EDA及FPGA应用技术课程改革与实践

王凯 周德新 崔海青

摘要：针对我校电子信息工程专业的“现代电子系统技术”课程学时少、实践性强的特点，从教学内容和方法、课程考核方式以及实践教学环节三个方面进行了改革，提出了“研讨式”教学方法，优化了考核方式，强化了工程应用能力培养。实践表明，改革提高了学生的实践能力，取得了良好的教学效果。

关键词：研讨式教学；工程应用能力；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）40-0151-02

我校电子信息工程专业的“现代电子系统技术”课程是该专业的主要专业基础课之一，其课程内容主要讲解EDA技术以及FPGA设计技术，具有很强的实践性。由于我校电子信息工程专业主要面向民航电子系统维修培养人才，为了适应民航人才的培养，学生需要学习除电子专业课程外的民航知识，因此对这门课程的学时进行了大幅压缩。同时，工程教育改革和民航电子维修技术的发展对学生知识和能力的要求却不断提高，在学时压缩的同时还将三分之一的学时用于课内实验，因此迫切需要对原课程教学内容、教学方法和教学手段进行改革和建设，以有效解决学时压缩与知识、能力和素质培养之间的矛盾。

一、教学内容和方法改革

课程组将“现代电子系统技术”教学内容分解为：课堂讲授、专题研讨和工程实践三个模块。

EDA及FPGA应用技术的核心是如何使用HDL语言，借助EDA工具来完成复杂数字逻辑电路的设计[1]。这一部分的内容主要采取课堂讲授为主，并结合实践教学环节，让学生参与工程实践。原先HDL设计部分分为组合电路设计及举例、时序逻辑电路设计及举例、HDL语言的语法总结和复杂系统设计四部分。由于学时的压缩，将所举的例子搬到实验课上，让学生自己编写HDL程序去实现；同时复杂系统设计部分改为课程设计的内容。这样，课堂上只是讲解组合、时序电路设计的基本方法，HDL语言的基本语法，将原先的学时大为压缩。

在“现代电子系统技术”课程中，可编程逻辑器件结构这一部分的内容相对比较枯燥，按照传统的教学模式来进行授课，学生难以产生学习兴趣，甚至由于对可编程逻辑器件结构摸不透、搞不懂，产生厌学情绪，影响整个课程的教学效果。

为了解决这些问题，引入“研讨式”教学方式，让学生事先通过图书馆、互联网等多种信息渠道获取资料，进而对资料进行整理、讨论，以小组为单位，在课堂上采取研讨的方式进行教学，激发了学生自主学习的兴趣，同时有助于加强学生之间的团队合作精神[2]。研讨结束后，由教师对研讨的内容、知识点进行总结。这样，原先需要8学时来讲解的可编程逻辑器件结构内容只需2～3学时即可完成，因为大部分学习时间都放在提前准备中了。

经过几年的教学实践表明，每一届学生在可编程逻辑器件结构部分的资料搜集时都要认真准备，在研讨过程中要积极发言，学习完成后也就将这一部分的基本知识点全部掌握了。同时，电子技术一直在飞速发展，采取这种以学生为主的研讨式，使得教学内容一直能与电子技术发展保持同步。

除了可编程逻辑器件结构这一部分内容之外，课程组还考虑将EDA技术的概论以及设计中的优化方式等内容也采用“研讨式”的教学方式，以提高学生参与的深度，促进学生思考的广度。

二、课程考核改革

课程组对课程的考核方式也进行了改革：将传统的单一期末卷面考试的形式改为多种考核方式相结合的综合评估，同时也将期末的卷面考试改为了开卷考试。

首先，考核的第一部分是期末卷面考试，这部分占综合成绩的40%，主要考查学生对基本概念的理解和应用能力。由于课程的核心是如何使用HDL语言来完成FPGA等可编程逻辑器件的设计，而并不拘泥于HDL本身的语法细节。因此将期末考试的形式改为了开卷考试，使学生将更多的精力用于设计本身，而不是对语法的记忆上。

其次，考核的平时成绩占到了期末综合成绩的30%，这部分成绩主要包括学生的出勤、作业和专题研讨等。出勤部分相对占比不大，主要是平时作业和专题研讨。以往的平时作业只是将要设计的电路，在纸上通过写HDL程序来实现，最终也只能是“纸上谈兵”。改革后的平时作业要求将设计的电路使用硬件实现，最终检查的除了程序本身以外，还有相关工程文档以及最终的实现电路。工程文档包括设计说明书、程序代码和仿真测试结果，而最终的实现电路则是在实践环节所使用的开发板上完成。专题研讨包括了可编程逻辑器件结构、可编程逻辑器件编程与配置和可编程逻辑器件测试三个专题，即是以上提到的“研讨式”教学内容，根据研讨的情况给分。

最后，第三部分综合成绩是实践成绩，占比30%。这一部分主要是实践教学环节的考核，考核的主要内容就是平时作业的实现效果、实验报告的撰写以及实验结果的分析等。对于实践课程的考核，课程组采取预约方式，实施“一对一”考核。具体来说就是首先给学生20个左右的设计题，由学生自主选择题目，自主选择时间完成考核。考核时主要考查学生对设计开发过程的熟悉，而HDL代码可以事先写好。

三、实践教学改革

EDA及FPGA应用技术是一门实践性非常强的课程[3]，实验学时也占到了总学时的三分之一，因此实践教学环节对于该课程的教学效果影响至关重要。

改革前，该课程的实验只是让学生将HDL设计的程序进行仿真，分析仿真结果，这种方式与生产实践相脱节。很多学生在学完课程之后仍然出现不具备设计能力、设计缺乏完整性等问题，关键是仿真教学不能引起学生十足的学习兴趣。

随着电子技术的发展，可编程逻辑器件的价格飞速下降，并且功能越来越强大，这就为实践教学奠定了物质基础。课程改革的一项重要内容就是使用可编程逻辑器件开发板完成设计，做到3～5人一组，每组能有一块开发板可用于实验。这样，在实验过程中就不再只是仿真，而是以“教学做”一体化的教学方式，完成HDL设计的教学。

可编程逻辑器件开发板直接使用USB接口下载程序和供电，这样开发板在计算机房或学生宿舍就可以使用，而不像传统的试验箱那样需要外接电源和昂贵的下载器。开发板上预留了开关量的输入、输出，输入使用按键开关和拨码开关，输出使用LED灯，这样可以完成简单组合逻辑电路设计的实验。同时，电路板上还有时钟的输入、蜂鸣器输出以及动态扫描显示的数码管，可以支持完成时序逻辑电路的设计。

针对实验学时不足的情况，为每个小组配备一块开发板，整个学期都由学生保管，这样学生可以利用课余时间完成实验内容，同时还能完成更多的开放性实验[4]。更激励了很多学生去完成电子设计竞赛、创新创业设计等丰富多彩的实践，使学生的实践能力、动手能力都得到了大幅提升。

四、结语

本文针对我校电子信息工程专业的“现代电子系统技术”课程学时少、任务重的现状和提高学生工程实践能力的需求，对课程的教学方式和方法、考核方式以及实践教学进行了改革，取得了较好的教学效果。学生不仅掌握了该课程的教学内容，并在电子设计竞赛、创新创业大赛等多项赛事中取得了优异的成绩。

参考文献：

[1]吴大鹏，黄沛昱.“电子系统综合设计”课程建设探索[J].电气电子教学学报，2014，36（6）：41-43.

[2]苗东利，雷佑安.研讨式教学在高校教学中的应用[J].大学教育，2013，（1）：131-132.

[3]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2006.

[4]刘乔寿，黄沛昱.电子信息类开放实验教学模式探索与实践[J].实验室研究与探索，2013，32（7）：157-160，201.