校企協(xié)同合作 促進EDA課程建設

薛亞茹 閆景富 陳 沖

（中國石油大學（北京）信息工程學院電子信息工程系，北京 102249）

0 引言

2017年2 月，教育部提出推進新工科建設，并達成了10項共識，其中“新工科建設需要社會力量積極參與”“新工科建設需要加強研究和實踐”說明學校建設需要社會參與尤其是專業(yè)課程建設更需要相關企業(yè)參與，專業(yè)課程不僅僅是基礎知識的建設，更需要新知識；新技術的注入，教師提升研究水平，學生需要更多的實踐能力并與社會接軌，這些社會發(fā)展需求督促學校加強校企合作，提升專業(yè)課程建設水平。

EDA課程是電子信息專業(yè)的一門主要實踐課程，以FPGA開發(fā)為主要教學內容。近年來FPGA憑借編程靈活性強、產品適應性廣、計算可并行化等優(yōu)勢，不僅在傳統(tǒng)領域中得到了廣泛應用，在5G、通信、自動駕駛、人工智能、云計算等前沿科技領域也發(fā)揮著舉足輕重的作用。

為了提高EDA課程建設水平，按照注重課堂基礎建設、師資繼續(xù)教育培訓、企業(yè)進校提升綜合實踐能力、校企合作培養(yǎng)創(chuàng)新能力四個層次，循序漸進提升EDA課程質量。

1 注重課堂基礎建設

為加強教學實踐內容的基礎建設，按照EDA實現(xiàn)方法和內容分層次教學[1]。將簡單組合邏輯電路的實現(xiàn)作為最低層次，即程序編寫時更多地采用數(shù)據(jù)流描述方式和結構描述方式，如選擇器、加法器、譯碼器、表決器等電路的實現(xiàn)。以上數(shù)字電路設計盡管是采用EDA技術實現(xiàn)，但并不能充分體現(xiàn)EDA技術的優(yōu)勢，這部分內容的學習更多是讓初學者體會如何通過EDA技術實現(xiàn)先前所學過的中小規(guī)模集成電路功能。將時序邏輯電路尤其信號傳輸及時序控制電路的設計作為第二層次，如A/D轉換器命令傳輸及數(shù)據(jù)讀寫控制、各種通信接口電路設計，其特點是邏輯功能比較復雜，必須使用EDA技術并通過行為描述方式進行編程才能實現(xiàn)，可以讓學生充分體會EDA技術的優(yōu)勢，并從中不斷學習硬件描述語言的編程方法和技巧。將算法或具有獨立功能的子模塊的實現(xiàn)作為最高層次，如FFT、FIR、軟核嵌入式系統(tǒng)等，這些設計上升到系統(tǒng)層面，需要在了解其他學科相關理論知識的基礎上，學習如何使用EDA技術并實現(xiàn)其算法功能，是EDA技術應用的進一步提升。

這種分層次的教學更好地反映了EDA技術的教學本質內容。針對上述建設思想，將課堂實驗分為兩個層次。一是基礎實驗練習。主要設計了以下4個實驗：加法器及7段數(shù)碼顯示譯碼電路、半整數(shù)與奇數(shù)分頻器設計、DDS正弦信號發(fā)生器設計、ADC采樣控制電路設計。二是實踐練習。在基礎實驗之上，設計了具有綜合性質的實踐練習，包括樂曲硬件演奏電路設計、計時電路設計、正弦信號發(fā)生器設計、FIR濾波器設計、數(shù)字頻率計設計等。通過兩個層次的訓練，學生對EDA設計建立了知識框架，為以后進行工程設計打下了良好的設計基礎。

2 師資繼續(xù)教育培訓

為貫徹落實《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》（國辦發(fā)〔2017〕95號）和《關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》等有關文件精神，深入推進產學合作協(xié)同育人，教育部在16年推出產學合作協(xié)同育人項目。該項目通過政府搭建高校與企業(yè)之間溝通平臺，企業(yè)提供部分資金和設備支持，與高校教師協(xié)同進行課程建設、師資培訓、實驗室建設等項目，共同建設各類教學資源，達到校企深度合作，促進產學研結合。

FPGA是一門快速發(fā)展的技術，對教師的教學水平不斷提升提出較高要求。借助此平臺學校申報了相關的師資培訓，進行了有關單/雙口RAM、常系數(shù)復雜FIR濾波器的設計等，分享了EDA工具在各個綜合階段的設計技巧。為與相關課程銜接，我們與企業(yè)工程師共同開發(fā)了圖像邊沿檢測、目標自動跟蹤等有較高難度的實踐開發(fā)項目。通過這些技術的共同交流，教師及時更新知識結構，保證了學校教育與社會用人需求接軌。

3 企業(yè)進校提升綜合實踐能力

傳統(tǒng)課堂教學注重基礎知識構建，課程分散時間較長，實踐項目的針對性練習相對較少。而對于傳統(tǒng)教學課程安排，企業(yè)集訓可以在短時間內有針對性地提高學生FPGA知識水平，通過具體的實驗項目結合市場導向，再結合課堂學習中的模數(shù)電基礎知識，在具體實踐項目中帶領學生完整地學習FPGA開發(fā)流程，讓學生在短期內掌握研發(fā)工程師所需要的基礎開發(fā)技能以及工具使用方面的技巧，可以獨立自主完成項目分析需求設計開發(fā)。

為此我們邀請相關企業(yè)進校配合教師協(xié)同完成EDA課程設計。利用企業(yè)豐富的硬件資源，拓展教學的實驗器材種類豐富，mini擴展版，配合口袋機進行課堂演練，遠程云端硬件實驗則可以滿足學生在課下業(yè)余時間通過互聯(lián)網(wǎng)在線訪問遠程硬件進行線上練習。

針對計算機組成原理項目，以MIPS CPU為例，從寄存器，多路器，存儲器等逐步構建，對每個模塊都繪制時序電路，帶領學生現(xiàn)場根據(jù)電路用編程語言描述出構想的電路，最終通過集訓完成單周期、多周期以及流水線CPU設計。在此基礎上，擴展模塊與口袋機硬件相配合還實現(xiàn)了智能電梯模擬控制、智能家居模擬以及指紋識別，RFID門禁控制，WIFI等。

通過與企業(yè)合作，提高了學生實踐能力，學生也初步建立了工程意識[2]。

4 校企合作培養(yǎng)創(chuàng)新能力

學生的培養(yǎng)需要與社會接軌，在綜合實驗完成以后，對于優(yōu)秀學生應鼓勵他們參與教師科研項目，或參與校企合作培養(yǎng)。經過多方調研，與某視頻公司建立了深度合作。在與公司的合作研究中，將企業(yè)工程問題化解為一個個子課題，讓學生組成科研團隊逐個解決，完成生產級項目。

例如，以基于FPGA的KVM收發(fā)器設計為目標，將該項目分解為視頻信號的收發(fā)、音頻信號的收發(fā)、串口信息的收發(fā)、鼠標鍵盤信息的收發(fā)、紅外信息的收發(fā)等模塊。

第一模塊實現(xiàn)1080P＠60Hz視頻的信號收發(fā)功能；第二模塊實現(xiàn)IIS音頻的信號收發(fā)功能；第三模塊實現(xiàn)串口信息的收發(fā)功能；第四模塊實現(xiàn)鼠標鍵盤信息的收發(fā)功能；第五模塊實現(xiàn)紅外信息的收發(fā)功能，發(fā)送端接收到數(shù)據(jù)進行解調，按NEC協(xié)議解碼，嵌入視頻流后發(fā)送。

基于FPGA的KVM收發(fā)器設計實現(xiàn)了視頻信息的雙向收發(fā)和音頻信息、串口信息、鼠標鍵盤信息、紅外信息的單向傳輸，在實現(xiàn)多功能信息傳輸?shù)耐瑫r保證速度快、低時延，形成一個完整的項目，提高了學生綜合設計能力。在實際操作的過程中，學生也遇到了許多困難和問題，經過不斷地嘗試、思考、總結和反復修改，學生能力得到很大提高。

對于實踐性強的EDA課程，提升課程質量，與企業(yè)合作是一條有效的途徑。對于學生，從課堂走向項目，鍛煉了其綜合實踐能力，使其了解了工程實踐要求，學生后續(xù)課程的學習方法和學習態(tài)度都得到了很大的促進；對于教師，經過與企業(yè)的對接，不斷更新知識體系，了解社會對人才的需求，實現(xiàn)教學內容及時與社會同步，保證了良好的教學質量；對于企業(yè)，既培養(yǎng)了學生，也與學校建立了良好的合作關系，提升科研實力，達到雙贏。