基于行動(dòng)導(dǎo)向的EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)改革研究

劉德方，王先超，陳秀明，趙 佳

（阜陽(yáng)師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 安徽 阜陽(yáng) 236037）

EDA 技術(shù)是現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一支奇葩，深受電子設(shè)計(jì)工程師和教學(xué)科研單位專(zhuān)業(yè)人員的關(guān)注和青睞。EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程是高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、智能科學(xué)等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課。其先導(dǎo)課是數(shù)電、模電、計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)等；后續(xù)課是嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、智能控制等。在整個(gè)課程群中具有舉足輕重的地位[1]。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)EDA 技術(shù)人才的需求量與日俱增，要求專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、專(zhuān)業(yè)技能嫻熟，能夠理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用。因此，應(yīng)用型本科院校對(duì)EDA 技術(shù)人才的培養(yǎng)肩負(fù)著重要的歷史使命[2～3]。但是，近年來(lái)，結(jié)合自己學(xué)校和通過(guò)走訪兄弟院校發(fā)現(xiàn)EDA 技術(shù)課程在教學(xué)理念、教學(xué)摸式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)效果等方面普遍存在著教學(xué)理念滯后、教學(xué)模式單一、教學(xué)方法陳舊、教學(xué)內(nèi)容過(guò)時(shí)、教學(xué)效果欠佳等問(wèn)題。為了與時(shí)俱進(jìn)，EDA 技術(shù)課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

筆者結(jié)合自己多年來(lái)的EDA 技術(shù)課程的教學(xué)感受和經(jīng)驗(yàn)，提出基于行動(dòng)導(dǎo)向的EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)改革方案。在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生是主體，教師是組織者與協(xié)調(diào)人。教師始終承擔(dān)著組織、協(xié)調(diào)、答疑、解惑角色，真正做到服務(wù)于學(xué)生、服務(wù)好學(xué)生。使得學(xué)生能牢固掌握專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和熟練運(yùn)用專(zhuān)業(yè)技術(shù)，大大提升學(xué)生的實(shí)踐效果、專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)、分析問(wèn)題能力、解決問(wèn)題能力、創(chuàng)新能力。

1 行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)

行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)起源于德國(guó)教育界[4]，是強(qiáng)調(diào)學(xué)生同時(shí)使用心、腦、手的教學(xué)，在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生是主體，以專(zhuān)業(yè)技能活動(dòng)為導(dǎo)向，以能力為本位。教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，是組織者和協(xié)調(diào)人。教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)計(jì)劃，由學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行決策和實(shí)施，最后由教師驗(yàn)收、評(píng)估。在整個(gè)“行動(dòng)”過(guò)程中，學(xué)生自己“動(dòng)手”并掌握專(zhuān)業(yè)技能，從而能夠構(gòu)建屬于自己的知識(shí)體系和經(jīng)驗(yàn)感受。

行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)是把學(xué)生的認(rèn)知目標(biāo)和行為目標(biāo)結(jié)合起來(lái)共同實(shí)現(xiàn)；教師是學(xué)生行為的指導(dǎo)者和咨詢(xún)者；教師傳遞知識(shí)的方式是雙向的，教師可以根據(jù)學(xué)生活動(dòng)的成功與否獲悉其接受教師信息的多少和深淺，便于指導(dǎo)和交流。學(xué)生參與程度提高，由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)，即由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)向“我要學(xué)”。教師采用合適的激勵(lì)手段，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在興趣，從不會(huì)到會(huì)，完成一項(xiàng)具體的任務(wù)后，收獲成就感、自豪感、喜悅感和求知欲望的提升及對(duì)課程興趣的增強(qiáng)。教師根據(jù)學(xué)生的行為狀態(tài)、行為過(guò)程、行為內(nèi)容、行為結(jié)果及實(shí)踐效果評(píng)定成績(jī)，使得教學(xué)質(zhì)量得到很好地綜合控制[5-8]。

2 行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)原則

在行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)中，教師提綱挈領(lǐng)地傳授EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)的理論知識(shí)，然后把大量的時(shí)間交給學(xué)生，讓學(xué)生根據(jù)任務(wù)查閱資料、構(gòu)建設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)電路圖或編寫(xiě)源程序、編譯、引腳分配、設(shè)計(jì)輸入波形、仿真結(jié)果分析、下載驗(yàn)證。教師引導(dǎo)學(xué)生明確設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)流程及注意事項(xiàng)，答疑解惑實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

2.1 理論教學(xué)

在傳統(tǒng)的EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)中，理論課36 學(xué)時(shí)（每周1 次，每次2 節(jié)課），實(shí)驗(yàn)課16 學(xué)時(shí)（每2 周1 次實(shí)驗(yàn)課，每次2 學(xué)時(shí)），顯然理論課學(xué)時(shí)多，實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)少，大量的理論知識(shí)得不到實(shí)踐驗(yàn)證，學(xué)生的感受是理論知識(shí)不能盡快或立即由感性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)過(guò)程枯燥無(wú)味，學(xué)生會(huì)逐漸失去對(duì)本課程學(xué)習(xí)的興趣。采用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)模式后，理論課和實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)1：1。教師把理論課授課內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目緊密結(jié)合起來(lái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)幫助消化吸收理論知識(shí)。EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程的理論內(nèi)容包括硬件和軟件兩大部分[9]。其中EDA 技術(shù)的含義、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、常用工具、發(fā)展趨勢(shì)、大規(guī)?？删幊唐骷钠腺Y源、結(jié)構(gòu)組成、工作原理和常用接口等要熟悉。硬件電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是邏輯符號(hào)圖的生成和頂層電路的設(shè)計(jì)。軟件部分涉及到硬件描述語(yǔ)言程序的設(shè)計(jì)如VHDL。原理圖的設(shè)計(jì)方法和技巧以及邏輯單元符號(hào)的生成、硬件描述語(yǔ)言程序架構(gòu)與編寫(xiě)方法都是教師傳授給學(xué)生的。學(xué)生只要能理解掌握即可。理論教學(xué)內(nèi)容可以分為基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和系統(tǒng)層，由淺入深、循序漸進(jìn)。

2.2 實(shí)踐教學(xué)

教師發(fā)放任務(wù)，提出意見(jiàn)和建議后，由學(xué)生獨(dú)立完成[10]。學(xué)生一般都是從創(chuàng)建工程、FPGA 芯片選擇、設(shè)計(jì)原理圖或編寫(xiě)源程序，然后編譯；在編譯環(huán)節(jié)會(huì)遇到許許多多的問(wèn)題：如原理圖設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、源程序語(yǔ)法或算法錯(cuò)誤等，教師在這個(gè)階段答疑解惑，幫助學(xué)生分析出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因以及修改錯(cuò)誤的方法等[11]。引腳分配環(huán)節(jié)要查閱芯片的用戶(hù)手冊(cè)，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)自主查閱資料正確分配引腳；然后通過(guò)分析電路輸入信號(hào)的時(shí)序關(guān)系設(shè)計(jì)仿真波形，并對(duì)含有輸出信號(hào)波形的仿真報(bào)告進(jìn)行分析，若仿真報(bào)告中輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形和理論值一致正確，即仿真報(bào)告正確，即可對(duì)目標(biāo)文件下載驗(yàn)證。要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行剖析、挖掘內(nèi)涵，真正能消化吸收實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果。

3 行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)流程

以可變速率的八位七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示“0～F”電路設(shè)計(jì)為例。流程如圖1 所示。圖中設(shè)計(jì)方案采用原理圖設(shè)計(jì)、硬件描述語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)或原理圖和VHDL 混合輸入的設(shè)計(jì)方式。

圖1 可變速動(dòng)態(tài)顯示數(shù)碼管設(shè)計(jì)

3.1 資訊

學(xué)生獲取資訊時(shí)，在教師的提示下，引導(dǎo)學(xué)生明確任務(wù)[12]。

教師把可變速率的八位七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示“0～F”電路設(shè)計(jì)需要的分頻器模塊、計(jì)數(shù)器模塊、數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)任務(wù)布置給學(xué)生。要求學(xué)生可以用原理圖設(shè)計(jì)和VHDL 程序設(shè)計(jì)兩種方式實(shí)現(xiàn)分頻、計(jì)數(shù)、數(shù)碼管顯示，然后對(duì)這三個(gè)子模塊進(jìn)行邏輯符號(hào)圖的轉(zhuǎn)換，最后將分頻邏輯符號(hào)、計(jì)數(shù)邏輯符號(hào)、數(shù)碼管邏輯符號(hào)集成在一起，即生成頂層邏輯電路，該電路可實(shí)現(xiàn)變速的動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示[13]。

3.2 制定計(jì)劃

根據(jù)可變速的動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)及任務(wù)，教師協(xié)助學(xué)生制定可行性設(shè)計(jì)計(jì)劃。

學(xué)生圍繞資訊，思考設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方案，并和教師交流，教師給出合理性意見(jiàn)和建議。學(xué)生把可變速率的八位七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示“0～F”的電路設(shè)計(jì)工作計(jì)劃劃分為四個(gè)階段：分頻器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段、數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段、集成階段。每個(gè)階段都涉及到子模塊工程的創(chuàng)建、源文件（原理圖或VHDL）的編輯編譯、引腳分配、波形文件的設(shè)計(jì)、功能仿真或時(shí)序仿真、目標(biāo)文件的下載驗(yàn)證。

3.3 決策

在決策階段，學(xué)生依據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇芯片、設(shè)計(jì)硬件電路或編寫(xiě)VHDL 源程序、定義輸入端口和輸出端口并指出各端口的數(shù)據(jù)類(lèi)型及取值范圍[14]。在結(jié)構(gòu)體中信號(hào)或變量的定義與使用，信號(hào)流和數(shù)據(jù)流的通路，算法的設(shè)計(jì)、創(chuàng)建和運(yùn)行是否符合邏輯，引腳分配是否正確，波形文件中輸入信號(hào)的時(shí)序關(guān)系是否合乎邏輯，在這個(gè)過(guò)程中，教師實(shí)時(shí)觀察、糾正、引導(dǎo)學(xué)生走向正確的設(shè)計(jì)方向而不至于跑偏走彎路。

3.4 計(jì)劃實(shí)施

在資訊、制定計(jì)劃、決策的基礎(chǔ)上，實(shí)施計(jì)劃[15]。編輯、編譯原理圖或源程序、對(duì)正確的原理圖或源程序中定義的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行引腳分配、設(shè)計(jì)仿真波形、功能仿真或時(shí)序仿真、分析仿真報(bào)告、生成目標(biāo)文件、下載驗(yàn)證，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論值是否一致。

3.5 檢查評(píng)估

學(xué)生可以自評(píng)、互評(píng)，也可以由教師對(duì)學(xué)生的任務(wù)完成情況進(jìn)行檢查評(píng)估[16]。通過(guò)學(xué)生自評(píng)、互評(píng)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生的自豪感和成就感。教師可以通過(guò)提問(wèn)式了解學(xué)生對(duì)電路原理或VHDL 程序設(shè)計(jì)掌握情況，并對(duì)學(xué)生在原理圖設(shè)計(jì)或VHDL 程序設(shè)計(jì)中普遍出錯(cuò)的情況，及時(shí)檢查、跟蹤和糾正學(xué)生的錯(cuò)誤。

通過(guò)資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、評(píng)估五個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生對(duì)EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)興趣大大提升。由之前較差的學(xué)習(xí)效果即甚至到學(xué)期結(jié)束還不熟悉的EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)流程提升為學(xué)期第一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成之后，學(xué)生就能深刻理解并掌握之。該教學(xué)模式使得學(xué)生對(duì)所做的實(shí)踐項(xiàng)目都留下深刻的烙印，比如：采用原理圖設(shè)計(jì)和VHDL兩種方式設(shè)計(jì)的3：8 譯碼器、基本觸發(fā)器、半加器、全加器、數(shù)控分頻器、含異步清零和同步使能的加法計(jì)數(shù)器和動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示；采用VHDL 設(shè)計(jì)的七人表決器、四人搶答器、數(shù)字鐘；最后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了出租車(chē)計(jì)費(fèi)器的工作過(guò)程。學(xué)生對(duì)每一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目都能進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)分析，真正做到了理論和實(shí)踐的無(wú)縫對(duì)接，成效顯著，達(dá)到了教學(xué)目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)適應(yīng)時(shí)代背景，符合應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)理念、辦學(xué)主旨，有助于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生未來(lái)的學(xué)習(xí)和發(fā)展。教師靈活運(yùn)用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法，能夠有效提升EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)質(zhì)量，為當(dāng)今社會(huì)培養(yǎng)出專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、專(zhuān)業(yè)素質(zhì)優(yōu)秀、專(zhuān)業(yè)技能過(guò)硬的應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才。在整個(gè)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法大大激發(fā)了學(xué)生對(duì)EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新意識(shí)，有效推動(dòng)了EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程的教學(xué)改革。該教學(xué)模式在兄弟院校進(jìn)行了推廣應(yīng)用，均獲得良好的教改效果和師生的好評(píng)，受到同行專(zhuān)家的高度認(rèn)可。同時(shí)，大大縮短了學(xué)生就業(yè)后的企業(yè)培訓(xùn)周期并節(jié)約了培訓(xùn)費(fèi)用，為學(xué)生減輕了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。