一種“數(shù)電”與“EDA”共享的移動實驗平臺

楊杰 班瓊

[摘 要]在 “數(shù)字電子技術(shù)”及“EDA”課程的教改中，將已有的自制數(shù)電實驗箱升級為與EDA共享的實驗平臺，并配發(fā)給每位學(xué)生自由攜帶，從而徹底打破了傳統(tǒng)實驗室空間、時間的限制，實現(xiàn)了實驗的全方位開放。兩年來的教學(xué)實踐證明，這種方法可以顯著提高整體教學(xué)效果，有效拓展學(xué)生創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)改革；實驗開放；平臺共享

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）03-0011-03

“數(shù)字電子技術(shù)”（以下簡稱“數(shù)電”）和后續(xù)的“EDA”，是工科電類各專業(yè)兩門重要的技術(shù)課程。近年來，我們結(jié)合學(xué)校精品課程以及省級、校級教改項目的建設(shè)，將“數(shù)電”與“EDA”進(jìn)行了有效整合，通過給學(xué)生配發(fā)自制實驗箱的方式，配合一套精心設(shè)計的實驗方案，在自主性開放實驗方面進(jìn)行了有益的嘗試，取得了較好的教學(xué)效果。

一、課程背景

為了適應(yīng)電子技術(shù)的高速發(fā)展，大量新型的學(xué)科紛紛出現(xiàn)在大學(xué)課堂，如DSP技術(shù)、SOC技術(shù)、EDA技術(shù)、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)等，其中許多被列為當(dāng)今的核心科技學(xué)科，引領(lǐng)著未來電子技術(shù)的發(fā)展方向。作為這些相關(guān)學(xué)科的共同基礎(chǔ)，數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)步也是日新月異，因而對課程的教學(xué)內(nèi)容、實驗?zāi)Ｊ揭蔡岢隽烁嗟奶魬?zhàn)[1]。

但就目前而言，國內(nèi)許多高校依然按照傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式，將“數(shù)電”和“EDA”課程分別設(shè)置，其中“數(shù)電”還是以20世紀(jì)80年代的手工數(shù)字設(shè)計技術(shù)為核心展開教學(xué)，其基本內(nèi)容和實驗?zāi)Ｊ綆缀醵纪Ａ粼?0～40年前。應(yīng)該說，這些都是在計算機(jī)軟硬件技術(shù)還不發(fā)達(dá)的時代的無奈之舉，工程師只能靠“十年磨一劍”，通過長期實踐積累經(jīng)驗來彌補此技術(shù)的不足。

現(xiàn)如今，半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)也已非常成熟并得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)所介紹的包含若干個邏輯門的器件早已變成了現(xiàn)在特征尺寸僅數(shù)十納米的SOC系統(tǒng)；過去靠手工設(shè)計技術(shù)將74系列器件組合成“板上系統(tǒng)”的時代也脫胎成為基于EDA技術(shù)實現(xiàn)的“片上系統(tǒng)”的時代。在這種大環(huán)境下，高校的教學(xué)必須做出相應(yīng)的調(diào)整，才能適應(yīng)新形勢的需求。對“數(shù)電”與其后續(xù)課程“EDA”進(jìn)行有效整合，就是這種調(diào)整的具體舉措。

我們認(rèn)為，就“數(shù)電”及“EDA”課程而言，以實驗環(huán)節(jié)為突破口進(jìn)行教學(xué)改革，具備“天時”“地利”“人和”的優(yōu)勢：

（一）“天時”

當(dāng)今時代，計算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)，造就了便捷的網(wǎng)絡(luò)世界，締造了高效、逼真的虛擬仿真環(huán)境，半導(dǎo)體芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，這些都為“數(shù)電”和“EDA”的實驗開放提供了極為有利的外部條件。

使用Multisim、Quartus II等軟件仿真，可以得到與實際電路幾乎完全相同的運行結(jié)果。這就為學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計提供了一個理想的輔助實驗平臺。學(xué)生在創(chuàng)新構(gòu)思時，可以隨意選擇使用仿真軟件中的虛擬元件庫所提供的全系列器件，或利用CPLD/FPGA芯片的大量資源，幾乎不受元器件種類、數(shù)量和測試儀器儀表資源的限制，且修改設(shè)計極其便捷。EDA的功能仿真、時序仿真以及便捷的下載特性，使得學(xué)習(xí)更加靈活高效。學(xué)生可以從煩瑣的接線中解放出來，完全不受芯片資源的約束，且充分發(fā)揮了現(xiàn)有實驗箱的余熱，可謂如虎添翼，相得益彰。

四通八達(dá)的網(wǎng)絡(luò)為師生交流提供了良好的交互平臺。利用校園網(wǎng)提供的條件，可以把學(xué)生喜愛泡在網(wǎng)上這個特點，轉(zhuǎn)化成了方便師生溝通的優(yōu)勢。借助于網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生可以把設(shè)計仿真文件上傳至老師，并就遇到的問題請教老師，老師也可了解學(xué)生的進(jìn)展，修改學(xué)生的設(shè)計，保證實驗的成效。

（二）“地利”

“數(shù)電”及“EDA”課程的實驗內(nèi)容，大部分對實驗硬件的要求非常簡單，只要有直流電源，簡易的方波信號源，最普通的測試手段如LED燈、萬用表等，即可完成許多電路設(shè)計與調(diào)試。所用器件大多為標(biāo)準(zhǔn)化的系列產(chǎn)品，價廉、易得，且可重復(fù)使用，這些是制作便攜式數(shù)電實驗箱的前提。而筆記本電腦的普及、EDA芯片的高度集成、EDA開發(fā)環(huán)境（低版本）的免費普及均為新一輪實驗改革提供了基本保證。

“數(shù)電”這門課程所講授的內(nèi)容是電子技術(shù)的一個重要分支，介紹的是現(xiàn)代計算機(jī)工作最底層的硬件基礎(chǔ)；作為電子、通信、計算機(jī)、自動化等專業(yè)的最主要的核心基礎(chǔ)課程和考研課程，也易受到學(xué)生的普遍重視?！癊DA”課程所介紹的內(nèi)容，緊跟技術(shù)時代的發(fā)展，為學(xué)生今后的就業(yè)奠定了基礎(chǔ)?！皵?shù)電”及“EDA”課程的實驗內(nèi)容，經(jīng)過精心組織后，可以緊密結(jié)合實際，容易引發(fā)學(xué)生高度興趣。

（三）“人和”

“數(shù)電”及“EDA”課程的學(xué)習(xí)對象，一般是大學(xué)一年級下半學(xué)期或二年級的學(xué)生。從學(xué)習(xí)態(tài)度上講，他們已從最初考上大學(xué)的喜悅中平靜下來，許多人開始著手進(jìn)行人生的規(guī)劃，開始關(guān)心就業(yè)、考研等問題。從學(xué)習(xí)能力上講，他們已基本完成了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，正逐步開始進(jìn)入專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)該說經(jīng)過最初低年級的磨合，已適應(yīng)了大學(xué)階段的學(xué)習(xí)環(huán)境，知識面得到了一定的拓展，也已初步掌握了一些專業(yè)基礎(chǔ)知識，具備了一定的自主學(xué)習(xí)能力。

二、方法思路

實驗是工科專業(yè)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，其地位作用不言而喻。為提高實驗教學(xué)效果，學(xué)生需要盡可能多地主動參與進(jìn)來，同時需要開放的實驗室作為支撐。然而，受制于諸多不易解決的實際問題，如教師的人手、報酬、儀器設(shè)備安全，等等，通常學(xué)校的實驗室開放程度有限，事實上已成為實驗教學(xué)改革的瓶頸。

為了避開這個難點，我們另辟蹊徑，采用了新的辦法。我們發(fā)現(xiàn)，就“數(shù)電”而言，其實驗對硬件條件相對要求較低，常規(guī)實驗并不需要復(fù)雜設(shè)備，只需提供相應(yīng)的輸入、輸出條件即可，甚至一般的調(diào)試使用LED小燈即可完成?；诖?，我們精心規(guī)劃設(shè)計了“數(shù)電”實驗的內(nèi)容，并量身自制了一批便攜式實驗箱，配套若干芯片后發(fā)放給學(xué)生。該實驗箱體積小巧、方便好用，學(xué)生借助于仿真、網(wǎng)絡(luò)，可以在宿舍、圖書館、教室等處隨時進(jìn)行實驗，完全突破了傳統(tǒng)實驗室的時空限制，實現(xiàn)了實驗的全方位開放，取得了很好的實際效果[2]。

“EDA”作為“數(shù)電”的后續(xù)課程，也可視為數(shù)電的高級階段。雖然實驗室中配備了高檔實驗箱，但無法做到對所有學(xué)生全方位開放。然而我們觀察后發(fā)現(xiàn)，其實“EDA”實驗與“數(shù)電”實驗相比，僅實驗硬件對象由諸多小規(guī)模數(shù)字芯片變成了單獨的FPGA/CPLD芯片，實驗所需的輸入輸出條件與“數(shù)電”實驗基本相同，完全可以在前期“數(shù)電”實驗全方位成功開放的基礎(chǔ)上，借助于現(xiàn)有的“數(shù)電”實驗平臺，把“EDA”實驗也從傳統(tǒng)實驗室中解放出來。

我們在原有的自制實驗箱上，通過增加FPGA擴(kuò)展板的方法升級實驗箱，把“EDA”設(shè)計手段“嫁接”到傳統(tǒng)的“數(shù)電”實驗平臺上來。這樣，原本“數(shù)電”實驗箱具備的高低電平信號、脈沖信號等同樣可以給“EDA”實驗提供所需的輸入條件；各個“EDA”實驗的結(jié)果也同樣可以用實驗箱上的各種發(fā)光、發(fā)聲器件“顯而易見”地展現(xiàn)出來。

傳統(tǒng)實驗手段具備方便直觀的輸入、輸出條件，但用傳統(tǒng)方法設(shè)計復(fù)雜電路則會遇到芯片數(shù)量多、接線麻煩、調(diào)試?yán)щy等瓶頸；而用現(xiàn)代自動化設(shè)計可輕易且靈活地實現(xiàn)復(fù)雜的電路功能，但需要外部提供輸入輸出條件才能完成實驗。本實驗平臺將現(xiàn)代自動化設(shè)計手段“嫁接”到現(xiàn)有的傳統(tǒng)實驗平臺上，兩者合二為一，真正做到了長短互補、珠聯(lián)璧合，取得了1+1>2的實際效果。學(xué)生在同一個小巧的實驗箱上，可以從在“數(shù)電”實驗中指揮十余個小芯片的“小班長”，一下上升到了在“EDA”實驗中指揮千軍萬馬的 “大將軍”。

三、配套措施

為適應(yīng)“數(shù)電”與“EDA”的整合，我們采取了如下措施：

（一）精心設(shè)計實驗內(nèi)容

我們把整個“數(shù)電”實驗的內(nèi)容分成幾個模塊，每個模塊的任務(wù)靈活有變，分基本內(nèi)容和拓展內(nèi)容兩大部分，由簡單到復(fù)雜；學(xué)生根據(jù)自己的能力、興趣選擇實驗內(nèi)容，從而實現(xiàn)了分層次教學(xué)。這樣做，既可以讓有能力的學(xué)生吃得飽，又不至于讓部分基礎(chǔ)差的學(xué)生因無法完成自主設(shè)計而產(chǎn)生抵觸。這種方式，為開放型實驗的成功實施提供了保障。

在實驗內(nèi)容的組織上，結(jié)合實驗箱的功能，整體規(guī)劃、前后呼應(yīng)。在實驗手法上，盡量求新、求好。如邏輯門的特性測試改用示波器的“X-Y”方式顯示，既一目了然，又方便用現(xiàn)代手段記錄實驗結(jié)果，同時也復(fù)習(xí)了示波器的用法。在實驗內(nèi)容上，注意從現(xiàn)實應(yīng)用中提取素材，提高學(xué)生參與興趣。如對觸發(fā)器的功能驗證，結(jié)合學(xué)生熟悉的競賽搶答器進(jìn)行；計數(shù)器的實驗內(nèi)容也與電子表的星期、日（月）歷結(jié)合起來。這些做法不僅提升了實際效果，而且也為后續(xù)的綜合性實驗、課程設(shè)計做了相應(yīng)的鋪墊。

新增的“EDA”實驗，經(jīng)過精心策劃組織，由淺入深、循序漸進(jìn)。每個實驗均有重點，又前后呼應(yīng)。所有內(nèi)容均為依據(jù)實驗箱量身定制，既涵蓋了“EDA”教學(xué)的主要內(nèi)容，又充分發(fā)揮了實驗箱的硬件作用，大大提升了實驗箱的使用效率。

（二）編寫詳盡的實驗指導(dǎo)

以相對熟悉的數(shù)電知識為起點，為整個“數(shù)電”及“EDA”實驗提供了詳盡的指導(dǎo)。尤其是“EDA”部分，從開發(fā)軟件的安裝到芯片的選擇、管腳的定位，以及所有實驗內(nèi)容的各段代碼，都提供了詳細(xì)的實際范例。所有程序，都已實際運行通過，學(xué)生只要按照指導(dǎo)說明書，不但可以亦步亦趨的完成各種實驗，而且可以在完成各個實驗?zāi)繕?biāo)的過程中，學(xué)到現(xiàn)代電子設(shè)計的基本方法、步驟。

（三）合理配備實驗材料

我們根據(jù)實驗要求，精心選擇了20多個型號的傳統(tǒng)數(shù)電芯片配發(fā)給每個學(xué)生。由于芯片的邏輯功能在一定條件下可以互相代用，因此這些芯片只要合理使用，足以覆蓋全部實驗內(nèi)容，且可設(shè)計出不同的電路方案。

（四）項目式的實驗?zāi)Ｊ?/p>

每個實驗設(shè)計了直觀的結(jié)果，并追求所謂“快速穿越”，即用盡可能少的步驟盡快看到最終實驗結(jié)果，以提升學(xué)生參與設(shè)計的興趣；凡可介紹可不介紹的知識點，都留到后續(xù)實驗中去完成（比如有意把仿真推后）；每個實驗都有新增的知識點，又有意調(diào)用前面實驗的內(nèi)容，并結(jié)合實驗內(nèi)容講解關(guān)鍵語句。這樣通過前后呼應(yīng)，不斷迎新、重復(fù)，最終實現(xiàn)初步了解EDA設(shè)計技術(shù)的目標(biāo)。

（五）開放式的實驗管理

我們采取“教師指定實驗內(nèi)容，學(xué)生自主實現(xiàn)”的辦法，取消了實驗指導(dǎo)書，改為下達(dá)實驗任務(wù)書?！敖M合邏輯”、“時序邏輯”等重點實驗內(nèi)容全部是自主設(shè)計的，不提供現(xiàn)成的電路，學(xué)生必須自己研究、設(shè)計方能完成實驗。其他的實驗，包括綜合性實驗都包含學(xué)生參與設(shè)計的內(nèi)容。由于實驗箱是配發(fā)給學(xué)生的，學(xué)生可以在任何時間、任何場地自主完成實驗內(nèi)容。在進(jìn)實驗室之前，學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)，把設(shè)計仿真文件上傳至老師，并就遇到的問題請教老師；老師也可及時了解學(xué)生的進(jìn)展，修改學(xué)生的設(shè)計，保證實驗的成效。因此，我們通常真正進(jìn)實驗室“做”實驗時，學(xué)生都已根據(jù)自己的能力及興趣選擇并完成了實驗內(nèi)容，老師只是逐個檢查學(xué)生完成情況而已。

（六）引入良性競爭機(jī)制

全開放模式的實驗，因每個學(xué)生自己設(shè)計的電路不同，肯定有好壞之分，而爭強(qiáng)好勝是年輕學(xué)生的本性。據(jù)此，我們引入了競爭機(jī)制，在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，先提出一種電路方案，要求學(xué)生進(jìn)行改良，進(jìn)而在學(xué)生提出的方案中評選最佳。學(xué)生有了具體的目標(biāo)，興趣大增，同學(xué)之間也會有比拼。這樣，學(xué)生不僅開闊了思路，也借機(jī)真正搞清了什么是最優(yōu)設(shè)計，達(dá)到了事半功倍的效果，同時也為日后參與社會競爭做了鋪墊。

我們還通過舉辦“數(shù)字電路設(shè)計大賽”的方式，活躍了學(xué)習(xí)氣氛，促進(jìn)了學(xué)生的良性競爭。

四、實際成效

經(jīng)過升級的實驗平臺，兼顧傳統(tǒng)手工設(shè)計方式和現(xiàn)代設(shè)計方式，可以完成數(shù)十種“數(shù)電”及“EDA”實驗；實驗箱同樣采用積木式結(jié)構(gòu)，體積小巧、功能齊全、使用簡單、維護(hù)方便。兩年來多個班級實際使用的效果表明，該實驗箱完全可以同時滿足這兩門課的實驗需求，在課程設(shè)計甚至畢業(yè)設(shè)計中也可發(fā)揮作用，真正做到了“好用”“ 夠用”“ 實用”。其亮點為：

（1）極大地拓寬了實驗內(nèi)容

所有實驗不受傳統(tǒng)意義上的芯片類型、數(shù)量的限制，所能實現(xiàn)的功能也將大大提升。

（2）解放了學(xué)生的手腳

學(xué)生可以把原先大量用于接線、調(diào)試的時間、精力，轉(zhuǎn)移到“隨心所欲”地在電腦上構(gòu)建新的創(chuàng)意上，在此過程中可以激發(fā)出更多的靈感，進(jìn)而培養(yǎng)其創(chuàng)新的精神。

（3）充分挖掘了數(shù)電實驗箱的“潛能”

在幾乎不增加學(xué)校財政負(fù)擔(dān)的情況下，進(jìn)一步拓展了實驗室的時空，把全方位的實驗方式從“數(shù)電”延伸到了“EDA”。

為了檢查實驗改革的實際成效，我們在課程結(jié)束時，連續(xù)4次面向?qū)W生進(jìn)行了問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計表明，學(xué)生普遍認(rèn)為實驗改革對提高動手能力有很大幫助，對此絕大多數(shù)學(xué)生的整體評價很好，實驗改革得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可。在學(xué)校組織的“課堂教學(xué)質(zhì)量評價”中，每屆學(xué)生都對相關(guān)課程給予了很高評價，在全院眾多課程的得分排名中，一直名列前茅；由學(xué)校資深教授組成的教學(xué)督導(dǎo)老師也多次隨訪聽課，也都給予了很高的評價。

經(jīng)歷了“數(shù)電”及“EDA”等課程自主創(chuàng)新性的實驗后，許多學(xué)生對電子技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，不少學(xué)生對本專業(yè)從最初的“排斥、懷疑”轉(zhuǎn)變成了后來的“接受、喜愛”。許多人報名參加了創(chuàng)新小組，在課余時間結(jié)合小的課題，繼續(xù)開展有針對性的學(xué)習(xí)活動。這些學(xué)生的舉措，在目前高校學(xué)風(fēng)普遍不盡如人意的現(xiàn)實環(huán)境下，猶如一股清風(fēng)，有效地提升了學(xué)校的學(xué)習(xí)氛圍。

五、結(jié)束語

實踐教學(xué)是一個廣闊而肥沃的育人天地，只要構(gòu)建并實施了正確的實驗教學(xué)體系和培養(yǎng)模式，堅持不懈地進(jìn)行探索、研究，不斷提高實踐教學(xué)質(zhì)量，就一定能大大提升課堂教學(xué)效果，同時在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮重要作用。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 潘松，陳龍，黃繼業(yè).數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[2] 楊杰，楊雷，林盛鑫.“數(shù)字電子技術(shù)”開放式實驗的探索與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009（31）：160-162.

[3] 出王瑋.EDA技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)研究[J].教育教學(xué)（數(shù)理化生），2017（7）.

[4] 馮松，宋立勛，李連碧，等.EDA課程的教學(xué)方法研究[J].教育理論研究，2017（5）.

[5] 楊冬濤，黃杰賢，劉燕.EDA技術(shù)在數(shù)字電路實驗中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)，2017（2）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]