EDA技术分层立体化教学模式创新研究

2015-03-17刘德方邓明宋有才

滁州学院学报 2015年2期

刘德方，邓明，宋有才

EDA技术分层立体化教学模式创新研究

刘德方，邓明，宋有才

摘要:针对普通高校EDA技术课程教学普遍存在的学生的实践能力欠缺，不能满足社会对EDA技术人才需求这一突出问题，提出了EDA技术课程分层立体化教学模式。对教学内容、实验项目、考核方式做相应调整。实践证明，分层立体化教学模式能激发学生的实践能力和创新能力。

关键词:EDA技术；分层立体化；教学模式

1引言

EDA(Electronic Design Automation)技术被称为现代电子设计自动化技术中的一支奇葩，是目前嵌入式专业的一门新兴课程，涵盖的内容非常多，主要是以 FPGA 等可编程逻辑器件为基础，在EDA技术平台上，根据原理图或Verilog HDL、VHDL 等硬件描述语言编辑的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真、目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作[1-3]。所涉及到的知识难度很大，学生在学习的过程中，普遍出现了听不懂、学不明白、对课程的关键知识缺乏深刻理解等问题。究其原因，关键是在开设EDA 技术课程的时候，没有很好的对基础条件进行分析，更没有对EDA 技术课程的授课内容以及授课方法进行研究，所传授的知识都是参考当前EDA 教材和 FPGA 项目开发指导书等参考书作为指导。所采用的教学方法大部分都是照搬教材上的知识，既没有考虑知识与知识之间的关联和相互联系性，也缺乏对知识的应用融合，教学手段非常单一，不能有效提高学生对EDA 技术的应用开发实践能力。

改革和整合目前的EDA技术课程教学内容，将新技术、新方法引入教学中，形成新的分层立体化的课程教学体系，这对于培养学生的电子系统设计能力和适应社会对高层次电路设计人员需求是十分必要的。

2EDA技术教学内容

EDA是一门多学科融合的新技术[4-7]。在课程群建设中，起承上启下的作用。其先导课程是“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“单片机原理及应用”、“组成原理”；后续课程是“编码技术”、“智能技术”、“DSP原理及应用”、“总线技术”、“嵌入式系统”等课程。学生对EDA技术课程的学习效果直接影响其对后续课程的掌握、应用及开发能力。因此，结合应用型本科物联网专业、信息工程专业的人才培养方案及目前社会对EDA技术人才的需求，EDA技术及应用课程教学内容分层情况如图1所示：

图1　EDA技术课程教学内容分层框图

2.1　通过基础层教学，使学生掌握EDA技术概况

基础层[8-10]是EDA技术基础知识的讲授，包括EDA技术的基本特征、实现目标、ASIC设计、常用的EDA工具、EDA工程设计流程、硬件描述语言及集成开发环境的使用。选择具有代表性的集成开发环境QuartusII9.0和典型的FPGA芯片，以Altera公司生产的Cyclone II系列中的高性能FPGA芯片EP2C35F672C8为例，结合EDA设计实例，如3-8译码器，进行原理图设计、管脚分配、仿真及下载验证，使学生初步了解和掌握EDA技术的原理图设计的基本知识及设计方法。

2.2　通过应用层教学，使学生产生浓厚的兴趣

在应用层[11-13]，首先介绍FPGA芯片EP2C35F672C8的内部结构和工作原理，然后结合“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“单片机原理及应用”、“组成原理”等专业课程内容，利用EDA技术，设计电子应用系统，如数控分频器、高速A/D转换、液晶显示控制等，根据设计需求，通过层次化设计方法，合理划分功能模块，进行电子系统应用设计。

2.3　通过系统层教学，提升学生内心的成就感

在系统层[14-15]，根据课程群中EDA技术课程后续课“DSP原理及应用”、“嵌入式系统”等专业拓展课的内容，以Altera公司推出的高效灵活的SOPC片上可编程系统为例，结合设置的实验项目，将处理器、存储器、I/O口等功能模块集成到一个可编程逻辑器件上，设计一个可编程的片上系统。通过片上系统的学习和设计，学生可以很好的掌握基于FPGA的嵌入式系统设计的理论知识和设计方法。为后续课程“DSP”、“嵌入式系统”打下坚实的基础。

3EDA技术实验课改革

在传统的EDA技术实验课教学内容中，通常安排了两大类实验，即基础类和应用类。基础类实验有编码器、加法计数器、数码管动态显示、分频器、触发器、乘法器、矩阵键盘显示、可控脉冲发生器、正负脉宽调制信号发生器等；应用类实验有表决器、抢答器、序列检测器、出租车计费器、数字钟、字符型液晶显示、DDS信号源设计等。这些实验项目的开设，针对EDA技术课程分层教学，缺少系统层的实验项目，结果学生学完这门课程后，知识点依然处于零散的状态，不能满足社会对EDA技术人才的SOPC设计和开发的需求。因此，增设系统层实验项目，对EDA技术人才的培养和学科的发展以及整个课程群的建设起着关键性的作用。

在学生前期所做的基础层和应用层实验项目的基础之上，逐渐深入开展系统层实验项目，如使用NIOS II嵌入式处理器、SOPC Builder软件工具，实现定时器设计、UART通信、串行ADC和DAC、IIC EEPROM、SDRAM、NandFlash读写操作、以太网通信、视频读写及回放等系统层实验项目。通过这些系统层实验项目的设计和实现，培养了学生的EDA技术的工程项目设计的思想、方法及设计流程，大大提升了学生的动手能力和创新能力，为将来从事EDA技术的开发应用工作打下坚实的基础。

4考核方式和考核手段改革

为了激发学生对EDA技术课程的学习兴趣和创新能力，考核方式和考核手段也要转变，主要遵循以下几个原则：

4.1　将激励机制引入到考核工作中

EDA技术课程，内容多，难度比较大，是一门多学科相融合的新兴课程。学生前期的知识储备情况若比较薄弱，学习的主动性不高，很难产生对这门课的学习兴趣。因此，激发学生的学习兴趣是引领学生入门的关键。老师要根据学生当前的学习状态和心理特点采用激励手段使学生逐步喜欢上EDA技术课程的学习，比如，学生有一点点进步，老师就及时给予表扬和较好的实时成绩，即老师的认可和激励成绩能有效的改善学生的学习状态。

4.2　课堂提问和课堂练习计入平时成绩

传统的EDA技术课程教学，通常是老师在上面讲，学生在下面听，表面上老师讲很多内容，学生也听了很多知识，但是一走出教室，学生有可能把刚刚听到的知识忘记的差不多，即课堂内容不能给学生留下深刻的印象。因此，在理论课上，加强师生互动，采取提问和课堂练习的方式，及时计分，该分值作为平时成绩的一部分，促使学生认真听讲并及时消化所学内容，并且能有效的活跃课堂气氛，使学生被动听课的状态有所改善，达到授课目的和要求。

4.3　合理划分理论课和实验课的考核分值比例

传统的EDA技术课程教学考核方案中理论课和实验课的考核分值比例是6:4，显然是重理论轻实践，教学效果不理想；行之有效的方法是将此比值颠倒过来，将实验课的考核分值提到主要位置，即理论课和实验课的考核分值比例应该是4∶6。针对EDA技术及应用课程，应重点培养学生的实践能力，通过深入实践，对理论知识有深刻的印象，在做项目的时候才能够正确的应用。实践能力的提升是对理论知识的升华和应用，理论知识才能真正发挥其基础性作用，真正做到“学以致用”；才能使学生感到EDA技术的学习不再枯燥；对未来开发应用工作不再惧怕。同时，也能够发挥老师的引领作用。

4.4　加强实验课教学，实时记录实验课成绩

通常的实验课教学情况是，学生按照实验指导书的实验步骤，比葫芦画瓢，验证一下实验现象，然后机械的抄写实验报告。结果一个学期下来，实验报告写了厚厚的一本，但是实验项目中的相关知识点依然没有掌握。要改变这种不科学的实验课教学方式，老师必须针对每一个同学，通过提问实验项目涉及的相关问题考查学生对实验项目的掌握情况：从源文件设计(原理图和VHDL程序设计)、管脚分配、仿真波形文件的设置到通过功能仿真、时序仿真后目标文件的生成，以及对仿真报告的数据分析，最后下载到目标器件FPGA芯片的实现，这一过程中要应用许许多多的知识点，老师针对不同的学生，根据其所做的实验项目情况，提问不同的问题，并实时记录成绩，这样使得每一位同学对每一个实验项目所涉及的任何一个知识点都掌握的很透彻，能够真正掌握其所做的内容。

4.5　合理安排自选实验项目和普选实验项目考评分值

传统的EDA实验教学中实验项目都是统一安排，即所有同学都在相同的时间做相同的实验，显得死板单一，不够灵活。现在，为顺应社会对EDA技术人才培养的需求，本着尊重知识尊重人才尊重学生个性发展的原则，将基础层、应用层、系统层实验项目列出清单。按照指定的考核标准，学生可以根据自己的兴趣自选一部分实验项目，普选实验项目是各层次结构中必做的实验项目，其中自选与普选的实验项目比例为6:4，这样使学生在实践环节中能更好的发挥其主体作用。

5结束语

EDA技术及应用在电子技术类专业的整个知识结构体系中占有重要地位，对后续专业课乃至研究生阶段的学习具有直接影响，在全面提高学生综合素质和创新能力这一背景下，进一步优化课程知识结构和探索更具成效的教学模式具有非同寻常的教改意义。笔者结合多年来的教学实践，根据本课程的特点，探讨了EDA技术课程分层立体化教学模式优化措施，实际理论课教学和实验课教学情况表明，本文提出的分层立体化模式教学探索，激发了学生的学习积极性，提高了学生学习成绩，同行的认可程度较高，在一定程度上为更深层次的教学改革起到了推进作用。

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