摘要：闡述了“電子設(shè)計自動化”課程的重要性，重點(diǎn)分析了該課程的教學(xué)特點(diǎn)；并以此為依據(jù)，探討了從課程引入、理論教學(xué)方法改革、硬件思維貫穿、實(shí)踐教學(xué)改革等四種針對“電子設(shè)計自動化”課程的教學(xué)方法，這些教學(xué)方法在教學(xué)過程中收到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計自動化；課程特點(diǎn)；教學(xué)方法

作者簡介：董素鴿（1983-），女，河南葉縣人，鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院電子信息工程學(xué)院，助教；李華（1972-），男，河南鄭州人，鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院電子信息工程學(xué)院，助教。（河南鄭州451150）

中圖分類號：G642.41#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）11-0046-02

電子設(shè)計自動化（EDA：Electronic Design automation）是將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電子設(shè)計過程中而形成的一門新技術(shù)，[1]它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計和仿真、集成電路的版圖設(shè)計、印刷電路板（PCB）的設(shè)計和可編程器件的編程等各項工作中。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)及電子信息工業(yè)的不斷發(fā)展，電子設(shè)計自動化技術(shù)在信息行業(yè)中的應(yīng)用范圍越來越廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域也涉及產(chǎn)業(yè)鏈中的幾乎任何一個環(huán)節(jié)。一方面是社會上對電子設(shè)計自動化人才的急需，另一方面是我國高校中電子設(shè)計自動化人才培養(yǎng)的落后，兩者之間的矛盾也促使眾多的高校開始在電子信息、微電子技術(shù)等專業(yè)中開設(shè)“電子設(shè)計自動化”課程。如今，該課程已成為眾多信息類學(xué)科的專業(yè)必修課，這為我國電子設(shè)計自動化人才的培養(yǎng)和充實(shí)做出了巨大的貢獻(xiàn)。

“電子設(shè)計自動化”課程教學(xué)效果直接影響著人才培養(yǎng)的質(zhì)量，因此，優(yōu)秀的教學(xué)方法和教學(xué)質(zhì)量是教學(xué)過程中必須重視的。筆者根據(jù)近幾年的教學(xué)經(jīng)歷，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開拓創(chuàng)新，形成了一套特有的教學(xué)方法，旨在培養(yǎng)出基礎(chǔ)牢、思路清、知識廣、能力強(qiáng)的電子設(shè)計自動化人才。

一、“電子設(shè)計自動化”課程教學(xué)的特點(diǎn)

電子設(shè)計自動化是一個較為寬泛的概念，它涵蓋了電路設(shè)計、電路測試與驗(yàn)證、版圖設(shè)計、PCB板開發(fā)等各個不同的應(yīng)用范圍。而當(dāng)前“電子設(shè)計自動化”課程設(shè)置多數(shù)側(cè)重電路設(shè)計部分，即采用硬件描述語言設(shè)計數(shù)字電路。因此，該課程的教學(xué)具非常突出的特點(diǎn)。

1.既要有廣度，又要有深度

有廣度即在教學(xué)過程中需要把電子設(shè)計自動化所包含的各個不同的應(yīng)用環(huán)節(jié)都要讓學(xué)生了解，從而使學(xué)生從整個產(chǎn)業(yè)鏈的角度出發(fā)，把握電子設(shè)計自動化的真正含義，以便于他們建立起一個全局概念。有深度即在教學(xué)過程中緊抓電路設(shè)計這個重點(diǎn)，著重講解如何使用硬件描述語言設(shè)計硬件電路，使學(xué)生具備電路設(shè)計的具體技能，并能夠應(yīng)用于實(shí)踐和工作當(dāng)中。

2.突出硬件電路設(shè)計的概念

在眾多高校開設(shè)的“電子設(shè)計自動化”課程中，多數(shù)是以硬件描述語言VHDL作為學(xué)習(xí)重點(diǎn)的。而VHDL語言是一門比較特殊的語言，與C語言、匯編語言等存在很大的不同。因此，在教學(xué)過程中首先要讓學(xué)生明白這門語言與前期所學(xué)的其他語言的區(qū)別，并通過實(shí)例，如CPU的設(shè)計及制造過程，讓學(xué)生明白VHDL等硬件描述語言的真正用途，并將硬件電路設(shè)計的概念貫穿整個教學(xué)過程。

3.理論與實(shí)踐并重

“電子設(shè)計自動化”是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，必須兩者并重，才能收到良好的教學(xué)效果。在理論學(xué)習(xí)中要突顯語法要點(diǎn)和電路設(shè)計思想，[2]并通過實(shí)踐將這些語法與設(shè)計思想得以加強(qiáng)和鞏固，同時在實(shí)踐中鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二、“電子設(shè)計自動化”課程教學(xué)方法總結(jié)

良好的教學(xué)方法能起到事半功倍的效果。因此，針對“電子設(shè)計自動化”課程的教學(xué)特點(diǎn)，筆者根據(jù)近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了一些行之有效的教學(xué)方法。

1.以生動的形式帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入電子設(shè)計自動化的世界

電子設(shè)計自動化對學(xué)生來說是一個全新的概念。如何讓他們能夠快速地進(jìn)入到這個世界中，并了解這個世界的大概，從而對這個領(lǐng)域產(chǎn)生興趣，是每個老師在這門課授課之前必須要做的一件事情。教師可以采用一些現(xiàn)代化的多媒體授課技術(shù)，讓學(xué)生更直觀地了解電子設(shè)計自動化。由于電子設(shè)計自動化是一個很抽象的概念，因此，可以通過播放視頻、圖片等一些比較直觀的內(nèi)容來讓學(xué)生了解這個領(lǐng)域。從學(xué)生最熟悉的電腦CPU引入，通過一段“CPU從設(shè)計到制造過程”的視頻，讓學(xué)生了解集成電路設(shè)計與制造的流程與方法，并引出集成電路這個概念。

通過早期的集成電路與現(xiàn)在的集成電路的圖片對比，引出EDA的概念，并詳細(xì)講解EDA對于集成電路行業(yè)的發(fā)展所作的巨大貢獻(xiàn)。在教學(xué)過程中，通過向?qū)W生介紹一些使用EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的當(dāng)前比較主流的產(chǎn)品及其應(yīng)用，提高學(xué)生對EDA的具體認(rèn)識。這些方法不僅使學(xué)生對EDA相關(guān)的產(chǎn)業(yè)有了相應(yīng)的了解，更激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠踴躍地投入到“電子設(shè)計自動化”的學(xué)習(xí)中。

2.以實(shí)例展開理論教學(xué)

“電子設(shè)計自動化”的學(xué)習(xí)內(nèi)容包含三大部分：[3]硬件描述語言（以VHDL語言為學(xué)習(xí)對象）、開發(fā)軟件（以QUARTUS II為學(xué)習(xí)對象）和實(shí)驗(yàn)用開發(fā)板（以FPGA開發(fā)板為學(xué)習(xí)對象）。

硬件描述語言的學(xué)習(xí)屬于理論學(xué)習(xí)部分，是重中之重。對于一門編程語言的學(xué)習(xí)來說，語法和編程思想是學(xué)習(xí)要點(diǎn)。在傳統(tǒng)的編程語言學(xué)習(xí)的過程中，通常都是將語法作為主線，結(jié)合語法實(shí)例逐漸形成編程思想。這種學(xué)習(xí)方法會使學(xué)生陷入到學(xué)編程語言就是學(xué)習(xí)語法的誤區(qū)中，不僅不能學(xué)到精髓，還會因?yàn)榭菰锓ξ抖a(chǎn)生厭倦感。

如何能使學(xué)生既能掌握電路設(shè)計的方法，又輕松掌握語法規(guī)則是一個教學(xué)難題。筆者改變傳統(tǒng)觀念，將編程思想的學(xué)習(xí)作為教學(xué)主線，在理論學(xué)習(xí)過程中，以具體電路實(shí)例為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生從分析電路的功能入手，熟悉將電路功能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的程序語句的過程，并掌握如何將這些語句按照規(guī)則組織成一個完整無誤的程序。在此過程中，不斷引入新的語法規(guī)則。由于整個過程中學(xué)生的思考重點(diǎn)都放在電路功能的實(shí)現(xiàn)上，而語法的學(xué)習(xí)就顯得不那么突兀，也不會產(chǎn)生厭倦感。由于語法時刻都需要用到且容易忘記，因此在后期的實(shí)例講解過程中需要不斷地鞏固之前所學(xué)過的語法現(xiàn)象，以避免學(xué)生遺忘，以此讓學(xué)生明白，學(xué)習(xí)編程語言的真正目的是為了應(yīng)用于電路設(shè)計。通過一些實(shí)踐，學(xué)生體會到語言學(xué)習(xí)的成就感，進(jìn)一步提高了學(xué)習(xí)興趣，此方法收到了良好的教學(xué)效果。

3.將硬件電路設(shè)計的概念貫穿始終

硬件描述語言與軟件語言有本質(zhì)區(qū)別。很多學(xué)生由于不了解硬件描述語言的特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)過程中很容易將之前所學(xué)的C語言等軟件編程語言的思維慣性的應(yīng)用于VHDL語言的學(xué)習(xí)過程中，這對于掌握硬件電路設(shè)計的實(shí)質(zhì)有非常大的阻礙。因此，在教學(xué)過程中，從最初引入到最后設(shè)計電路，都要始終將硬件電路設(shè)計的概念和思維方式貫穿其中。

在講述應(yīng)用實(shí)例時，需要向?qū)W生分析該例中的語句和硬件電路的關(guān)系，并強(qiáng)調(diào)這些語句與軟件語言的區(qū)別。以if語句為例，在VHDL語言中，if語句的不同應(yīng)用可以產(chǎn)生不同的電路結(jié)構(gòu)。完整的if語句產(chǎn)生純組合電路，不完整的if語句將產(chǎn)生時序電路，如果應(yīng)用不當(dāng)，會在電路中引入不必要的存儲單元，增加電路模塊，耗費(fèi)資源。[4]而對于軟件語言，并沒有完整if語句與不完整if語句之分。為了讓學(xué)生更深刻地理解不同的if語句對應(yīng)的硬件電路結(jié)構(gòu)特性，可以通過一個小實(shí)例綜合之后的電路結(jié)構(gòu)圖來說明。

如以下兩個程序：

（1）entity muxab is

port（a，b：in bit；

y：out bit）；

end；

architecture behave of muxab is

begin

process（a，b）

begin

if a>b then y<='1'；

elsif a

end if；

end process；

end；

（2）entity muxab is

port（a，b：in bit；

y：out bit）；

end；

architecture behave of muxab is

begin

process（a，b）

begin

if a>b then y<='1'；

else y<='0'；

end if；

end process；

end；

（1）（2）兩個程序唯一的不同點(diǎn)在于：程序（1）中使用的是elsif語句，是一個不完整的if語句描述，而程序（2）使用的是else語句，是一個完整的if語句描述。這一條語句的區(qū)別卻決定了兩個程序的電路結(jié)構(gòu)有很大的不同。（1）綜合的結(jié)果是一個時序電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示。而（2）綜合的結(jié)果是一個純組合電路，電路結(jié)構(gòu)非常簡單，如圖2所示。通過綜合后的電路圖比較，學(xué)生更深刻理解這兩類語句的區(qū)別。

強(qiáng)化硬件電路設(shè)計的思想，可以促使學(xué)生逐漸形成一種規(guī)范、高效、資源節(jié)約的設(shè)計風(fēng)格，培養(yǎng)一個優(yōu)秀的硬件電路設(shè)計工程師。

4.通過實(shí)踐拓展強(qiáng)化學(xué)生動手能力

“電子設(shè)計自動化”是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，學(xué)生在學(xué)完該課程后必須具備一定的硬件電路設(shè)計和調(diào)試的能力，因此在教學(xué)中需要不斷地用實(shí)踐訓(xùn)練來強(qiáng)化學(xué)生在課堂所學(xué)習(xí)的理論知識，并使他們達(dá)到能夠獨(dú)立設(shè)計較復(fù)雜硬件電路的能力。

筆者在教學(xué)過程中鼓勵學(xué)生將課程實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容相結(jié)合的方法，讓學(xué)生強(qiáng)化實(shí)踐能力，收到了良好的效果。學(xué)習(xí)“電子設(shè)計自動化”課程的學(xué)生基本上都是即將進(jìn)入大四，此時他們的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)開始進(jìn)入選題，開始了初步設(shè)計的過程。筆者先在實(shí)驗(yàn)課堂向?qū)W生布置一些常用硬件電路設(shè)計的題目，比如交通燈、自動售貨機(jī)、電梯控制器等，讓學(xué)生體會電子設(shè)計自動化課程的實(shí)用性，激發(fā)他們的思考和學(xué)習(xí)興趣。在此基礎(chǔ)上分組組建實(shí)踐小團(tuán)隊，讓每組學(xué)生共同完成一個較復(fù)雜的電路系統(tǒng)，比如遙控小車、溫度測控系統(tǒng)等，鼓勵他們將所做的內(nèi)容與畢業(yè)設(shè)計對接。其中大部分同學(xué)通過這些訓(xùn)練都可以掌握硬件電路設(shè)計的基本方法和流程，有一部分同學(xué)還能設(shè)計出比較出色的作品。此過程不僅讓學(xué)生體會到了學(xué)習(xí)知識的快樂，也培養(yǎng)了他們的團(tuán)隊協(xié)作精神，為他們以后的繼續(xù)深造和工作做了鋪墊。

三、結(jié)束語

掌握“電子設(shè)計自動化”課程的特點(diǎn)，有針對性地改善教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化理論和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，一方面使學(xué)生把握課程的全局性，了解和熟悉電子設(shè)計自動化行業(yè)的狀況和最新動態(tài)；另一方面培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和良好的動手能力，培養(yǎng)出厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、有創(chuàng)新的高素質(zhì)人才，具有重要的社會意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[2]Roth，C.H.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與VHDL[M].金明錄，劉倩，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3]陳立靜.EDA技術(shù)在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2009，(3):83-84.

[4]曹瑞.EDA技術(shù)與CPLD/FPGA開發(fā)應(yīng)用簡明教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）