唐 續(xù)， 趙芳斌， 劉 曦， 蒲曉蓉

(電子科技大學(xué) a.電子工程學(xué)院；b.英才實驗學(xué)院， 四川 成都 611731)

0 引 言

如何提高學(xué)生的實驗水平和實踐能力是我校的國家實驗教學(xué)示范中心的重要任務(wù)[1-2]。

中心為全校電類專業(yè)(約2 500人/年)開設(shè)了專業(yè)基礎(chǔ)必修課“電子技術(shù)綜合實驗”，擔(dān)負(fù)著現(xiàn)代電子技術(shù)實驗教學(xué)體系結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)到創(chuàng)新過程的承上啟下的重要作用[3]。該課程以EDA應(yīng)用[4]和單片機(jī)(MCU)應(yīng)用[5]為技術(shù)核心，要求學(xué)生完成一個功能完整的電子小系統(tǒng)。該課程經(jīng)前期局部的開放式教學(xué)嘗試[6]，目前開始了大面積的開放模式教學(xué)。在讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，主動觀察、思考和發(fā)現(xiàn)新問題，獨立分析和解決問題，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新綜合素質(zhì)、團(tuán)隊協(xié)作和奉獻(xiàn)精神[7-10]等方面，取得良好的教學(xué)效果。同時，面對如此眾多的學(xué)生，也出現(xiàn)一些新問題。

本文討論了在開放教學(xué)中出現(xiàn)的問題，并提出“實驗整合”的改革思路和嘗試，與大家共同探討。

1 當(dāng)前開放實驗教學(xué)的問題

(1) 實驗內(nèi)容不統(tǒng)一。開放式的綜合實驗課程優(yōu)選了原有的實驗內(nèi)容，典型實驗項目如表1所示。各項目明顯地區(qū)分為EDA 技術(shù)類和單片機(jī)技術(shù)類實驗。并且，兩類實驗并行設(shè)立，學(xué)生只能參與到一類題目及其技術(shù)訓(xùn)練中?；A(chǔ)好的同學(xué)時有反映對更豐富訓(xùn)練內(nèi)容的渴求。

表1 綜合實驗項目

(2) 實驗設(shè)備不統(tǒng)一。由于實驗設(shè)備的用量相當(dāng)大，在實驗開設(shè)中，對EDA類實驗采用了自制的FPGA實驗平臺；對單片機(jī)類實驗采用了外購的單片機(jī)實驗平臺。而且，受場地限制，分別配置于多個實驗房間，不能換用。這從空間上限制了實驗內(nèi)容的選擇。學(xué)生只能在相同配置的房間做實驗。常出現(xiàn)某時段的一類房間空置，而另一類房間容納不下的困境。沒有真正實現(xiàn)空間開放。

(3) 教學(xué)資料不統(tǒng)一。分別針對EDA實驗和單片機(jī)實驗，中心有獨立的實驗指導(dǎo)講義和豐富的教學(xué)資料。但因二者基于不同的平臺，不能共用，學(xué)生選課后確定一本講義使用。缺少統(tǒng)一的教材，造成教學(xué)管理等多方面的不規(guī)范。

(4) 教學(xué)方式和評價不統(tǒng)一。該實驗課和教學(xué)計劃內(nèi)的其他理論課同期開設(shè)。因此，同一學(xué)院的所有學(xué)生將同一時段來進(jìn)行實驗，需要開放所有的兩類實驗室來應(yīng)對。同時，為了平衡實驗室工作負(fù)荷及實驗指導(dǎo)教師的工作量，采用行政班方式選課，使得同一學(xué)院的班將被分到兩類實驗中。既使某些學(xué)院學(xué)生對不同實驗技術(shù)有所偏重，如機(jī)電學(xué)院學(xué)生偏重單片機(jī)技術(shù)，通信學(xué)院學(xué)生偏重EDA技術(shù)，也只能服從教學(xué)管理的選擇。

其結(jié)果是，學(xué)生不能自主選擇實驗，沒有真正實現(xiàn)內(nèi)容開放。同時，由于兩類實驗內(nèi)容的完成過程不同，最終作品的評價標(biāo)準(zhǔn)難以一致，學(xué)生成績的公平性時常受到詬病。

3 實驗整合的改革與實踐

分析上述問題，可以發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)在于缺乏統(tǒng)一。解決之道在于對當(dāng)前實驗教學(xué)的各方面進(jìn)行整合。

3.1 整合實驗平臺

實驗教學(xué)的整合，首先對實驗平臺提出了更高要求。同時支持EDA和單片機(jī)類型的實驗平臺有兩種。一種并置兩種核心電路，共用外圍功能模塊[11]。其主要問題是，體積大，成本高，且維護(hù)麻煩。另一種則在配置共用外圍功能模塊的同時，提供不同的可替換式核心板[12]。其主要問題是，分離的多個核心電路板增大了開放實驗室管理的難度。

我們研制了一套可完成EDA和單片機(jī)實驗的電子技術(shù)綜合實驗教學(xué)平臺。該平臺布局緊湊、便于維護(hù)且性價比高。平臺硬件以Xilinx Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S250E-144為核心，提供多種外圍功能模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合實驗平臺的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

該平臺的突出特點在于其軟件系統(tǒng)。除了支持EDA應(yīng)用，還可基于SOPC技術(shù)[13-14]，采用流行的8051單片機(jī)軟核MC8051[15]，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建一個兼容的8051單片機(jī)。并得益于MC8051的開源特性，對該軟核進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1) 考慮到學(xué)生從基本原理課程過渡的適應(yīng)性，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)封裝，如圖2所示。對實驗者來說，這時的FPGA就是一塊具有完整功能的8051單片機(jī)?？膳c平臺中的各硬件模塊構(gòu)建多種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖2 MC8051封裝

(2) 考慮到學(xué)生在實驗中需對應(yīng)用代碼反復(fù)修改和調(diào)試，定制了該軟核基于Monitor-51工具[16]的用戶程序在線仿真功能(具體過程已另文討論)。該功能有效解決了當(dāng)前51單片機(jī)IP核用于實驗教學(xué)時，缺乏在線調(diào)試能力的瓶頸問題。

各實驗室配置相同的實驗平臺，既方便了實驗設(shè)備的管理與維護(hù)，更有效緩解了學(xué)生找機(jī)位難和設(shè)備利用率低的矛盾?？烧嬲龑崿F(xiàn)時間和空間的開放。

3.2 實驗內(nèi)容的整合

基于實驗平臺提供的軟硬件系統(tǒng)資源，綜合實驗內(nèi)容得到極大的豐富。如圖3所示，基于所提供的功能電路模塊及單片機(jī)內(nèi)部模塊，可實現(xiàn)單片機(jī)類的基礎(chǔ)訓(xùn)練及其綜合設(shè)計實驗；基于所提供的功能電路模塊及FPGA內(nèi)部邏輯資源，可實現(xiàn)EDA類的基礎(chǔ)訓(xùn)練及其綜合設(shè)計實驗。學(xué)生在實驗平臺上采用積木式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，靈活組合，循序漸進(jìn)地完成綜合實驗題目。

圖3 綜合實驗平臺的實驗項目

指導(dǎo)教師不用再受實驗設(shè)備類型的限制來安排學(xué)生的實驗項目，而可根據(jù)不同專業(yè)方向和學(xué)習(xí)層次的學(xué)生特點，遴選相關(guān)的重點題目進(jìn)行講解，同時提供備選實驗項目。由此，可真正體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的開放。

3.3 實驗教學(xué)方式的整合

實驗平臺和實驗內(nèi)容的整合都是形式上的。必須要配合教學(xué)本身的整合，才能達(dá)到實質(zhì)的效果。對此，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，采用三階段的教學(xué)方式：

(1) 任務(wù)安排與方案分析。該部分為講授，可以利用容納百人的大型階梯教室進(jìn)行整體教學(xué)。

(2) 基礎(chǔ)訓(xùn)練。學(xué)生根據(jù)自選題目的技術(shù)要求，結(jié)合實驗平臺提供的豐富示例，自主開展基本技術(shù)和功能模塊的應(yīng)用訓(xùn)練。教師則輪流值班指導(dǎo)。

(3) 綜合與創(chuàng)新。學(xué)生綜合各功能模塊完成基本任務(wù)，并可從功能擴(kuò)展和多方案實現(xiàn)等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。教師則根據(jù)公開的難度標(biāo)準(zhǔn)和作品完成量及其效果作評價。

整合的教學(xué)方式可極大地提高教學(xué)效率，并為學(xué)生的設(shè)計作品提供更大的發(fā)揮空間。同時，學(xué)生難再找到作品雷同的借口，從而約束更多的學(xué)生真正投入到實驗課的過程中去，也為指導(dǎo)教師做出有效、客觀和統(tǒng)一公正的評價提供了技術(shù)保障。

3.4 實驗教學(xué)資料的整合

在上述實驗教學(xué)方式下，學(xué)生有了更加開闊的實驗場景，同時也要求更多的知識點，特別是關(guān)于兩類實驗的基礎(chǔ)理論知識和基本實驗技能的掌握。為此，整合本課程的兩本實驗講義，撰寫了統(tǒng)一的實驗指導(dǎo)書，并已立項本校“十二五規(guī)劃教材”建設(shè)進(jìn)行完善。其中包括三個層次的內(nèi)容：

(1) 基礎(chǔ)原理層。包括為完成EDA實驗和單片機(jī)實驗所必備和最常用基礎(chǔ)知識，供學(xué)生自學(xué)查閱。

(2) 應(yīng)用實踐層。包括在實驗平臺上完成EDA實驗和單片機(jī)實驗的開發(fā)和仿真工具介紹，并給出兩種技術(shù)各自驅(qū)動各功能模塊的范例供學(xué)生模仿學(xué)習(xí)。

(3) 綜合設(shè)計層。包括對典型綜合實驗題目的方案對比和關(guān)鍵技術(shù)分析，并給出多個練習(xí)題目。

學(xué)生可以獨立自主和由淺入深地參與實驗過程，既在基礎(chǔ)問題上有所憑借，又在發(fā)揮問題上有所引導(dǎo)，增強(qiáng)了過程中的自信心和完成后的成就感，真正達(dá)到實踐能力鍛煉的目標(biāo)。

4 結(jié) 語

電子技術(shù)綜合實驗的大規(guī)模開放性教學(xué)在國內(nèi)尚屬少有。面對多方面的新問題，根據(jù)本校實際，提出整合EDA和單片機(jī)實驗的改進(jìn)思路和實施手段。該教學(xué)改革已對英才實驗學(xué)院學(xué)生進(jìn)行了一學(xué)期的實踐，獲得了良好的效果。希望能對高校同行有所參考。

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