运用系统方法将EDA融入数字电子技术课程教学

2018-04-11李晓静刘红月李晓飞

实验室研究与探索 2018年1期

李晓静，　刘红月，　李晓飞

(天津理工大学电气电子工程学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384)

0　引　言

电子设计自动化(EDA)[1]技术涉及面广，内容丰富，正逐渐成为现代数字系统设计的主要方式和重要手段。而在教学和技术推广层面上，使用较多的是基于可编程逻辑器件(PLD)的EDA技术[2]。PLD是专用集成电路的一个重要分支，可通过自己的电路设计来定制芯片内部的电路功能，使之成为设计者自己的专用集成电路，成本低、使用灵活、设计周期短、可靠性高、风险小，现已得到普遍应用，发展非常迅速。目前，应用最为广泛的PLD是FPGA和CPLD。

依靠EDA软件，加上种类繁多的数字逻辑模块以及表达丰富的硬件描述语言，再配之以合适的基于FPGA的实验设备，从而进行设计的数字电子系统具有结构简单、可靠性高、功耗小、速度快等优点，使得这种方式现已成为电子设计领域的主流。

1　运用系统方法将EDA融入数电课程的思路

“数字电子技术”是电类专业重要的基础课程之一，重点在于数字电路的分析、设计及运用[3-4]。在教学实践中使用系统方法，强调从系统级的高度来审视数字电子技术课程的基础地位，把控知识体系和系统的全局性，注重每个知识点在系统中的位置，形成“先整体后局部，从模型到对象，重要点轻细节”的教学体系，重点突出、层次分明。而在此过程中，EDA软件就可以发挥重要的作用。

在教学实践中，选择了共75人的两个自然班作为实验班，调整教学结构，优化教学内容，将EDA技术的设计思想真正融合到各个教学环节中去，以期全面改善课程的教学效果。以下结合教学实践中的体会谈谈如何运用系统方法将EDA技术融入数字电子技术课程、从而提高课程教学质量。

2　EDA在理论教学中的作用

传统的理论教学以教师为主体，学生则是知识灌输的对象，发挥学生主动性与积极性的机会不多，更谈不上对其工程能力、实践能力的培养，与目前提倡的工程教育的侧重点不相适应，教学效果不理想。有鉴于此，我们将数字电子技术课程实行小班授课，围绕如何设计数字电子系统的目标，将知识点按照“先整体后局部，从模型到对象，重要点轻细节”的方式，自上而下逐级分解，同时补充EDA方面的知识，利用EDA软件搭建一些实际电路并将其与数字电子知识系统中的教学内容有机结合，在课堂教学中融入研究元素与工程元素，强调学生的参与，使之更贴近工程实际情况，有利于培养学生对科学研究的兴趣，为他们以后的学习与工作奠定基础[5-6]。

2.1　EDA的引入

在学生还未掌握硬件描述语言时，主要以Quartus II的原理图输入法为例介绍EDA技术在数字电子技术中的应用。一方面，将课程中抽象的理论知识，例如：暂态、同步与异步、竞争冒险等问题，借用EDA软件仿真的方式形象地展示给学生，在课堂上可吸引学生的注意力，提高其兴趣，培养他们观察现象、总结规律的好习惯。另一方面，利用EDA演示一些来自现实生活中的实例，使得教师的课堂讲授更趋立体、丰满和生动，与实际科技更紧密相联，课程的知识结构和体系更趋合理，也更能体现出现代科技对课堂教学的指导和牵引。

2.2　EDA的应用

数字电子课程中牵涉到的集成电路芯片很多，构造及原理类似，若花大力气在讲解多个具体芯片的使用上，有些得不偿失。而学习的一个有效手段就是比较，用已经掌握的知识去认识不熟悉的内容，当然二者之间是存在内在联系的。故在教学中重点讲述几个典型芯片，余下的留给学生采取比较法自学。另外，按“重要点轻细节”的要求，在课堂上不做复杂深奥的理论讲解，如讲到计数器等一定规模的集成电路时，不过多关注其内部构造，而是利用EDA软件演示出来。这样一方面能令学生直观地看到器件及其应用，另一方面也可以避免学生身陷繁琐的电路内部细节分析之中。同时，尽可能运用EDA技术搭建一些实际的电路例子进行讲解，例如555定时器，可利用其构造门铃等实际电路。使学生明白理论课上学到的知识不再是枯燥抽象的电路，而是可用于真正能在实际生活中看到的、用到的产品之中，从而加强与工程实际的联系。

2.3　PLD与VHDL

在讲解可编程逻辑器件这一章时，单独拿出一部分学时讲述VHDL硬件描述语言以及数字电子系统的设计。VHDL自顶向下的设计方法与“先整体后局部”系统性的要求不谋而合，且由于学生已有一些计算机编程的基础，对于VHDL语言的教学就不再做逐条语句讲授，而是结合一些具体实例讲解清楚其架构及自身特点，帮助学生在短期内掌握VHDL的使用并付诸设计实践[7]。

3　EDA与实践教学相结合

数字电子技术课程实践性非常强，必须高度重视实践环节对学生能力培养的重要性[8-10]。将EDA融入课程的实践教学时以系统方法为导引，坚持以学生为中心，贯彻将实践教学与理论教学协调统一的理念[11]，改革实验教学理念，建立以创新能力培养为核心的实验教学模式[12]，所采取的具体措施如下：

(1) 修订实验教学文件。将原来单独设课的实验部分与理论课程部分统一为一门课程，并进一步压缩理论课程所占比例，提高实践学时比重：将原大纲中的共24学时的实践教学扩充为现在的32学时，同时提高综合设计性EDA实验所占比例。

另外，针对我校实际情况，以系统方法为指导，编写了一本简单实用的实验教程，增添了QuartusII的应用方法、VHDL硬件描述语言、FPGA实验系统的介绍，并适当加大提高拓展型实验、综合应用型实验和创新型实验等的比例供学生进行学习与实践。

(2) 加强实验室建设[12]。实验室是实践教学及科研活动的承载者，除了打造开放实验室、为学生提供良好的实践教学环境和教学服务之外，还尝试了一些新的做法。例如允许学生外借单片机实验板、PLD实验模块，这样学生可以不受时空限制，不仅能在自己的电脑上通过下载EDA软件完成仿真等工作，还可以完成硬件调试等任务。

(3) 协调实验与理论教学[11]。实验与理论教学均为同一教师的做法提高了教学安排的灵活性，方便教师合理协调理论及实验课程的内容及进度。笔者也尝试了在讲解一些教学内容(例如Quartus II、FPGA实验系统的使用等)时将课堂搬到实验室进行，让学生实际接触并应用这些设备以便快速掌握使用方法，在提高课堂效率的同时也锻炼了学生的动手能力。

(4) 系统导向开展实验项目。在实践教学中，以设计实际的数字系统为目标，采取自上而下、逐层分解任务的方式展开实验项目的教学。在此过程中，使学生掌握利用EDA工具对FPGA逻辑阵列完成电路软设计的方法，并进一步强化动手操作能力和综合实践能力。要求学生在教师指导下进行方案设计和程序设计，其流程见图1。

图1设计流程图

4　网络教学

为扩展师生之间交流的空间，借鉴目前国内外开放课程建设的优秀经验，从学生的角度出发，在我校网站的课程中心创建了开放课程平台。课程组在该平台上设置了“课程介绍”“电子教案”“视频录像”“在线测试”“例题解析”“下载空间”“师生论坛”“在线答疑”等多个栏目。发挥网络教学不受时空限制的优势，在内容的组织和编排上保证重点突出、层次分明，便于学生在碎片化时间里进行学习。另外，该平台与国内外著名的EDA开发网站相链接，帮助学生与时俱进地了解EDA技术的最新动态发展。

5　考核方式

成绩考核是检验教学质量的重要手段，对学生培养效果的评估不宜采用单纯依据考卷分数的这种传统模式，更应将学生的动手操作与实践等方面作为考核的一个重要方面。

结合我校数字电子技术理论教学、实验教学的具体情况，课程组制定了相应的课程考核办法如表1所示。在实验考核部分,教师记录平时实验期间学生的表现并结合实验报告给出平时成绩；最后一次实验提供几个综合性的题目，学生抽签得到笔试和操作考题，一人一题，要求在规定时间内完成，再根据学生的实际操作、测试结果和问题答辩等给出评价。

表1　数字电子技术课程考核办法

6　EDA在后续学习中的应用

6.1　课程设计

数字电子技术课程结束后的课程设计作为教学中重要的实践环节，一般是要求学生完成一个小型数字系统的设计任务，可谓系统方法的典型体现。在本课程设计中，要求学生将数字电子技术课程中所学的组合及时序逻辑电路、甚至模拟电子技术中相关的系列知识应用于实际系统设计。目的是培养学生综合运用可编程器件、EDA开发系统软件、硬件描述语言等各方面知识与实践技能，掌握数字电子系统设计的基本方法，能独立地解决实际问题，为电子产品的研发奠定基础。集中在两周之内完成的课程设计,具体实施过程见图2。

图2课程设计流程

课程设计工作需学生独立完成，教师会参与各个阶段并提供指导，但仅起辅助作用。在设计题目的选择上，提倡在教师协助下，发挥学生的主观能动性通过先期调研后自拟确定，一般要求与近几年课程设计题目不重复。学生经历了数字系统设计的全过程，其对理论知识的理解能力和实际动手操作能力都可以得到很好的锻炼与提高。学生的反馈也表明，他们是乐于接受并认同此种学习形式的。而学生在此过程中呈现出的创新能力和潜力是教师始料不及的，教师若在此时加以正确引导，会对学生的能力培养帮助良多。

6.2　课外实习与实践

通过“请进来、走出去”的方式，将学校课堂与社会课堂结合起来，邀请相关企业工程师到学校举办讲座，组织学生到企业进行参观见习、技术创新等活动，加强学生与社会及将来就业单位的联系。

与此同时，促进EDA教学与学生科技实践活动的紧密结合[13]。鼓励学生建立电子爱好者协会等科技小组，合作开发实用的电子设计项目，开设学生创新实验室，为有意于深入钻研电子技术的学生提供实践平台。该实验室全天开放，由学生自己管理，由具备实际工程经验的教师进行指导，开展一系列的课外科技创新活动，并为电子设计竞赛等活动输送有一定基础的选手。其中一些优秀学生还可参与科研工作，与指导老师一起完成相关科研项目任务。

另外，结合国家和学校关于开展大学生创新性实验项目以及学生科技创新活动、竞赛等政策，鼓励并辅导学生积极申报相应课题[14]，指导学生进行研究与撰写论文，使得学生在本科阶段即参与科研工作[15]，为随后踏入社会或进一步深造奠定良好基础。

6.3　毕业设计

以往的毕业设计，在原理性讨论和分析上形成的论文多，而能进行调试和验证的实际设计偏少，这样就造成了毕业设计效果不尽理想的问题。近几年，笔者尝试结合EDA技术引入一些基于FPGA的设计性课题，将大学4年来的专业知识串联起来，进一步提高了学生的综合运用能力，为他们今后走向社会作好了较充分的准备。通过实践发现，学生在学习“数字电子技术”时期打下的基础在毕业设计中发挥了很大作用。