任文平　李鵬

摘 要：傳統(tǒng)的“數(shù)字電子技術(shù)”由于設(shè)計(jì)方法陳舊、設(shè)計(jì)驗(yàn)證滯后等問(wèn)題，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代數(shù)字電路的設(shè)計(jì)要求，取而代之的是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的“EDA技術(shù)”。本文針對(duì)“EDA技術(shù)”課程教授過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、手段、實(shí)驗(yàn)課設(shè)置及實(shí)驗(yàn)考核等幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革的措施。經(jīng)過(guò)近兩年實(shí)踐證明，通過(guò)實(shí)施這些措施，學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及工程應(yīng)用能力得到了提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路 EDA技術(shù) 教學(xué)改革 應(yīng)用能力

關(guān)鍵詞：2016年云南大學(xué)重點(diǎn)教改項(xiàng)目資助；云南大學(xué)信息學(xué)院教改項(xiàng)目基金資助

引言

在科技迅猛發(fā)展的今天，電子技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。作為電子系統(tǒng)重要的組成部分，傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法卻存在著如下缺點(diǎn)：（1）以原理圖為核心的設(shè)計(jì)方法，不能適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；（2）采用通用的中小規(guī)模的邏輯元、器件及芯片進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，不能滿足知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的要求；（3）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后期才能進(jìn)行的仿真和調(diào)試，不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)周期及產(chǎn)品性價(jià)比的要求。

近年來(lái)出現(xiàn)了以可編程邏輯器件PLD（programmable logic device）為設(shè)計(jì)平臺(tái)的EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)，該技術(shù)是目前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最新技術(shù)方向和潮流，使用EDA來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高系統(tǒng)的便利性及可靠性。因此，該設(shè)計(jì)方法在電子信息、通信、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，各高校已經(jīng)逐漸把EDA技術(shù)納入本科和研究生教學(xué)中，據(jù)有關(guān)資料顯示，全國(guó)90%的高校都在不同的教學(xué)層次上開設(shè)了相關(guān)的課程。云南大學(xué)于2004年就開設(shè)了這門課，但是經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，我們感到這門新課程在教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)的設(shè)置及內(nèi)容的安排上存在著不足，這些都嚴(yán)重地影響了教學(xué)效果，使課程沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的效果?！癊DA技術(shù)”作為信息學(xué)院重要的實(shí)踐教學(xué)課程之一，在教學(xué)及實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容方面，都是多學(xué)科內(nèi)容的綜合體現(xiàn)，因此，如果對(duì)EDA課程在內(nèi)容、設(shè)置及思路上進(jìn)行有效的改革，將有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及實(shí)踐動(dòng)手能力。因此，該門課程的教學(xué)改革意義重大。本課程的改革主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

“EDA技術(shù)”是一門實(shí)踐應(yīng)用課程，但是原有的課程在內(nèi)容設(shè)置上不能體現(xiàn)這一特點(diǎn)，所用的教材介紹了可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)、工作原理，硬件描述語(yǔ)言的語(yǔ)法及數(shù)字電路的基本電路單元等，在應(yīng)用及創(chuàng)新拓展方面實(shí)例不足，因此必須按照課改思路更新教學(xué)內(nèi)容。內(nèi)容設(shè)置可分為如下三個(gè)階段：（1）第一階段（1～8周），EDA基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段。在這個(gè)階段，學(xué)生將學(xué)習(xí)可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)、硬件描述語(yǔ)言語(yǔ)法、基本邏輯單元的設(shè)計(jì)等內(nèi)容，學(xué)會(huì)以可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用軟件進(jìn)行基本電路的設(shè)計(jì)，如，譯碼器、加法器、計(jì)數(shù)器等電路單元的設(shè)計(jì)。（2）第二階段（9～13周），EDA工具的深入應(yīng)用及綜合實(shí)驗(yàn)階段。在這階段學(xué)生將學(xué)習(xí)LMP兆功能模塊、Signal Tap邏輯分析儀、Modelsim仿真軟件等高級(jí)EDA工具的使用方法，利用這些高級(jí)設(shè)計(jì)工具，學(xué)生可以進(jìn)行簡(jiǎn)單電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，例如，數(shù)字鐘、信號(hào)發(fā)生器等具有一定應(yīng)用功能的電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)配置綜合性實(shí)驗(yàn)2～3個(gè)。（3）第三階段（14～17周），綜合設(shè)計(jì)及工程訓(xùn)練階段。在這個(gè)階段，將講授大量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，內(nèi)容涵蓋數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、自動(dòng)化技術(shù)等多門課程，將本門課程與其他課程的知識(shí)結(jié)合起來(lái)。

通過(guò)調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容，有助于絕大多數(shù)學(xué)生掌握EDA基礎(chǔ)知識(shí)，并具備一定的專業(yè)開發(fā)能力，能夠以FPGA作為平臺(tái)，進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 改革教學(xué)方法和手段

2.1 改變“滿堂灌”的教學(xué)方法

在改變教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，教師也必須改變教學(xué)方式。在過(guò)去的理論教學(xué)中，大家習(xí)慣了老師講、學(xué)生聽的上課模式。但是多年的實(shí)踐表明，這種理論教學(xué)模式往往難以收到很好的教學(xué)效果。因此，必須改變傳統(tǒng)教學(xué)“滿堂灌”的做法。在“講授”方面：講授的內(nèi)容強(qiáng)調(diào)少、精、寬、新。將傳統(tǒng)的以教師為主體的單向灌輸式教學(xué)，轉(zhuǎn)化為以學(xué)生為主體的參與式教學(xué)。例如，①開展互動(dòng)學(xué)習(xí)法。在講硬件描述語(yǔ)言的語(yǔ)法時(shí)，組織學(xué)生自學(xué)并討論，讓學(xué)生自己比較出該課的語(yǔ)法與C語(yǔ)言的異同，最后教師進(jìn)行總結(jié)，完成教學(xué)過(guò)程。②采用演示性教學(xué)。讓語(yǔ)法語(yǔ)句融入程序?qū)嵗?，并能在?shí)驗(yàn)板上演示出來(lái)，增強(qiáng)這些知識(shí)的實(shí)用價(jià)值。③除了常規(guī)作業(yè)外，適時(shí)安排2～3次大作業(yè)。比如，在學(xué)完譯碼器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等基本電路的編程設(shè)計(jì)之后，設(shè)置若干實(shí)用電路——搶答器、水位控制監(jiān)控電路等，提出設(shè)計(jì)要求，由學(xué)生分組選題討論設(shè)計(jì)。安排專門時(shí)間，由每組派出代表，講解設(shè)計(jì)過(guò)程，并用EDA軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。通過(guò)這樣的方法，就能夠初步培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中的能力。

2.2 引入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的今天，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)能夠作為正常教學(xué)的一個(gè)很好的補(bǔ)充。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)具有資源豐富、開放、交互的一些特點(diǎn)，深受學(xué)生的歡迎。利用網(wǎng)絡(luò)的這一特點(diǎn)，可以將該課程中很多教和學(xué)的環(huán)節(jié)置于網(wǎng)絡(luò)中。例如，建立課程網(wǎng)站，在網(wǎng)站中設(shè)置學(xué)習(xí)專欄，將課程中軟件平臺(tái)的使用流程、方法以視頻的形式存放在網(wǎng)站中，便于學(xué)生課后學(xué)習(xí)使用；將歷年該課程的學(xué)生作品設(shè)置成專題，可以查看視頻，也可以查看全部設(shè)計(jì)資料，方便學(xué)生獲得第一手參考資料；設(shè)置多個(gè)鏈接網(wǎng)站，提供與本課程相關(guān)的學(xué)習(xí)論壇的網(wǎng)絡(luò)鏈接，方便學(xué)生走進(jìn)更廣闊的學(xué)習(xí)天地。

3 增加實(shí)驗(yàn)課課時(shí)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容

實(shí)踐教學(xué)是“EDA技術(shù)”課程教學(xué)的重要組成部分，但是，長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直作為輔助環(huán)節(jié)，從屬于理論教學(xué)，內(nèi)容設(shè)置不盡合理，實(shí)驗(yàn)的作用不能充分地發(fā)揮出來(lái)。實(shí)驗(yàn)課改革的目標(biāo)就是要使學(xué)生真正參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)能力、創(chuàng)新能力、工程能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。實(shí)驗(yàn)的改革主要從以下兩個(gè)方面著手：

3.1 設(shè)置入門實(shí)驗(yàn)課，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣

在學(xué)生學(xué)習(xí)“EDA技術(shù)”課程的第一周開設(shè)2課時(shí)的教學(xué)實(shí)習(xí)，采用直觀教學(xué)方法和手段，準(zhǔn)備好各實(shí)驗(yàn)設(shè)備、歷屆制作的課程作品，例如，搶答器、數(shù)字電子表、簡(jiǎn)易照相機(jī)等，讓學(xué)生零距離接觸、觀看和測(cè)試，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到本課程的設(shè)計(jì)制作并非高不可攀，它就在我們即將學(xué)習(xí)的知識(shí)中，消除學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)的陌生感和神秘感，激發(fā)學(xué)生對(duì)動(dòng)手課程的興趣。

3.2 設(shè)立驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等多層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，提高學(xué)生的應(yīng)用能力

教師可以將“EDA技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)與授課內(nèi)容相配合，設(shè)置如下三個(gè)層次：第一，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。配備實(shí)驗(yàn)5～6個(gè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是數(shù)字電路中的組合電路及時(shí)序電路單元，比如，譯碼器、計(jì)數(shù)器等電路的設(shè)計(jì)，目的是加深學(xué)生對(duì)于課程中硬件描述語(yǔ)言的語(yǔ)法、設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)、設(shè)計(jì)方法的理解。但此類實(shí)驗(yàn)由于缺乏主動(dòng)性與創(chuàng)造性，比例不宜過(guò)大。第二，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。配置實(shí)驗(yàn)2～3個(gè)，要求學(xué)生完成一些簡(jiǎn)單應(yīng)用性電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目的是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)應(yīng)用性電路的能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可由易到難，從數(shù)字電子鐘、信號(hào)發(fā)生器等簡(jiǎn)單的電路系統(tǒng)入手，逐步過(guò)渡到設(shè)計(jì)十字路口交通燈控制電路、出租車計(jì)費(fèi)電路等具有一定綜合性的電路系統(tǒng)。這類實(shí)驗(yàn)的設(shè)置能使學(xué)生的應(yīng)用能力大大增強(qiáng)，是實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容改革需要重點(diǎn)關(guān)注的部分。第三，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。鼓勵(lì)學(xué)生自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或者將課外科技活動(dòng)納入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中來(lái)，利用跨學(xué)科知識(shí)、器件進(jìn)行綜合性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生做出實(shí)物電路。這類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生具有較高的綜合能力和創(chuàng)新能力，難度較大。

4 設(shè)置實(shí)驗(yàn)考核新模式

實(shí)驗(yàn)課的考核，從形式到內(nèi)容，均以能充分展現(xiàn)學(xué)生的能力為目的?？荚嚨倪x題由數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、自動(dòng)化技術(shù)等多門課程的不同方向組成，綜合性強(qiáng)。希望學(xué)生通過(guò)查資料、復(fù)習(xí)等方式，將本門課程與其他課程的知識(shí)結(jié)合起來(lái)?？荚嚨男问讲捎酶?jìng)賽模式，學(xué)生3人為一組，以小組為單位，寫出設(shè)計(jì)論文并進(jìn)行答辯?？荚嚨脑u(píng)分由論文、答辯及演示三部分組成，論文寫作規(guī)范、答辯清晰、思路新穎、演示成功的學(xué)生將獲得高分。教師希望采用這樣的考核方式，能培養(yǎng)并進(jìn)一步提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)能力、綜合創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、科技文獻(xiàn)寫作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及口頭表達(dá)能力等一系列的工程應(yīng)用能力。

5 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)“EDA技術(shù)”課程的教改正在實(shí)施及檢驗(yàn)過(guò)程中，近兩年，改革效果已逐漸顯現(xiàn)，學(xué)生在考核環(huán)節(jié)中自選題目的設(shè)計(jì)水平已有很大的提高，在2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，參賽學(xué)生利用EDA課程的設(shè)計(jì)方法，完成了G題關(guān)鍵步驟的設(shè)計(jì)，取得了云南省一等獎(jiǎng)的好成績(jī)，這些都證明該門課教改思路是正確的。

這些成績(jī)的取得并不意味著課程改革的結(jié)束，隨著課程中器件、軟件平臺(tái)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)手段不斷地發(fā)展，要求教師在教學(xué)的內(nèi)容、方法、手段上也要隨時(shí)更新與改進(jìn)，為社會(huì)培養(yǎng)具有應(yīng)用能力的人才。

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責(zé)任編輯 張 瑩