新工科背景下EDA實驗教學(xué)模式的新探索

彭祖群 陳 平 李 琴 王 煥

廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 廣東廣州 510006

為了主動適應(yīng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017年2月以來，教育部正積極推進(jìn)新工科建設(shè)。新工科的內(nèi)涵是“以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1-4]”。新工科的“新”體現(xiàn)在工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系等[5]。由此可知，新工科對工程技術(shù)人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。

鑒于新工科對于國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要性，在教育部門的大力推動下，近年來，新工科的建設(shè)發(fā)展速度異常迅猛，形成了一系列綱領(lǐng)性文件或發(fā)展指南。例如，2017年2月以來，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實踐項目的通知》等。2018年4月，教育部出臺了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》要求推進(jìn)新工科建設(shè)，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)[6-8]。

電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation，簡稱EDA)是一種依靠計算機，在相關(guān)的EDA軟件平臺上進(jìn)行仿真測試、優(yōu)化開發(fā)，最終實現(xiàn)電子線路功能的技術(shù)[9]，它是新工科教育體系下的一門重要課程。隨著計算機科技、硬件與軟件的不斷革新，EDA技術(shù)也在不斷發(fā)展和進(jìn)步。然而，根據(jù)筆者長期在工業(yè)院校實驗室授課的經(jīng)驗，目前EDA實驗教學(xué)模式存在較多的問題，并不能滿足新工科教學(xué)建設(shè)的要求。為此，本文將深入分析原有EDA實驗教學(xué)模式存在的問題，并根據(jù)新工科的理念，設(shè)計符合時代發(fā)展的實驗教學(xué)模式，為社會培養(yǎng)優(yōu)秀的新型工程人才。

1 EDA實驗教學(xué)舊模式的弊端

實驗課程泛指實驗課和課程設(shè)計兩種：一般每次實驗課為2學(xué)時，實驗內(nèi)容簡單易懂；而課程設(shè)計一般為1～2周，根據(jù)指定的題目和要求進(jìn)行綜合設(shè)計，通過實驗報告以及答辯的形式接受考核。本文重點探討的是基于課程設(shè)計的EDA實驗教學(xué)模式。經(jīng)觀察了解，學(xué)生普遍對EDA實驗課程興趣不濃，對實驗內(nèi)容缺乏思考，對實驗思路淺嘗輒止，對實驗方法缺乏推廣應(yīng)用，對實驗考核敷衍了事。以上問題與當(dāng)前EDA實驗教學(xué)舊模式的弊端有著緊密的關(guān)系。經(jīng)過長期觀察與訪談，筆者總結(jié)出以下幾個問題，如圖1所示。

圖1 實驗教學(xué)育人舊模式的弊端及其影響

(1)EDA實驗課程是一門工具類的課程，EDA實驗課程主要通過 EDA實驗箱、集成開發(fā)軟件及仿真軟件，在實驗箱搭建外圍電路，在集成開發(fā)軟件的環(huán)境中進(jìn)行編程、編譯和下載[10]。其課程設(shè)計題目簡單，容易從網(wǎng)絡(luò)上獲取完整的解決方案甚至是開源代碼，通過簡單的設(shè)計和調(diào)試就能快速滿足題目的要求。因此學(xué)生對實驗內(nèi)容容易淺嘗輒止、缺乏思考，進(jìn)而導(dǎo)致對復(fù)雜工程問題認(rèn)識不足，解決問題的能力歷練不夠，自然也難以構(gòu)筑完整的知識體系和解決問題的能力。

(2)課程設(shè)計內(nèi)容陳舊是影響學(xué)生興趣的一個原因?，F(xiàn)代科技日新月異，智能機器人、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域給人類帶來各種美好的體驗，大學(xué)生對新興科技耳濡目染甚至已經(jīng)親身體驗。難以找到陳舊的題目與新興科技的契合點，心理落差磨滅了學(xué)習(xí)的興趣。以EDA實驗中的數(shù)字電路實驗課程為例，最基本的交通燈設(shè)計、電梯的邏輯控制、視頻的采集與顯示等題目不僅陳舊枯燥，而且與實際問題相差甚遠(yuǎn)。如果為題目引入一個現(xiàn)實的場景，讓學(xué)生創(chuàng)造性地提出解決辦法，例如，智能交通燈的設(shè)計，高層多路電梯的最優(yōu)化控制以及智能監(jiān)控視頻系統(tǒng)的設(shè)計，往往更能吸引學(xué)生的興趣并且能夠與新興產(chǎn)業(yè)結(jié)合，反映實際的工程問題。

(3)學(xué)生完成課程設(shè)計的模式往往都是從零開始探索和設(shè)計，大部分時間精力投入在重復(fù)探索業(yè)已成熟的技術(shù)上，缺乏對新興技術(shù)的了解和對創(chuàng)意的思考。以EDA實驗中的數(shù)字電路課程設(shè)計為例，在短短的一周時間內(nèi)，學(xué)生大部分時間耗費在軟件操作的探索以及基本框架的設(shè)計上。例如，基于FPGA的視頻采集和顯示的基本框架調(diào)試完成之后，一周時間已經(jīng)結(jié)束進(jìn)入驗收考核環(huán)節(jié)，學(xué)生沒有更多的機會繼續(xù)往視頻處理方面深入研究和設(shè)計。因此實驗的層次太低無法觸及更前沿和更有創(chuàng)新性的算法層面。

(4)EDA課程設(shè)計一般是提供若干候選的設(shè)計題目和要求，學(xué)生先在quartusII軟件中編譯仿真，然后下載到開發(fā)板連接電路，并按照要求完成設(shè)計。答卷式的任務(wù)書限定了學(xué)生創(chuàng)意，完成要求成為主要目標(biāo)。

(5)考核方式直接影響學(xué)生的工作思路。考核的權(quán)重傾向于實驗結(jié)果，因此忽略了實驗過程的思維和創(chuàng)意，導(dǎo)致學(xué)生不注重實踐和學(xué)習(xí)過程而急于追求實驗結(jié)果。舊有的EDA教學(xué)模式，使學(xué)生只注重實驗結(jié)果和實驗報告，而這些均可以從往屆學(xué)生或者網(wǎng)絡(luò)上獲取得到。這種重復(fù)性的教學(xué)模式，無法培養(yǎng)學(xué)生在電子工程設(shè)計方面的創(chuàng)新能力和主觀能動性，不能培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，同時嚴(yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)實驗課程的熱情和興趣[11]。

以上問題之間緊密聯(lián)系、相互影響，學(xué)生在單一的考核方式之下，注重實驗結(jié)果，面對陳舊的實驗題目興趣不大，從零開始完成實驗又缺乏對創(chuàng)意層面的探索，因此EDA實驗教學(xué)的舊模式在新興科技快速發(fā)展的潮流下難以達(dá)到良好的育人效果。

2 EDA實驗教學(xué)模式的新探索

為了發(fā)揮EDA實驗教學(xué)的育人作用，對EDA實驗教學(xué)模式進(jìn)行了新探索，提出了一種新的模式，其特點和效應(yīng)如圖2所示。

圖2 實驗教學(xué)育人新模式

(1)保持EDA實驗課程設(shè)計的選題多樣性，要求實驗教師要結(jié)合新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，從科研和工程項目以及學(xué)科競賽作品中的提取相應(yīng)的題目，其好處是不僅能夠豐富課程設(shè)計的題庫，而且題目接近最前沿的課題，反映實際的工程項目，貼近實際的應(yīng)用場景。題目的多樣性和前沿性滿足學(xué)生多樣化的興趣愛好，有利于提高學(xué)生對實驗課程的積極性。

(2)保持題目的開放性，EDA課程設(shè)計題目以半開題的形式，留給學(xué)生足夠的空間尋找創(chuàng)意。EDA課程設(shè)計實驗活動中，學(xué)生將作為課程設(shè)計的主體，不再是單純完成教師布置的實驗任務(wù)，而是一個開放性的題目，讓學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，把自己對課程的理解、興趣點通過資料查找、與教師交流、團隊合作等方法，完成相關(guān)的實驗。內(nèi)容設(shè)計。例如，可以把EDA軟件與學(xué)生學(xué)習(xí)的相關(guān)專業(yè)結(jié)合，設(shè)計一個綜合性的實驗，讓學(xué)生自由發(fā)揮，完成實驗任務(wù)。開放性能促使學(xué)生閱讀科技文獻(xiàn)尋找思路，拓寬科技領(lǐng)域的視野。

(3)EDA實驗的傳承性有利于學(xué)生往更高層次尋找創(chuàng)新。例如，為每一個題目配套有一個基本的設(shè)計框架，學(xué)生在理解基礎(chǔ)框架之后能夠擴展框架的功能，進(jìn)而繼續(xù)完善基本框架。EDA實驗中的基于FPGA的視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)，需要配套基于FPGA的視頻采集與顯示的基本框架，學(xué)生在此框架基礎(chǔ)上，結(jié)合前沿科技和實際場景，根據(jù)自己的興趣選擇不同的方向進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。

(4)EDA實驗課程創(chuàng)新性主要從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容兩方面體現(xiàn)出來。在教學(xué)方法上，應(yīng)以學(xué)生為本，對學(xué)生的實驗考核方式多樣化；在教學(xué)內(nèi)容上，應(yīng)從學(xué)生實驗時間、教學(xué)模式、開放實驗管理幾方面著手改進(jìn)。創(chuàng)新性要求考核不僅要評價實驗結(jié)果，而應(yīng)該評價學(xué)生科技視野、創(chuàng)新思維、解決問題的思路和團隊合作的能力，激發(fā)學(xué)生重視過程的學(xué)習(xí)和實踐。

(5)自主性是通過任務(wù)驅(qū)動模式，給予學(xué)生更多的空間發(fā)揮自己的興趣愛好，激發(fā)學(xué)生積極主動投入到實驗課程的實踐當(dāng)中，真正得到有效的鍛煉。要注重EDA課程設(shè)計與工程實際相結(jié)合[12]，在實驗的過程中增加設(shè)計性和驗證性的實驗項目，增加實驗室開放時間，讓學(xué)生能夠自主設(shè)計和開展課題，提高學(xué)生的綜合能力。

3 EDA實驗教學(xué)新模式實施路線

結(jié)合EDA實驗教學(xué)新模式的特點，給出其實施路線(如圖3所示)。從科研工程項目和學(xué)生競賽項目中提取最小系統(tǒng)，作為實驗課程的基本框架，并以此設(shè)計實驗題目，學(xué)生以團隊合作的方式，根據(jù)興趣愛好結(jié)合新興技術(shù)在選題的基礎(chǔ)上深化題目的內(nèi)容，提出設(shè)計方案、實驗方法，并由實驗教師進(jìn)行可行性和創(chuàng)新性評估、難易程度的評估，并通過立體考核，從實驗內(nèi)容、技術(shù)方案、實驗方法、團隊合作、技術(shù)創(chuàng)新等多方面進(jìn)行評價，從而發(fā)揮實驗教學(xué)育人的重要作用。

圖3 EDA實驗教學(xué)新模式的實施路線圖

(1)EDA實驗課程選題。為了充分發(fā)揮自動化學(xué)院的科研優(yōu)勢，將理論研究與實踐應(yīng)用相結(jié)合，EDA實驗課程鼓勵學(xué)生與教師合作，挑選教師科研項目(縱向科研項目和橫向工程項目等)以及學(xué)生科技項目(含大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等)所研制的系統(tǒng)，通過剪裁和精簡軟件功能形成最小系統(tǒng)。學(xué)生以團隊合作的模式，在實驗?zāi)康暮蛯嶒炓蟮闹笇?dǎo)下，根據(jù)興趣愛好選擇適合的最小系統(tǒng)，通過閱讀文獻(xiàn)和獨立思考，進(jìn)一步提出選題方向，確定實驗內(nèi)容，并以此作為EDA實驗課程選題。

(2)EDA實驗課程實施。圍繞上述選題，學(xué)生將進(jìn)一步自主設(shè)計實驗內(nèi)容、技術(shù)方案、實驗方法、評價指標(biāo)，并進(jìn)行實驗。實驗教師在這個過程中充當(dāng)顧問角色，與學(xué)生一起分析和解決在實驗過程中出現(xiàn)的各類問題，并為實驗提供必要的條件。

(3)EDA實驗課程評估。學(xué)生在整個實驗過程中(含實驗選題、實驗實施等)接受立體式(創(chuàng)新性、交叉性、實用性和綜合性等)評估，包括選題的新穎性、技術(shù)方案的可行性、技術(shù)方法的創(chuàng)新性、實驗難易程度、實驗操作中的動手能力、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力、溝通能力等，最后學(xué)生必須以答辯的形式匯報整個實驗過程與結(jié)果。教師將根據(jù)學(xué)生全過程的表現(xiàn)綜合評定實驗成績。

4 結(jié)語

在新工科理念的指引下，將科研競賽項目引入實驗課程，設(shè)計具有多樣性和開放性的實驗題目，通過傳承性為學(xué)生提供硬件創(chuàng)新的空間，并通過立體型考核引導(dǎo)學(xué)生重視解決問題、創(chuàng)新思維和團隊合作的能力，能夠有效激發(fā)學(xué)生對實驗課程的興趣，自主積極地投入到課程實踐中，進(jìn)而發(fā)揮實驗教學(xué)在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用。