《EDA技术及应用》课程的项目教学设计

张 瑾，孙芹芝

（1.大连大学 信息工程学院，辽宁 大连 116622 2.大连大学 网络与信息中心，辽宁 大连 116622）

0 引言

EDA技术是现代电子信息工程领域中一门发展迅速的新技术，它融合了应用电子技术、智能技术、计算机技术等多学科最新成果 ，已经成为现代电子系统设计和制造的主要技术手段[1]。开设《EDA技术及应用》课程，目的是培养学生运用EDA技术进行电子系统设计的能力、创新精神以及独立解决问题的工程实践能力。以往我们特别强调以知识为本位，教师在课堂上按照大纲，顺序地讲授各种编程语句的结构、语法，然后在实验上机课中进行验证和编程设计，这种理论教学与实践教学相分离的格局很难形成学生的综合技能，也难以调动学生的主动性、参与性与协作性[2]，为此近几年开展了项目教学的尝试，取得了很好的效果。

1 教学项目设计

项目教学法是充分应用课堂理论知识解决生活中、工程中的实际问题，并且通过解决项目加深对理论知识的理解，从而达到培养学生综合能力目的的全新教学模式，与著名教育家陶行知先生所提倡的“在学中做，在做中学”的教育理念一致[3]。这种教学方法更适用于《EDA技术及应用》之类应用性比较强的课程。

1.1 项目选择原则

项目的确定是“项目教学法”成功的关键。项目的选择要在教学目标指导下，综合考虑项目的设置、各项目间的联系和层次递进。以大纲中的知识点为依据，既要与书本的知识紧密结合，又要能够展现项目的现实应用性，同时给学生留有发挥和创新的空间。具体地，项目选择应该遵循以下几个原则：

（1）紧密配合教学内容和教学目标。项目实例是为教学服务的，因此选取的项目必须和教学内容相吻合，项目的设计方法、手段基本是教学内容的实际应用。

（2）具有良好的工程应用价值[4]。项目不但为掌握EDA技术理论和设计方法服务，还应加强学生对电子系统的工程设计的理解。项目应是工程应用中的实际问题或者电子系统设计中的典型环节。

（3）规模适中。项目规模太大将花费过多学时，项目规模太小则难以体现课程的实践性。

（4）难度适中。项目难度既要激发学生学习的兴趣，又不能打击学生的自信心。

（5）趣味性。选择项目时应考虑其趣味性和实用性，让学生有热情有动力投入项目中。

1.2 项目选取与设计方案

EDA技术旨在使过去中小规模数字器件实现的数字系统得以在集成度更高、体积更小的超大规模可编程器件中实现，而这一思路的关键就在于硬件描述语言VHDL，因此EDA技术课程最主要的内容有两部分：一是VHDL语言的学习，二是数字电子技术中常用数字器件的VHDL设计及应用。

如果按照知识体系系统地学习这门课，将需要大量学时，仅仅VHDL语言部分，就需要讲授它的三个结构、五个要素、若干重要语句和三种常用设计手段，而培养方案在这部分的教学中给出的学时很少。该课程采取的项目教学思路是，放弃不常用VHDL语句，选取EDA设计技术中最有效的手段和方法，将其融合到电子系统设计的典型环节、典型项目中去，即应用项目中包含了本课程所有重要知识点，这样在做项目的过程中展开探究式、参与式和研究性教学，既达到教学任务要求，又锻炼了学生，使得学生的主动性和学习热情得以充分发挥。

基于以上思路，设计选取“8位数码扫描显示电路设计”、“直流电机的PWM控制”、“基于VHDL状态机的A/D采样控制电路设计”、“多功能音乐播放器设计”等项目，项目除了体现VHDL语言的基本结构、文字规则，还应用了其最核心的内容——顺序语句、并行语句的语法和元件例化法、状态机设计法、LPM定制等设计手段，涉及的器件设计包括了所有常用的组合逻辑部件和时序逻辑部件，同时应用了大量电子系统的设计原理。项目所涉及的主要VHDL语法、设计手段以及电路原理知识如表1所示。

表1 项目与主要VHDL语法、设计手段以及电路原理知识对应表

2 项目教学的实施

2.1 提出项目要求

在教学之前，给出项目的设计要求，包括基本要求、扩展要求和自由发挥部分（不必设置具体参数），例如“直流电机的PWM控制”项目，除了按键控制电机的正反转和速度这一基本要求外，还设置了按键步进控制速度档位、电机测速以及显示速度值的扩展要求，并且启发学生研究将电机安装在小车上，进行障碍物检测、慢转弯、急转弯、前进、后退等多种控制。作为自由发挥部分，具体参数不限。

再如音乐播放器设计，基本要求是能够完整播放一首曲子，节奏适中，声音清晰响亮，曲目任选；扩展要求是通过按键可以在几首曲目中任选一首进行播放。学生可以将功能进行提升，如按键快进选曲或者一首曲子内快进播放等等。

在明确项目要求前提下，指导学生查阅、学习所设计的系统的工作原理。

2.2 引导学生进行项目分解

引导学生将项目分解为多个模块，以各模块为任务分别解决。这样做，既有利于厘清设计思路和分别调试，也有助于学生目标明确、有的放矢地学习课程知识。

（1）8位数码扫描显示电路设计项目。学生必须掌握的是基于EDA技术的组合电路与时序电路的设计，包括计数器、译码器、显示译码器设计以及三极管的开关设计。

（2）直流电机的PWM控制项目。设计包括计数器、比较器、速度档位发生、PWM波产生、正反转控制等模块。

（3）基于VHDL状态机的A/D采样控制电路设计项目。该项目包含状态机时序控制进程设计和状态翻译进程以及数据锁存进程设计。

（4）音乐播放器设计项目。项目所需要完成的设计包括ROM地址发生、ROM存储器、音乐简谱译码、数控分频、占空比调整等模块[5]。

2.3 对学生项目设计的评价

设计小组以1-3人为宜，项目设计成果以答辩形式加以检验，具体包括波形仿真与分析或者硬件电路测试以及设计思路阐述。波形仿真与分析是从理论上说明设计的正确性，硬件电路测试则从实践上检验设计是否达到要求。项目评价分数将以适当比例计入期末考试成绩。

3 项目教学实施效果

《EDA技术与应用》课程实施项目教学过程中，在下面几个方面取得了明显的效果。

（1）学习态度的改变。采用项目教学以后，学生学习主动性明显增强，为完成一个项目，必须查阅大量文献、自学教材、讨论答疑等等，而这些工作在以往不必学生亲自去做，学生只听老师讲授、编写练习程序就行了。同时各组之间的竞争、比拼也激发了学生的学习热情。

（2）考试成绩的提高。《EDA技术及应用》考试在应用项目教学之前，即使开卷考试，卷面不及格人数比例也达20%左右，采用项目教学后，在难度相当的前提下，闭卷考试的成绩大幅提高，不及格人数比例下降为10%以下。

（3）实验效果的改善。《EDA技术及应用设计》课程是与《EDA技术及应用》配套的实验课，可以看到学生独立编程、调试、纠错能力大大提高。

（4）创新项目和大赛成绩。采用EDA技术完成创新项目的小组逐年增加，成绩也提高很大，2015年至2017年共有四组创新项目被批准为省级项目，其中一项晋级为国家级大创项目。在近年举行的全国大学生电子大赛、辽宁省“TI”杯电子设计大赛中，均有采用EDA技术完成设计获奖的作品，这与平时的项目设计和训练是分不开的。

4 结语

实践证明，《EDA技术及应用》课程引入项目教学效果良好，教师在教学中，将知识点融合到项目中，在不影响知识体系完整性的前提下，能够重点突出地讲授实用技术，大大提高了教学效率和课堂活力。学生在项目教学过程中，知识的学习和能力的培养都达到了课程目标，而且激发了学生的创造热情，对培养应用型、创新型的一线工程技术人才将起到较大的促进作用。