摘 要]EDA技術(shù)是高等學(xué)校電子信息類一門應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，但其常見的理論加實(shí)踐的教學(xué)模式存在著弊端。對于應(yīng)用型本科來說，EDA技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)采取多元化的教學(xué)模式，提倡使用硬件核心開發(fā)板的項(xiàng)目教學(xué)法，以提高學(xué)生應(yīng)用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主研發(fā)與創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]EDA技術(shù) 教學(xué)模式 項(xiàng)目教學(xué)法 FPGA

[中圖分類號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）07-0125-02

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）是一種“軟”、“硬”緊密結(jié)合的電子設(shè)計(jì)技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)和EDA軟件為工作平臺(tái)，以硬件描述語言為設(shè)計(jì)語言，以專用集成電路為實(shí)現(xiàn)載體，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子系統(tǒng)和復(fù)雜的電路系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備及數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜度、集成度越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快，要求產(chǎn)品的開發(fā)周期短、開發(fā)成本低、保密性和可擴(kuò)展性好，因此對集成電路的設(shè)計(jì)方法提出了新的要求，同時(shí)也對應(yīng)用型本科的EDA技術(shù)工程教育提出了新的要求。EDA技術(shù)在應(yīng)用型本科教學(xué)中的地位不斷凸顯，但現(xiàn)有的EDA技術(shù)教學(xué)模式缺乏應(yīng)用性、創(chuàng)新性，已經(jīng)無法適應(yīng)應(yīng)用型本科教學(xué)需求。為了提高學(xué)生應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的能力，必須對現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革，這也是應(yīng)用型本科電子信息類專業(yè)課程建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

一、常規(guī)的EDA技術(shù)教學(xué)模式分析

EDA技術(shù)是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是多門專業(yè)課的基礎(chǔ)，在電子類、通信類的本科專業(yè)的教學(xué)中是必開的課程，開課率與課程滲透率很高。

目前EDA技術(shù)課程教學(xué)模式普遍采用課堂教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，課時(shí)分配基本按照《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》開設(shè)，理論課時(shí)52學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)踐課時(shí)12學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)20學(xué)時(shí)，如圖1所示。

課程設(shè)置上，課程教學(xué)與實(shí)訓(xùn)相互獨(dú)立考核，完成課程教學(xué)并考試結(jié)束后才安排課程設(shè)計(jì)類實(shí)訓(xùn)，這樣的課程安排存在明顯的缺陷：（1）重理論輕實(shí)踐，滿足不了EDA技術(shù)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，易造成理論與實(shí)踐脫離。（2）課程的理論教學(xué)與實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)相互獨(dú)立進(jìn)行，沒有互相配合、互相交叉教學(xué)的影響力。課程的課堂教學(xué)手段普遍是用黑板或多媒體講授理論知識(shí)，主要向?qū)W生講解可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)、硬件描述語言、EDA開發(fā)工具與軟件的使用，學(xué)生只是機(jī)械地理解與掌握EDA工具平臺(tái)，運(yùn)用簡單現(xiàn)成的軟件來驗(yàn)證某一個(gè)功能塊，按照EDA工具條來仿真，觀察時(shí)序圖，這樣做毫無創(chuàng)新，僅僅是學(xué)會(huì)軟件的使用手法。因此傳統(tǒng)的EDA教學(xué)模式存在著諸多弊端。第一，理論教學(xué)滿堂灌，學(xué)生被動(dòng)地接收理論，機(jī)械地理解和掌握EDA開發(fā)工具，單調(diào)的理論教學(xué)降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性。第二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的模式，學(xué)生從確定的原理出發(fā)，統(tǒng)一采用相同的實(shí)驗(yàn)步驟、同樣的實(shí)驗(yàn)手段獲得雷同的結(jié)果。第三，盡管設(shè)置了“設(shè)計(jì)性”的課程設(shè)計(jì)，但由于指導(dǎo)老師少、設(shè)計(jì)的題目雷同多、設(shè)計(jì)內(nèi)容陳舊無創(chuàng)新性的原因，往往難以名副其實(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

二、EDA技術(shù)應(yīng)用型本科教學(xué)模式的改革

（一）開展項(xiàng)目教學(xué)法的多元教學(xué)模式

以引導(dǎo)式教學(xué)法為前提，對EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行迭代式的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)，保證教學(xué)內(nèi)容的完整性，提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。具體教學(xué)內(nèi)容以項(xiàng)目的形式分多個(gè)迭代層面展開，如圖2所示。以項(xiàng)目形式將EDA的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合在一起，通過迭代層逐步展開教學(xué)，將EDA技術(shù)課程的脈絡(luò)清晰地展示給學(xué)生。新模式的教學(xué)改革是把理論教學(xué)內(nèi)容融合到與之同步的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，課程內(nèi)容以基礎(chǔ)型、擴(kuò)展型、綜合設(shè)計(jì)型3個(gè)類型的項(xiàng)目展開，內(nèi)容與難度層層推進(jìn)，分層次逐步展開教學(xué)。此類型的項(xiàng)目有“數(shù)字秒表”、“數(shù)字電壓表”、“電子密碼鎖”等多個(gè)應(yīng)用型的項(xiàng)目，根據(jù)教學(xué)課時(shí)設(shè)定項(xiàng)目個(gè)數(shù)，如果本課程為64學(xué)時(shí)時(shí)，可以設(shè)定6個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目平均12學(xué)時(shí)。

項(xiàng)目實(shí)施的過程中軟件與硬件相結(jié)合，避開老師程序分析和講解、演示、學(xué)生驗(yàn)證的弊端。項(xiàng)目教學(xué)法的目的旨在擴(kuò)展學(xué)生的編程技巧和視野，項(xiàng)目實(shí)施過程中充分發(fā)揮啟發(fā)式和探討式的教學(xué)優(yōu)勢，不斷引導(dǎo)與鼓勵(lì)學(xué)生完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并從項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，積累經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)“教學(xué)做”一體化的教學(xué)模式，避免了滿堂灌。

（二）項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施

常規(guī)教學(xué)模式中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是利用EDA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行的，無法看到實(shí)驗(yàn)電路，學(xué)生不清楚內(nèi)部原理，只是驗(yàn)證性的調(diào)試，盡管實(shí)驗(yàn)易成功，實(shí)驗(yàn)結(jié)果方便得出，但學(xué)生無法深刻體會(huì)工程設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念，感受不到自己設(shè)計(jì)出電子“產(chǎn)品”的樂趣。對于應(yīng)用型本科的教學(xué)，本課程實(shí)驗(yàn)適合利用開發(fā)板開展項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生利用開發(fā)板實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目是一個(gè)極為有效的自我學(xué)習(xí)和鍛煉過程。

以硬件核心板為載體，教學(xué)過程中硬件與軟件相結(jié)合，體現(xiàn)“教學(xué)做”一體的高效性。項(xiàng)目開展的過程中，教師指導(dǎo)學(xué)生了解開發(fā)板的芯片類型、電路結(jié)構(gòu)、工作頻率等關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合EDA開發(fā)工具，引導(dǎo)學(xué)生針對項(xiàng)目的要求進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，用例化語句完成頂層設(shè)計(jì)或者利用原理圖和代碼結(jié)合完成頂層設(shè)計(jì)，然后根據(jù)開發(fā)板的功能進(jìn)行管腳設(shè)計(jì)，掌握下載到開發(fā)板的流程，最終達(dá)到設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的目的。以“數(shù)字鐘”項(xiàng)目為例，教師根據(jù)實(shí)際的功能給學(xué)生下達(dá)任務(wù)：（1）數(shù)字鐘的基準(zhǔn)頻率（1HZ）如何從開發(fā)板的工作頻率（50MHZ）分頻而來？（2）數(shù)字鐘的基本功能是什么？（3）數(shù)字鐘如何驅(qū)動(dòng)和顯示？（4）如何在FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能？這樣引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)理清設(shè)計(jì)思路，在老師指導(dǎo)下確定最佳方案。接下來引導(dǎo)學(xué)生通過分頻手段獲取秒脈沖信號(hào)，根據(jù)開發(fā)板顯示電路結(jié)構(gòu)，完成LED動(dòng)態(tài)顯示程序的設(shè)計(jì)等，通過層層遞進(jìn)，使學(xué)生設(shè)計(jì)思路清晰，掌握理論與實(shí)踐相結(jié)合的有效方法。整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中讓學(xué)生獨(dú)立、主動(dòng)地完成項(xiàng)目，強(qiáng)化了學(xué)生的主體作用，弱化了老師的主導(dǎo)作用。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的討論、協(xié)作、實(shí)踐、調(diào)試、制作、最終完成“產(chǎn)品”等一系列過程中，必然大大地提高了學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極探索的精神，學(xué)生獲得榮譽(yù)感與成就感，為他們將來參加各類電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。

（三）EDA技術(shù)實(shí)訓(xùn)擴(kuò)展的改革

通過以上項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施，學(xué)生已經(jīng)掌握了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)技巧，在后續(xù)的EDA技術(shù)課程設(shè)計(jì)與實(shí)訓(xùn)中，就可以進(jìn)行項(xiàng)目擴(kuò)展的設(shè)計(jì)了。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的難度與深度加大些，如頻率計(jì)、交通燈的控制等類型的項(xiàng)目，學(xué)生可兩三人一組，查詢資料，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，進(jìn)行電路系統(tǒng)的功能分析、模塊劃分、代碼編寫、仿真驗(yàn)證和電路系統(tǒng)生成，按照工程項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程來培訓(xùn)。隨著不斷地培訓(xùn)與鍛煉，學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力不斷提升，對學(xué)生課外科技活動(dòng)、學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的前期準(zhǔn)備等有很大的促進(jìn)作用。

三、結(jié)束語

應(yīng)用型本科的EDA技術(shù)通過項(xiàng)目教學(xué)法的改革，一方面將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了有效結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容更生動(dòng)更形象地展示在學(xué)生的面前，通過層次化的項(xiàng)目實(shí)施，學(xué)生加深了理論知識(shí)的理解，提高了學(xué)生的開發(fā)能力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變成了“我要學(xué)”，使EDA技術(shù)的教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。另一方面，學(xué)生利用電腦、軟件系統(tǒng)、硬件開發(fā)板，組成了自己最基本的“實(shí)驗(yàn)室”，雖然設(shè)計(jì)過程是辛苦的，但是卻很有收益，因?yàn)樽允贾两K學(xué)生都看到自己親手設(shè)計(jì)的“產(chǎn)品”，真正明白EDA設(shè)計(jì)究竟是怎么回事，開闊了眼界，了解了更多的專業(yè)知識(shí)與前沿知識(shí)，同時(shí)極大地激發(fā)了學(xué)生的內(nèi)在潛能，培養(yǎng)了學(xué)科研究的基本能力與興趣，適應(yīng)了社會(huì)應(yīng)用型人才的需求。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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

[2] 譚會(huì)生.基于EDA技術(shù)的研究性教學(xué)探討[J].中國電力教育，2012（17）：35-36，40.

[3] 張峰，李艷，陳亮，等.FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及EDA工具[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013（5）：14-18，22.

[4] 林連冬.EDA技術(shù)開放實(shí)驗(yàn)室研究型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（5）：216-218，226.

[5] 張利，高晶敏，楊秀媛.EDA技術(shù)課程教學(xué)模式改革探索[J].中國電力教育，2011（14）：80-81.

[6] 王睿，楊罕，張宗達(dá)，等.EDA技術(shù)在電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2013（8）：20-24.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]