《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

張 瑾，孫芹芝

（1.大連大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622 2.大連大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息中心，遼寧 大連 116622）

0 引言

EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子信息工程領(lǐng)域中一門(mén)發(fā)展迅速的新技術(shù)，它融合了應(yīng)用電子技術(shù)、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科最新成果 ，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的主要技術(shù)手段[1]。開(kāi)設(shè)《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力、創(chuàng)新精神以及獨(dú)立解決問(wèn)題的工程實(shí)踐能力。以往我們特別強(qiáng)調(diào)以知識(shí)為本位，教師在課堂上按照大綱，順序地講授各種編程語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)、語(yǔ)法，然后在實(shí)驗(yàn)上機(jī)課中進(jìn)行驗(yàn)證和編程設(shè)計(jì)，這種理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相分離的格局很難形成學(xué)生的綜合技能，也難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、參與性與協(xié)作性[2]，為此近幾年開(kāi)展了項(xiàng)目教學(xué)的嘗試，取得了很好的效果。

1 教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目教學(xué)法是充分應(yīng)用課堂理論知識(shí)解決生活中、工程中的實(shí)際問(wèn)題，并且通過(guò)解決項(xiàng)目加深對(duì)理論知識(shí)的理解，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力目的的全新教學(xué)模式，與著名教育家陶行知先生所提倡的“在學(xué)中做，在做中學(xué)”的教育理念一致[3]。這種教學(xué)方法更適用于《EDA技術(shù)及應(yīng)用》之類應(yīng)用性比較強(qiáng)的課程。

1.1 項(xiàng)目選擇原則

項(xiàng)目的確定是“項(xiàng)目教學(xué)法”成功的關(guān)鍵。項(xiàng)目的選擇要在教學(xué)目標(biāo)指導(dǎo)下，綜合考慮項(xiàng)目的設(shè)置、各項(xiàng)目間的聯(lián)系和層次遞進(jìn)。以大綱中的知識(shí)點(diǎn)為依據(jù)，既要與書(shū)本的知識(shí)緊密結(jié)合，又要能夠展現(xiàn)項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性，同時(shí)給學(xué)生留有發(fā)揮和創(chuàng)新的空間。具體地，項(xiàng)目選擇應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：

（1）緊密配合教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)。項(xiàng)目實(shí)例是為教學(xué)服務(wù)的，因此選取的項(xiàng)目必須和教學(xué)內(nèi)容相吻合，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法、手段基本是教學(xué)內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用。

（2）具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值[4]。項(xiàng)目不但為掌握EDA技術(shù)理論和設(shè)計(jì)方法服務(wù)，還應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電子系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)的理解。項(xiàng)目應(yīng)是工程應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題或者電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的典型環(huán)節(jié)。

（3）規(guī)模適中。項(xiàng)目規(guī)模太大將花費(fèi)過(guò)多學(xué)時(shí)，項(xiàng)目規(guī)模太小則難以體現(xiàn)課程的實(shí)踐性。

（4）難度適中。項(xiàng)目難度既要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，又不能打擊學(xué)生的自信心。

（5）趣味性。選擇項(xiàng)目時(shí)應(yīng)考慮其趣味性和實(shí)用性，讓學(xué)生有熱情有動(dòng)力投入項(xiàng)目中。

1.2 項(xiàng)目選取與設(shè)計(jì)方案

EDA技術(shù)旨在使過(guò)去中小規(guī)模數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)得以在集成度更高、體積更小的超大規(guī)?？删幊唐骷袑?shí)現(xiàn)，而這一思路的關(guān)鍵就在于硬件描述語(yǔ)言VHDL，因此EDA技術(shù)課程最主要的內(nèi)容有兩部分：一是VHDL語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，二是數(shù)字電子技術(shù)中常用數(shù)字器件的VHDL設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

如果按照知識(shí)體系系統(tǒng)地學(xué)習(xí)這門(mén)課，將需要大量學(xué)時(shí)，僅僅VHDL語(yǔ)言部分，就需要講授它的三個(gè)結(jié)構(gòu)、五個(gè)要素、若干重要語(yǔ)句和三種常用設(shè)計(jì)手段，而培養(yǎng)方案在這部分的教學(xué)中給出的學(xué)時(shí)很少。該課程采取的項(xiàng)目教學(xué)思路是，放棄不常用VHDL語(yǔ)句，選取EDA設(shè)計(jì)技術(shù)中最有效的手段和方法，將其融合到電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型環(huán)節(jié)、典型項(xiàng)目中去，即應(yīng)用項(xiàng)目中包含了本課程所有重要知識(shí)點(diǎn)，這樣在做項(xiàng)目的過(guò)程中展開(kāi)探究式、參與式和研究性教學(xué)，既達(dá)到教學(xué)任務(wù)要求，又鍛煉了學(xué)生，使得學(xué)生的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情得以充分發(fā)揮。

基于以上思路，設(shè)計(jì)選取“8位數(shù)碼掃描顯示電路設(shè)計(jì)”、“直流電機(jī)的PWM控制”、“基于VHDL狀態(tài)機(jī)的A/D采樣控制電路設(shè)計(jì)”、“多功能音樂(lè)播放器設(shè)計(jì)”等項(xiàng)目，項(xiàng)目除了體現(xiàn)VHDL語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)、文字規(guī)則，還應(yīng)用了其最核心的內(nèi)容——順序語(yǔ)句、并行語(yǔ)句的語(yǔ)法和元件例化法、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)法、LPM定制等設(shè)計(jì)手段，涉及的器件設(shè)計(jì)包括了所有常用的組合邏輯部件和時(shí)序邏輯部件，同時(shí)應(yīng)用了大量電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。項(xiàng)目所涉及的主要VHDL語(yǔ)法、設(shè)計(jì)手段以及電路原理知識(shí)如表1所示。

表1 項(xiàng)目與主要VHDL語(yǔ)法、設(shè)計(jì)手段以及電路原理知識(shí)對(duì)應(yīng)表

2 項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施

2.1 提出項(xiàng)目要求

在教學(xué)之前，給出項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，包括基本要求、擴(kuò)展要求和自由發(fā)揮部分（不必設(shè)置具體參數(shù)），例如“直流電機(jī)的PWM控制”項(xiàng)目，除了按鍵控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度這一基本要求外，還設(shè)置了按鍵步進(jìn)控制速度檔位、電機(jī)測(cè)速以及顯示速度值的擴(kuò)展要求，并且啟發(fā)學(xué)生研究將電機(jī)安裝在小車上，進(jìn)行障礙物檢測(cè)、慢轉(zhuǎn)彎、急轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退等多種控制。作為自由發(fā)揮部分，具體參數(shù)不限。

再如音樂(lè)播放器設(shè)計(jì)，基本要求是能夠完整播放一首曲子，節(jié)奏適中，聲音清晰響亮，曲目任選；擴(kuò)展要求是通過(guò)按鍵可以在幾首曲目中任選一首進(jìn)行播放。學(xué)生可以將功能進(jìn)行提升，如按鍵快進(jìn)選曲或者一首曲子內(nèi)快進(jìn)播放等等。

在明確項(xiàng)目要求前提下，指導(dǎo)學(xué)生查閱、學(xué)習(xí)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的工作原理。

2.2 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目分解

引導(dǎo)學(xué)生將項(xiàng)目分解為多個(gè)模塊，以各模塊為任務(wù)分別解決。這樣做，既有利于厘清設(shè)計(jì)思路和分別調(diào)試，也有助于學(xué)生目標(biāo)明確、有的放矢地學(xué)習(xí)課程知識(shí)。

（1）8位數(shù)碼掃描顯示電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目。學(xué)生必須掌握的是基于EDA技術(shù)的組合電路與時(shí)序電路的設(shè)計(jì)，包括計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示譯碼器設(shè)計(jì)以及三極管的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。

（2）直流電機(jī)的PWM控制項(xiàng)目。設(shè)計(jì)包括計(jì)數(shù)器、比較器、速度檔位發(fā)生、PWM波產(chǎn)生、正反轉(zhuǎn)控制等模塊。

（3）基于VHDL狀態(tài)機(jī)的A/D采樣控制電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目。該項(xiàng)目包含狀態(tài)機(jī)時(shí)序控制進(jìn)程設(shè)計(jì)和狀態(tài)翻譯進(jìn)程以及數(shù)據(jù)鎖存進(jìn)程設(shè)計(jì)。

（4）音樂(lè)播放器設(shè)計(jì)項(xiàng)目。項(xiàng)目所需要完成的設(shè)計(jì)包括ROM地址發(fā)生、ROM存儲(chǔ)器、音樂(lè)簡(jiǎn)譜譯碼、數(shù)控分頻、占空比調(diào)整等模塊[5]。

2.3 對(duì)學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)小組以1-3人為宜，項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果以答辯形式加以檢驗(yàn)，具體包括波形仿真與分析或者硬件電路測(cè)試以及設(shè)計(jì)思路闡述。波形仿真與分析是從理論上說(shuō)明設(shè)計(jì)的正確性，硬件電路測(cè)試則從實(shí)踐上檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求。項(xiàng)目評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)將以適當(dāng)比例計(jì)入期末考試成績(jī)。

3 項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施效果

《EDA技術(shù)與應(yīng)用》課程實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中，在下面幾個(gè)方面取得了明顯的效果。

（1）學(xué)習(xí)態(tài)度的改變。采用項(xiàng)目教學(xué)以后，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性明顯增強(qiáng)，為完成一個(gè)項(xiàng)目，必須查閱大量文獻(xiàn)、自學(xué)教材、討論答疑等等，而這些工作在以往不必學(xué)生親自去做，學(xué)生只聽(tīng)老師講授、編寫(xiě)練習(xí)程序就行了。同時(shí)各組之間的競(jìng)爭(zhēng)、比拼也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（2）考試成績(jī)的提高?！禘DA技術(shù)及應(yīng)用》考試在應(yīng)用項(xiàng)目教學(xué)之前，即使開(kāi)卷考試，卷面不及格人數(shù)比例也達(dá)20%左右，采用項(xiàng)目教學(xué)后，在難度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，閉卷考試的成績(jī)大幅提高，不及格人數(shù)比例下降為10%以下。

（3）實(shí)驗(yàn)效果的改善?！禘DA技術(shù)及應(yīng)用設(shè)計(jì)》課程是與《EDA技術(shù)及應(yīng)用》配套的實(shí)驗(yàn)課，可以看到學(xué)生獨(dú)立編程、調(diào)試、糾錯(cuò)能力大大提高。

（4）創(chuàng)新項(xiàng)目和大賽成績(jī)。采用EDA技術(shù)完成創(chuàng)新項(xiàng)目的小組逐年增加，成績(jī)也提高很大，2015年至2017年共有四組創(chuàng)新項(xiàng)目被批準(zhǔn)為省級(jí)項(xiàng)目，其中一項(xiàng)晉級(jí)為國(guó)家級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目。在近年舉行的全國(guó)大學(xué)生電子大賽、遼寧省“TI”杯電子設(shè)計(jì)大賽中，均有采用EDA技術(shù)完成設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)的作品，這與平時(shí)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和訓(xùn)練是分不開(kāi)的。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程引入項(xiàng)目教學(xué)效果良好，教師在教學(xué)中，將知識(shí)點(diǎn)融合到項(xiàng)目中，在不影響知識(shí)體系完整性的前提下，能夠重點(diǎn)突出地講授實(shí)用技術(shù)，大大提高了教學(xué)效率和課堂活力。學(xué)生在項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中，知識(shí)的學(xué)習(xí)和能力的培養(yǎng)都達(dá)到了課程目標(biāo)，而且激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造熱情，對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型的一線工程技術(shù)人才將起到較大的促進(jìn)作用。