可編程器件及EDA技術(shù)課程教學(xué)改革

解建俠 張建中 張明

（安徽建筑大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 安徽 合肥 230601）

EDA 技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)涉及電子信息、通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用及自動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域，其重要性也日益突出。同時(shí)，隨著技術(shù)市場(chǎng)與人才市場(chǎng)對(duì)EDA技術(shù)需求的不斷提高，產(chǎn)品的市場(chǎng)效率和技術(shù)要求也必然會(huì)反映到教學(xué)和科研領(lǐng)域中來(lái)［1］。

1 課程教學(xué)目標(biāo)

可編程器件及EDA 技術(shù)課程是筆者學(xué)校針對(duì)計(jì)算機(jī)、電子信息工程等專業(yè)開設(shè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，是模擬電子線路、數(shù)字電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課后開設(shè)的一門必修課程。本課程的教學(xué)目標(biāo)是：結(jié)合已學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，運(yùn)用較新的設(shè)計(jì)方法、較新的器件和軟件，進(jìn)行數(shù)字電路、數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。通過理論和實(shí)踐學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、優(yōu)化、仿真、測(cè)試，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，掌握EDA 設(shè)計(jì)基本方法，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力、工程設(shè)計(jì)能力的目的。

2 教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

本校緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，從開設(shè)這門課以來(lái)，一直在探索和改進(jìn)。最初采用的是理論32學(xué)時(shí)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)8 學(xué)時(shí)的教學(xué)模式。延續(xù)了幾年，越來(lái)越發(fā)現(xiàn)對(duì)于這類需要實(shí)際操作的課程，實(shí)踐部分急需加強(qiáng)。于是，幾年前開始調(diào)整為理論24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課脫離理論課單獨(dú)開設(shè)，提高到30 學(xué)時(shí)；語(yǔ)言也由最初的VHDL 調(diào)整為Verilog HDL，教學(xué)效果在一定程度上得到了提升。

將實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)開設(shè)為一門課，并且學(xué)時(shí)提高到30學(xué)時(shí)，這一舉措效果良好。在實(shí)施了幾年后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的動(dòng)手能力明顯提高了不少，對(duì)這門課的理解也加深了很多。為了更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際，發(fā)現(xiàn)有些地方還存在不足，有待改進(jìn)，具體如下。

2.1 理論學(xué)時(shí)不夠，授課方式單一

理論學(xué)時(shí)的縮減給整本教材的講解帶來(lái)了一定的困難，在授課當(dāng)中，只能選取課本中比較重要的部分進(jìn)行詳細(xì)講解。另外，為了讓學(xué)生鞏固知識(shí)點(diǎn)，還要在課堂上集中講解作業(yè)中的錯(cuò)誤點(diǎn)，但是這務(wù)必又會(huì)占用一部分教學(xué)時(shí)間，所以，在授課當(dāng)中處處覺得課時(shí)不夠。

授課方式的單一主要體現(xiàn)在教師講授理論知識(shí)、學(xué)生被動(dòng)接受［2］，雖然在課堂上盡量活躍氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，但是整體的學(xué)習(xí)效果還有提升的空間。筆者最近就授課方式在學(xué)生中進(jìn)行了調(diào)研，部分學(xué)習(xí)認(rèn)真的學(xué)生認(rèn)為有的章節(jié)可以安排學(xué)生提前預(yù)習(xí)，然后由學(xué)生主講，這樣不僅可以幫助學(xué)生加深理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也可以讓學(xué)生得到鍛煉。

2.2 教學(xué)安排不太合理

目前的教學(xué)安排是每周1 次，每次3 學(xué)時(shí)。就教學(xué)效果而言，每周2 次、每次2 課時(shí)是最合理的，教師和學(xué)生的狀態(tài)都會(huì)比較好。而現(xiàn)在的3 節(jié)課連上，教學(xué)效果和聽課效果都會(huì)大打折扣，教師精神飽滿地上了2 節(jié)課后，已略顯疲憊，接下來(lái)的第3 節(jié)課，教師基本上是用意志力在上課，教學(xué)熱情隨之也會(huì)減少；而學(xué)生的專注力也會(huì)較前2 節(jié)大大降低，他們會(huì)說(shuō)話，會(huì)走神，會(huì)時(shí)不時(shí)想看手機(jī)，總之很難集中精力。

2.3 教學(xué)環(huán)境需要改善

2.3.1 理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有很好的銜接

目前，理論課和實(shí)驗(yàn)課分別在教室、EDA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，沒有很好地銜接，其實(shí)這二者都應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。教師在講解理論課的某些知識(shí)點(diǎn)時(shí)，學(xué)生可以跟著教師的節(jié)奏在機(jī)器上實(shí)時(shí)操作，學(xué)習(xí)效果會(huì)提高不少。例如，在介紹Verilog HDL 相關(guān)規(guī)則及語(yǔ)法后，學(xué)生可以在軟件平臺(tái)上編寫簡(jiǎn)單的程序，編譯運(yùn)行，如果有錯(cuò)誤，計(jì)算機(jī)會(huì)有相應(yīng)的英文提示，學(xué)生通過反復(fù)修改、編譯會(huì)很快掌握相關(guān)的語(yǔ)法。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)室面積小，臺(tái)套數(shù)少

目前，實(shí)驗(yàn)室面積只有132m2，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也僅有40 臺(tái)套，如果想保證人手一套的話，每次只能安排40 個(gè)學(xué)生。但就上學(xué)期教學(xué)實(shí)際情況而言，理論課單次授課時(shí)學(xué)生最多的班級(jí)可達(dá)100 多人，所以，就目前的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，很難將理論課和實(shí)驗(yàn)課都放在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。另外，在實(shí)驗(yàn)的安排上，局限于當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，要分多批進(jìn)行，這在一定程度上也增加了教師的負(fù)擔(dān)。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)耗時(shí)長(zhǎng)

目前，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是教師先提前布置任務(wù)，學(xué)生做好預(yù)習(xí)工作，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，教師查看驗(yàn)收結(jié)果并做記錄，學(xué)生回去撰寫紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中截圖、打印并粘貼在報(bào)告中。筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)該改進(jìn)，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)后及時(shí)提交完整的電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這樣不但可以給學(xué)生節(jié)省很多的時(shí)間，而且還會(huì)大大減少紙張的浪費(fèi)。

3 學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性有待提高

都說(shuō)興趣是最好的老師，那么，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性呢？這就需要教師的引導(dǎo)及學(xué)習(xí)條件的創(chuàng)造。筆者認(rèn)為學(xué)院可以聯(lián)合一些器件廠家，建成“口袋實(shí)驗(yàn)室”，因其功能相對(duì)齊全、體積較小，學(xué)生攜帶起來(lái)比較方便，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足［3］。這樣學(xué)生就可以像借閱圖書一樣用學(xué)生證到實(shí)驗(yàn)室借用口袋實(shí)驗(yàn)套件來(lái)完成課程學(xué)習(xí)、創(chuàng)新活動(dòng)等相關(guān)內(nèi)容，有了這些實(shí)驗(yàn)套件，學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制在任何一個(gè)可以學(xué)習(xí)的地方，隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［4］，一個(gè)真正意義上的全開放、全共享、課內(nèi)外一體化的自主學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺(tái)正式建立了，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性自然就會(huì)提高了。

對(duì)于創(chuàng)新性而言，在學(xué)生掌握基本知識(shí)的前提下，可以進(jìn)行知識(shí)的拓展。在授課方面，可以將該課程涉及的最新知識(shí)傳授給學(xué)生，如軟件的最新版本、EDA 技術(shù)應(yīng)用的最新領(lǐng)域等。具體的內(nèi)容可以引用實(shí)例進(jìn)行講解，例如，在講解狀態(tài)機(jī)時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生思考日常生活中哪些可以用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，如交通燈、電梯、自動(dòng)售貨機(jī)等，這些比較熟悉的實(shí)例學(xué)生會(huì)比較感興趣，也很容易接受，更重要的是，學(xué)生還會(huì)主動(dòng)思考現(xiàn)實(shí)生活中還有哪些可以用類似的方法實(shí)現(xiàn)。此外，可以提高創(chuàng)新性的方法是教師指導(dǎo)培養(yǎng)優(yōu)秀大學(xué)生參加各類學(xué)科競(jìng)賽，檢驗(yàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力，開闊學(xué)生視野［5］。

4 教師的知識(shí)儲(chǔ)備有待加強(qiáng)

可編程器件及EDA 技術(shù)這門課知識(shí)更新得非?？?，教師承擔(dān)著教書育人的重任，所以，授課教師要緊跟發(fā)展潮流，進(jìn)行相應(yīng)的知識(shí)儲(chǔ)備更新。但是，教師目前實(shí)際的儲(chǔ)備量達(dá)不到要求，甚至略顯匱乏。對(duì)于師資力量的提升，建議重點(diǎn)實(shí)施入企培訓(xùn)、進(jìn)修和實(shí)訓(xùn)鍛煉方式，提出“雙師型”教師隊(duì)伍培養(yǎng)方案［6］。教師在授課之余也應(yīng)該積極主動(dòng)地通過網(wǎng)絡(luò)等平臺(tái)汲取新知識(shí)，主動(dòng)參加相關(guān)的專業(yè)資格認(rèn)證考試，通過校方和自身的努力，將EDA 技術(shù)最新、最全的知識(shí)“收入囊中”。

以上是筆者在近幾年的可編程器件及EDA 技術(shù)課程教學(xué)中對(duì)這門課進(jìn)行教學(xué)改革的一些體會(huì)，本著從學(xué)生出發(fā)，立足社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀，爭(zhēng)取做到更好、更強(qiáng)，設(shè)想通過這些舉措將該課程的教學(xué)效果提高到新的層次。

5 展望

結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，在以后的教學(xué)中，應(yīng)盡可能地在現(xiàn)有的教學(xué)條件下進(jìn)一步提升教學(xué)效果，具體可以從以下幾個(gè)方面入手。

5.1 以立德樹人為根本，探索“課程思政”新模式

根據(jù)本課程的教學(xué)內(nèi)容與特點(diǎn)，將培養(yǎng)家國(guó)情懷、培養(yǎng)專業(yè)自信、培養(yǎng)工匠精神和培養(yǎng)職業(yè)精神4 個(gè)方面作為“課程思政”的新模式。

在講授EDA 技術(shù)緒論時(shí)，通過電子技術(shù)的發(fā)展史，并結(jié)合工業(yè)技術(shù)革命等內(nèi)容，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)人類對(duì)美好生活向往的基礎(chǔ)［7］。在介紹PLD產(chǎn)品概述時(shí)，通過查閱最新資料，帶學(xué)生了解國(guó)際市場(chǎng)上EDA 市場(chǎng)呈現(xiàn)寡頭壟斷的局面，主要由Synopsys、Cadence 和Mentor（被西門子收購(gòu)）三巨頭瓜分，國(guó)內(nèi)EDA 市場(chǎng)超過85%的份額也由三大廠商占據(jù)［8］。差距固然存在，但是受政策和資本的雙重?fù)泶?，我?guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，以華大九天、芯愿景等為代表的多家本土EDA公司軟件在業(yè)內(nèi)得到一定程度上的應(yīng)用，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)公司使用本土公司EDA工具，從而培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)自信。

課程思政的實(shí)施是一個(gè)綜合性過程，除了在課堂教學(xué)的過程中引入思政案例之外，還可以在多個(gè)維度相互配合展開，將課堂教學(xué)與課外教學(xué)相結(jié)合。

5.2 與信息技術(shù)有機(jī)融合，提升知識(shí)理解與應(yīng)用

現(xiàn)代信息技術(shù)要改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生樂意并有更多的精力投入現(xiàn)實(shí)的、探索性的教學(xué)活動(dòng)中去。在本學(xué)科的課堂教學(xué)中，將信息技術(shù)手段作為模擬教學(xué)、案例教學(xué)、討論等教學(xué)方式的有效輔助形式。恰當(dāng)運(yùn)用新媒體技術(shù)，創(chuàng)設(shè)良好教學(xué)“情境”。建立網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，使學(xué)生學(xué)習(xí)更加方便、師生溝通更加便捷高效［9］。新媒體教學(xué)的感性知識(shí)信息刺激學(xué)生的各種感官，從而獲得最佳教學(xué)效果。

5.3 用信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)課程全過程管理

借助信息技術(shù)手段，通過建立班級(jí)QQ群、微信群、學(xué)習(xí)通等多方位實(shí)現(xiàn)課程管理，從而使得學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教授可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制。借助移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)（學(xué)習(xí)通），為課堂教學(xué)注入新活力，如學(xué)生的簽到問題，100多名學(xué)生，可以在短短1min內(nèi)了解出勤率。課程管理增加課堂教學(xué)過程中師生間的課堂互動(dòng)和信息反饋，提高學(xué)生參與教學(xué)過程的主動(dòng)性和積極性，從而提高本課程的教學(xué)效果。

5.4 混合式教學(xué)模式

混合教學(xué)模式將傳統(tǒng)線下面對(duì)面的課堂教學(xué)與借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)和有機(jī)融合，既發(fā)揮了傳統(tǒng)面對(duì)面的課堂教學(xué)過程中教師的引導(dǎo)和監(jiān)控教學(xué)過程的作用，又給傳統(tǒng)課堂教學(xué)引入了新活力，發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

混合式的教學(xué)創(chuàng)新模式對(duì)教學(xué)效果的提升有很好的輔助作用。例如，在講授這門課之前，引導(dǎo)學(xué)生提前在線觀看視頻，組織學(xué)生思考我國(guó)為什么必須研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)EDA技術(shù)，并進(jìn)行分組討論。

教學(xué)過程從基礎(chǔ)到高階遞進(jìn)，從傳統(tǒng)的被動(dòng)式的“教師教”到主動(dòng)式的“學(xué)生學(xué)”。

6 結(jié)語(yǔ)

EDA 課程作為一門應(yīng)用性很強(qiáng)的實(shí)踐類課程，已經(jīng)成為電子信息類專業(yè)學(xué)生完成現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的設(shè)計(jì)工具。對(duì)基于FPGA的EDA教學(xué)，首先，從提高教師自身綜合素質(zhì)入手，充分考慮FPGA 和EDA技術(shù)的特點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容。其次，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，采取形式多樣的教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)方法，配合豐富多彩的課外實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)，并建立多元化的考核方式，以此提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)，以及分析問題和解決問題的能力。最后，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握先進(jìn)的EDA 技術(shù)，能夠運(yùn)用Verilog HDL 進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為以后從事芯片級(jí)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。