劉德方，王先超，陳秀明，趙 佳

（阜陽師范大學 計算機與信息工程學院 安徽 阜陽 236037）

EDA 技術(shù)是現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中的一支奇葩，深受電子設(shè)計工程師和教學科研單位專業(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算機科學與技術(shù)、信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、智能科學等專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。其先導課是數(shù)電、模電、計算機組成原理、單片機等；后續(xù)課是嵌入式系統(tǒng)、計算機體系結(jié)構(gòu)、智能控制等。在整個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，社會對EDA 技術(shù)人才的需求量與日俱增，要求專業(yè)基礎(chǔ)扎實、專業(yè)技能嫻熟，能夠理論聯(lián)系實際、學以致用。因此，應(yīng)用型本科院校對EDA 技術(shù)人才的培養(yǎng)肩負著重要的歷史使命[2～3]。但是，近年來，結(jié)合自己學校和通過走訪兄弟院校發(fā)現(xiàn)EDA 技術(shù)課程在教學理念、教學摸式、教學方法、教學內(nèi)容、教學效果等方面普遍存在著教學理念滯后、教學模式單一、教學方法陳舊、教學內(nèi)容過時、教學效果欠佳等問題。為了與時俱進，EDA 技術(shù)課程的教學改革勢在必行。

筆者結(jié)合自己多年來的EDA 技術(shù)課程的教學感受和經(jīng)驗，提出基于行動導向的EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程教學改革方案。在整個教學活動中，學生是主體，教師是組織者與協(xié)調(diào)人。教師始終承擔著組織、協(xié)調(diào)、答疑、解惑角色，真正做到服務(wù)于學生、服務(wù)好學生。使得學生能牢固掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識和熟練運用專業(yè)技術(shù)，大大提升學生的實踐效果、專業(yè)素養(yǎng)、分析問題能力、解決問題能力、創(chuàng)新能力。

1 行動導向教學

行動導向教學起源于德國教育界[4]，是強調(diào)學生同時使用心、腦、手的教學，在整個教學活動中，學生是主體，以專業(yè)技能活動為導向，以能力為本位。教師在整個教學過程中，是組織者和協(xié)調(diào)人。教師發(fā)布學習任務(wù)和學習計劃，由學生對學習任務(wù)進行決策和實施，最后由教師驗收、評估。在整個“行動”過程中，學生自己“動手”并掌握專業(yè)技能，從而能夠構(gòu)建屬于自己的知識體系和經(jīng)驗感受。

行動導向教學的教學目標是把學生的認知目標和行為目標結(jié)合起來共同實現(xiàn)；教師是學生行為的指導者和咨詢者；教師傳遞知識的方式是雙向的，教師可以根據(jù)學生活動的成功與否獲悉其接受教師信息的多少和深淺，便于指導和交流。學生參與程度提高，由被動學習轉(zhuǎn)向主動學習，即由“要我學”轉(zhuǎn)向“我要學”。教師采用合適的激勵手段，激發(fā)學生的內(nèi)在興趣，從不會到會，完成一項具體的任務(wù)后，收獲成就感、自豪感、喜悅感和求知欲望的提升及對課程興趣的增強。教師根據(jù)學生的行為狀態(tài)、行為過程、行為內(nèi)容、行為結(jié)果及實踐效果評定成績，使得教學質(zhì)量得到很好地綜合控制[5-8]。

2 行動導向教學原則

在行動導向教學中，教師提綱挈領(lǐng)地傳授EDA 技術(shù)設(shè)計的理論知識，然后把大量的時間交給學生，讓學生根據(jù)任務(wù)查閱資料、構(gòu)建設(shè)計方案、設(shè)計電路圖或編寫源程序、編譯、引腳分配、設(shè)計輸入波形、仿真結(jié)果分析、下載驗證。教師引導學生明確設(shè)計原理、設(shè)計思想和設(shè)計流程及注意事項，答疑解惑實踐過程中出現(xiàn)的各種問題。

2.1 理論教學

在傳統(tǒng)的EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程教學中，理論課36 學時（每周1 次，每次2 節(jié)課），實驗課16 學時（每2 周1 次實驗課，每次2 學時），顯然理論課學時多，實驗課學時少，大量的理論知識得不到實踐驗證，學生的感受是理論知識不能盡快或立即由感性認識轉(zhuǎn)化為理性認識，學習過程枯燥無味，學生會逐漸失去對本課程學習的興趣。采用行動導向教學模式后，理論課和實驗課學時1：1。教師把理論課授課內(nèi)容和實驗課實驗項目緊密結(jié)合起來，通過實驗幫助消化吸收理論知識。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、實現(xiàn)目標、常用工具、發(fā)展趨勢、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)計重點是邏輯符號圖的生成和頂層電路的設(shè)計。軟件部分涉及到硬件描述語言程序的設(shè)計如VHDL。原理圖的設(shè)計方法和技巧以及邏輯單元符號的生成、硬件描述語言程序架構(gòu)與編寫方法都是教師傳授給學生的。學生只要能理解掌握即可。理論教學內(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。

2.2 實踐教學

教師發(fā)放任務(wù)，提出意見和建議后，由學生獨立完成[10]。學生一般都是從創(chuàng)建工程、FPGA 芯片選擇、設(shè)計原理圖或編寫源程序，然后編譯；在編譯環(huán)節(jié)會遇到許許多多的問題：如原理圖設(shè)計錯誤、源程序語法或算法錯誤等，教師在這個階段答疑解惑，幫助學生分析出現(xiàn)錯誤的原因以及修改錯誤的方法等[11]。引腳分配環(huán)節(jié)要查閱芯片的用戶手冊，教師引導學生學會自主查閱資料正確分配引腳；然后通過分析電路輸入信號的時序關(guān)系設(shè)計仿真波形，并對含有輸出信號波形的仿真報告進行分析，若仿真報告中輸入信號和輸出信號的波形和理論值一致正確，即仿真報告正確，即可對目標文件下載驗證。要求學生對實驗數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象進行剖析、挖掘內(nèi)涵，真正能消化吸收實驗項目涉及的設(shè)計原理、設(shè)計流程、設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果。

3 行動導向教學流程

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

圖1 可變速動態(tài)顯示數(shù)碼管設(shè)計

3.1 資訊

學生獲取資訊時，在教師的提示下，引導學生明確任務(wù)[12]。

教師把可變速率的八位七段數(shù)碼管動態(tài)顯示“0～F”電路設(shè)計需要的分頻器模塊、計數(shù)器模塊、數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計任務(wù)布置給學生。要求學生可以用原理圖設(shè)計和VHDL 程序設(shè)計兩種方式實現(xiàn)分頻、計數(shù)、數(shù)碼管顯示，然后對這三個子模塊進行邏輯符號圖的轉(zhuǎn)換，最后將分頻邏輯符號、計數(shù)邏輯符號、數(shù)碼管邏輯符號集成在一起，即生成頂層邏輯電路，該電路可實現(xiàn)變速的動態(tài)數(shù)碼管顯示[13]。

3.2 制定計劃

根據(jù)可變速的動態(tài)數(shù)碼管顯示的實現(xiàn)目標及任務(wù)，教師協(xié)助學生制定可行性設(shè)計計劃。

學生圍繞資訊，思考設(shè)計流程、設(shè)計方案，并和教師交流，教師給出合理性意見和建議。學生把可變速率的八位七段數(shù)碼管動態(tài)顯示“0～F”的電路設(shè)計工作計劃劃分為四個階段：分頻器設(shè)計與實現(xiàn)階段、計數(shù)器設(shè)計與實現(xiàn)階段、數(shù)碼管顯示設(shè)計與實現(xiàn)階段、集成階段。每個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、功能仿真或時序仿真、目標文件的下載驗證。

3.3 決策

在決策階段，學生依據(jù)設(shè)計方案選擇芯片、設(shè)計硬件電路或編寫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)類型及取值范圍[14]。在結(jié)構(gòu)體中信號或變量的定義與使用，信號流和數(shù)據(jù)流的通路，算法的設(shè)計、創(chuàng)建和運行是否符合邏輯，引腳分配是否正確，波形文件中輸入信號的時序關(guān)系是否合乎邏輯，在這個過程中，教師實時觀察、糾正、引導學生走向正確的設(shè)計方向而不至于跑偏走彎路。

3.4 計劃實施

在資訊、制定計劃、決策的基礎(chǔ)上，實施計劃[15]。編輯、編譯原理圖或源程序、對正確的原理圖或源程序中定義的輸入信號和輸出信號進行引腳分配、設(shè)計仿真波形、功能仿真或時序仿真、分析仿真報告、生成目標文件、下載驗證，觀察實驗現(xiàn)象和理論值是否一致。

3.5 檢查評估

學生可以自評、互評，也可以由教師對學生的任務(wù)完成情況進行檢查評估[16]。通過學生自評、互評，可以激發(fā)學生的學習興趣、提升學生的自豪感和成就感。教師可以通過提問式了解學生對電路原理或VHDL 程序設(shè)計掌握情況，并對學生在原理圖設(shè)計或VHDL 程序設(shè)計中普遍出錯的情況，及時檢查、跟蹤和糾正學生的錯誤。

通過資訊、計劃、決策、實施、評估五個環(huán)節(jié)的實訓，學生對EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程的學習興趣大大提升。由之前較差的學習效果即甚至到學期結(jié)束還不熟悉的EDA 技術(shù)設(shè)計流程提升為學期第一個實驗項目完成之后，學生就能深刻理解并掌握之。該教學模式使得學生對所做的實踐項目都留下深刻的烙印，比如：采用原理圖設(shè)計和VHDL兩種方式設(shè)計的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數(shù)器和動態(tài)數(shù)碼管顯示；采用VHDL 設(shè)計的七人表決器、四人搶答器、數(shù)字鐘；最后設(shè)計并實現(xiàn)了出租車計費器的工作過程。學生對每一個實訓項目都能進行合理的數(shù)據(jù)分析，真正做到了理論和實踐的無縫對接，成效顯著，達到了教學目的。

4 結(jié)束語

行動導向教學適應(yīng)時代背景，符合應(yīng)用型本科院校的辦學理念、辦學主旨，有助于計算機科學與技術(shù)、電子信息類專業(yè)學生未來的學習和發(fā)展。教師靈活運用行動導向教學法，能夠有效提升EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程教學質(zhì)量，為當今社會培養(yǎng)出專業(yè)基礎(chǔ)知識扎實、專業(yè)素質(zhì)優(yōu)秀、專業(yè)技能過硬的應(yīng)用型專業(yè)人才。在整個教學實施過程中，行動導向教學法大大激發(fā)了學生對EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程的學習興趣，鍛煉了學生分析問題、解決問題的能力及創(chuàng)新意識，有效推動了EDA 技術(shù)與應(yīng)用課程的教學改革。該教學模式在兄弟院校進行了推廣應(yīng)用，均獲得良好的教改效果和師生的好評，受到同行專家的高度認可。同時，大大縮短了學生就業(yè)后的企業(yè)培訓周期并節(jié)約了培訓費用，為學生減輕了經(jīng)濟負擔，提高了經(jīng)濟效益和社會效益。