CDIO理念下地震行業(yè)特色院校EDA技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)改革

孟娟 李亞南 韓智明 高琴

[摘 要] 結(jié)合地震行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，對EDA技術(shù)與應(yīng)用課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，包括設(shè)置基于CDIO理念的地震儀器儀表設(shè)計工程實(shí)踐項(xiàng)目，借助雨課堂豐富教學(xué)手段，設(shè)計多元化考核方式等。該教學(xué)方式對提高學(xué)生電子設(shè)計與創(chuàng)新能力具有一定促進(jìn)作用。

[關(guān)鍵詞] EDA技術(shù);教學(xué)改革;實(shí)踐教學(xué);CDIO

[基金項(xiàng)目] 2019年度防災(zāi)科技學(xué)院教研教改項(xiàng)目“CDIO理念下EDA技術(shù)與應(yīng)用課程的教學(xué)模式改革”（JY2019B01）

[作者簡介] 孟 娟（1983—），女，湖南益陽人，碩士，防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院講師;李亞南（1988—），男，安徽阜陽人，碩士，防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院講師。

[中圖分類號] G424? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0241-02? ? [收稿日期] 2019-12-20

EDA技術(shù)與應(yīng)用是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，設(shè)計者可以借助軟件方式完成系統(tǒng)硬件功能，在電子通信、控制、儀表設(shè)計等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

防災(zāi)科技學(xué)院是一所地震行業(yè)特色應(yīng)用型本科院校，致力于培養(yǎng)防災(zāi)減災(zāi)特色人才。相比地質(zhì)、勘探等優(yōu)勢專業(yè)，測控技術(shù)與儀器、自動化等工科一般性專業(yè)，因行業(yè)背景不鮮明，就業(yè)率、就業(yè)質(zhì)量明顯不敵那些優(yōu)勢專業(yè)。同時由于地震儀器儀表設(shè)計技術(shù)門檻相對較高，學(xué)生就業(yè)競爭優(yōu)勢不明顯。為改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)的不利局面面，滿足地震行業(yè)人才需求，尤其是輸送地震儀表設(shè)計、應(yīng)用與維修方面人才，急需對EDA課程進(jìn)行教學(xué)改革，以培養(yǎng)能適應(yīng)行業(yè)需要，具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的電子設(shè)計創(chuàng)新人才。

一、EDA技術(shù)與應(yīng)用教學(xué)現(xiàn)狀分析

EDA技術(shù)是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機(jī)輔助工程技術(shù)發(fā)展起來的，是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合，且實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，目前普遍采用理論實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，這種教學(xué)方式存在教學(xué)方法單調(diào)、學(xué)生學(xué)習(xí)主動性差、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容零散且與工程實(shí)踐脫鉤等問題，不利于提高學(xué)生應(yīng)用和工程創(chuàng)新的能力[1]。

二、EDA技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀分析

EDA技術(shù)是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機(jī)輔助工程技術(shù)同步發(fā)展起來的，是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合，且實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程。目前該課程普遍采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，存在教學(xué)方法單調(diào)、學(xué)生學(xué)習(xí)主動性低、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分散且與工程實(shí)踐項(xiàng)目脫鉤、考核方式陳舊等問題，不利于提高學(xué)生的知識應(yīng)用和工程創(chuàng)新的能力[1]。

尤其是實(shí)踐教學(xué)，由于通常采取集中理論講授和多個試驗(yàn)并行的方式，理論教學(xué)中的難點(diǎn)無法及時操作實(shí)踐，導(dǎo)致理論和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容大多為通用實(shí)驗(yàn)，要么難度低，要么與實(shí)際結(jié)合不緊密，無法提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。更為嚴(yán)重的是，由于實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)置未從行業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)，對學(xué)生工程創(chuàng)新能力提升不夠，導(dǎo)致人才培養(yǎng)與行業(yè)脫節(jié)，學(xué)生就業(yè)競爭力低。

三、課程改革思路

為了培養(yǎng)契合地震行業(yè)需求的人才，需進(jìn)行EDA課程教學(xué)改革，尤其是實(shí)踐教學(xué)有必要結(jié)合地震行業(yè)特點(diǎn)和應(yīng)用需求，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，提高學(xué)生應(yīng)用及工程設(shè)計能力，提升職業(yè)技能。

CDIO是一種新型工程教育理念，以工程項(xiàng)目從設(shè)計到生產(chǎn)的生命周期為載體，讓學(xué)生參與理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化過程，能較好解決傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)中與行業(yè)脫節(jié)、對學(xué)生工程創(chuàng)新能力提升不夠的問題[2]。同時，為加強(qiáng)和提高我院防災(zāi)減災(zāi)人才培養(yǎng)水平，有必要依托工程化的地震儀表電子系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)項(xiàng)目，創(chuàng)新EDA實(shí)踐教學(xué)，尤其是進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，凝練凸顯行業(yè)特色的工程實(shí)踐項(xiàng)目，使學(xué)生在實(shí)際的電子系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程中掌握所學(xué)知識，提高就業(yè)競爭力。

四、實(shí)踐教學(xué)改革

基于課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，安排理論學(xué)時16，實(shí)踐學(xué)時32。在理論教學(xué)中，將課堂從傳統(tǒng)的教室轉(zhuǎn)移到機(jī)房，將以章節(jié)為主線的授課模式變?yōu)轫?xiàng)目教學(xué)，由教師導(dǎo)入具體電路系統(tǒng)或儀表的實(shí)用背景，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用數(shù)電、電路課程的專業(yè)知識，進(jìn)行方案設(shè)計;在實(shí)施項(xiàng)目設(shè)計中引出相關(guān)VHDL語法，并完成設(shè)計編程，提升教學(xué)效果。

1.實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革。為培養(yǎng)行業(yè)人才，堅(jiān)持按照“依托項(xiàng)目，夯實(shí)基礎(chǔ)，綜合創(chuàng)新”的理念進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革，將傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改變?yōu)楣こ添?xiàng)目實(shí)踐，通過設(shè)置基于CDIO的分層次實(shí)踐項(xiàng)目[3]，使學(xué)生不僅掌握專業(yè)技能，更學(xué)會工程項(xiàng)目開發(fā)習(xí)慣和模式。實(shí)踐項(xiàng)目分基礎(chǔ)、初級設(shè)計、高級設(shè)計、綜合創(chuàng)新四個層級，每個實(shí)驗(yàn)均設(shè)置分級要求，學(xué)生可自由選擇基礎(chǔ)或提升實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生熟悉Quartus II平臺，加深VHDL程序結(jié)構(gòu)和語法理解，包括Quartus II軟件使用、奇偶校驗(yàn)器、基于原理圖的全加器設(shè)計、表決器、搶答器等。結(jié)合這些通用電路應(yīng)用場景提出設(shè)計需求，學(xué)生編寫程序并驗(yàn)證，初步了解整個開發(fā)流程。

初級設(shè)計實(shí)驗(yàn)是為進(jìn)一步掌握VHDL語法并進(jìn)行自主設(shè)計的同學(xué)設(shè)計的，包括分頻器、脈沖計數(shù)器等精度頻率計。這些都是地震儀表設(shè)計中常用電路模塊，要求學(xué)生了解這些電路不同應(yīng)用場景的設(shè)計需求及對程序設(shè)計的影響，完成程序編寫進(jìn)行仿真驗(yàn)證，學(xué)生對這些模塊從設(shè)計到實(shí)施的過程中邊做邊學(xué)，初步了解工程化項(xiàng)目實(shí)施流程。

高級設(shè)計實(shí)驗(yàn)是緊密結(jié)合行業(yè)需求設(shè)置的地震儀器設(shè)計項(xiàng)目，包括高精度地震計時儀、地震計標(biāo)定信號發(fā)生器、地震儀表系統(tǒng)中的電磁干擾識別系統(tǒng)、地震數(shù)采和存儲系統(tǒng)，以團(tuán)隊(duì)形式完成。學(xué)生除了要熟悉這些儀表的工作和設(shè)計原理，還需要擇優(yōu)設(shè)計方案，確定總體設(shè)計框圖并分模塊設(shè)計，搭建最終系統(tǒng)調(diào)試，使之滿足設(shè)計需求，有能力的同學(xué)還可進(jìn)行外圍電路甚至是PCB設(shè)計。依托地震儀器設(shè)計工程項(xiàng)目，變無目標(biāo)被動學(xué)習(xí)為任務(wù)驅(qū)動的主動學(xué)習(xí)，學(xué)生以實(shí)踐、工程化方式掌握EDA技術(shù)，提高了職業(yè)技能。

綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是為對EDA技術(shù)學(xué)習(xí)具有極濃興趣，有意向參加學(xué)科競賽的同學(xué)提供的。通過設(shè)置一些靈活的開放性課題引導(dǎo)他們進(jìn)行綜合設(shè)計并參加創(chuàng)新大賽，如基于FPGA的地震報警鬧鐘、地震烈度計設(shè)計等。

2.教學(xué)手段創(chuàng)新。由于項(xiàng)目要求復(fù)雜，需要綜合運(yùn)用多種EDA平臺構(gòu)建接近實(shí)際工程項(xiàng)目開發(fā)的體系，學(xué)生根據(jù)方案選擇不同平臺，如利用Multisim進(jìn)行電路設(shè)計，利用QuartusII完成軟件編程與仿真。

為引導(dǎo)學(xué)生主動探究，利用微信、QQ、雨課堂[4]等手段，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與線上學(xué)習(xí)融合。課前采用引導(dǎo)式教學(xué)法，用雨課堂布置任務(wù)，推送相關(guān)教學(xué)視頻和PPT，引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)背景和原理知識;課內(nèi)采用互動式教學(xué)法，調(diào)動學(xué)生積極參與討論設(shè)計方案并擇優(yōu)實(shí)現(xiàn);課后利用梳理總結(jié)法，在微信和QQ群內(nèi)督促學(xué)生及時進(jìn)行梳理，將零散知識點(diǎn)串成知識網(wǎng)，并分享優(yōu)秀案例，強(qiáng)化工程項(xiàng)目設(shè)計的總體流程概念，提升學(xué)生專業(yè)技能。

3.多元化考核方式。EDA考核重點(diǎn)是要突出對學(xué)生電子設(shè)計和實(shí)踐應(yīng)用能力的考核。設(shè)定平時成績占50%，不僅參考出勤和實(shí)驗(yàn)報告，還利用雨課堂的互動教學(xué)功能，從學(xué)生實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)，到實(shí)驗(yàn)中方案設(shè)計實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，再到試驗(yàn)后總結(jié)，進(jìn)行全面衡量。期末成績占50%，包括用閉卷考試檢驗(yàn)學(xué)生基本知識掌握程度，以及2～3個開放式地震儀表設(shè)計課題，讓學(xué)生選擇課題進(jìn)行設(shè)計答辯與演示，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的全面考核。

五、結(jié)論

基于EDA技術(shù)與應(yīng)用課程綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合本院防災(zāi)減災(zāi)特色人才培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)行了課程教學(xué)改革，包括設(shè)計分級、緊密結(jié)合行業(yè)應(yīng)用需求的實(shí)踐項(xiàng)目，創(chuàng)新教學(xué)方法和手段，科學(xué)設(shè)置考核方式。實(shí)踐教學(xué)改革基于CDIO理念，讓學(xué)生在工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)中邊做邊學(xué)，掌握電子系統(tǒng)設(shè)計全流程，促進(jìn)學(xué)生提高電子設(shè)計和應(yīng)用創(chuàng)新的能力。課程改革方法可為其他行業(yè)特色院校的EDA課程改革提供一定的思路和參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]張淑莉.應(yīng)用型本科院?！禘DA技術(shù)及應(yīng)用》課程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].智庫時代，2019（21）：296+298.

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