新工科背景下EDA实验教学模式的新探索

2019-06-20彭祖群

中国现代教育装备 2019年11期

彭祖群陈平李琴王焕

广东工业大学自动化学院广东广州 510006

为了主动适应新一轮科技革命与产业变革，支撑服务“创新驱动发展”“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部正积极推进新工科建设。新工科的内涵是“以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1-4]”。新工科的“新”体现在工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系等[5]。由此可知，新工科对工程技术人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才。

鉴于新工科对于国家发展战略的重要性，在教育部门的大力推动下，近年来，新工科的建设发展速度异常迅猛，形成了一系列纲领性文件或发展指南。例如，2017年2月以来，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等。2018年4月，教育部出台了《高等学校人工智能创新行动计划》要求推进新工科建设，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设[6-8]。

电子设计自动化(Electronic Design Automation，简称EDA)是一种依靠计算机，在相关的EDA软件平台上进行仿真测试、优化开发，最终实现电子线路功能的技术[9]，它是新工科教育体系下的一门重要课程。随着计算机科技、硬件与软件的不断革新，EDA技术也在不断发展和进步。然而，根据笔者长期在工业院校实验室授课的经验，目前EDA实验教学模式存在较多的问题，并不能满足新工科教学建设的要求。为此，本文将深入分析原有EDA实验教学模式存在的问题，并根据新工科的理念，设计符合时代发展的实验教学模式，为社会培养优秀的新型工程人才。

1 EDA实验教学旧模式的弊端

实验课程泛指实验课和课程设计两种：一般每次实验课为2学时，实验内容简单易懂；而课程设计一般为1～2周，根据指定的题目和要求进行综合设计，通过实验报告以及答辩的形式接受考核。本文重点探讨的是基于课程设计的EDA实验教学模式。经观察了解，学生普遍对EDA实验课程兴趣不浓，对实验内容缺乏思考，对实验思路浅尝辄止，对实验方法缺乏推广应用，对实验考核敷衍了事。以上问题与当前EDA实验教学旧模式的弊端有着紧密的关系。经过长期观察与访谈，笔者总结出以下几个问题，如图1所示。

图1 实验教学育人旧模式的弊端及其影响

(1)EDA实验课程是一门工具类的课程，EDA实验课程主要通过 EDA实验箱、集成开发软件及仿真软件，在实验箱搭建外围电路，在集成开发软件的环境中进行编程、编译和下载[10]。其课程设计题目简单，容易从网络上获取完整的解决方案甚至是开源代码，通过简单的设计和调试就能快速满足题目的要求。因此学生对实验内容容易浅尝辄止、缺乏思考，进而导致对复杂工程问题认识不足，解决问题的能力历练不够，自然也难以构筑完整的知识体系和解决问题的能力。

(2)课程设计内容陈旧是影响学生兴趣的一个原因。现代科技日新月异，智能机器人、大数据和物联网等领域给人类带来各种美好的体验，大学生对新兴科技耳濡目染甚至已经亲身体验。难以找到陈旧的题目与新兴科技的契合点，心理落差磨灭了学习的兴趣。以EDA实验中的数字电路实验课程为例，最基本的交通灯设计、电梯的逻辑控制、视频的采集与显示等题目不仅陈旧枯燥，而且与实际问题相差甚远。如果为题目引入一个现实的场景，让学生创造性地提出解决办法，例如，智能交通灯的设计，高层多路电梯的最优化控制以及智能监控视频系统的设计，往往更能吸引学生的兴趣并且能够与新兴产业结合，反映实际的工程问题。

(3)学生完成课程设计的模式往往都是从零开始探索和设计，大部分时间精力投入在重复探索业已成熟的技术上，缺乏对新兴技术的了解和对创意的思考。以EDA实验中的数字电路课程设计为例，在短短的一周时间内，学生大部分时间耗费在软件操作的探索以及基本框架的设计上。例如，基于FPGA的视频采集和显示的基本框架调试完成之后，一周时间已经结束进入验收考核环节，学生没有更多的机会继续往视频处理方面深入研究和设计。因此实验的层次太低无法触及更前沿和更有创新性的算法层面。

(4)EDA课程设计一般是提供若干候选的设计题目和要求，学生先在quartusII软件中编译仿真，然后下载到开发板连接电路，并按照要求完成设计。答卷式的任务书限定了学生创意，完成要求成为主要目标。

(5)考核方式直接影响学生的工作思路。考核的权重倾向于实验结果，因此忽略了实验过程的思维和创意，导致学生不注重实践和学习过程而急于追求实验结果。旧有的EDA教学模式，使学生只注重实验结果和实验报告，而这些均可以从往届学生或者网络上获取得到。这种重复性的教学模式，无法培养学生在电子工程设计方面的创新能力和主观能动性，不能培养学生解决实际问题的能力，同时严重影响学生学习实验课程的热情和兴趣[11]。

以上问题之间紧密联系、相互影响，学生在单一的考核方式之下，注重实验结果，面对陈旧的实验题目兴趣不大，从零开始完成实验又缺乏对创意层面的探索，因此EDA实验教学的旧模式在新兴科技快速发展的潮流下难以达到良好的育人效果。

2 EDA实验教学模式的新探索

为了发挥EDA实验教学的育人作用，对EDA实验教学模式进行了新探索，提出了一种新的模式，其特点和效应如图2所示。

图2 实验教学育人新模式

(1)保持EDA实验课程设计的选题多样性，要求实验教师要结合新兴产业发展的需要，从科研和工程项目以及学科竞赛作品中的提取相应的题目，其好处是不仅能够丰富课程设计的题库，而且题目接近最前沿的课题，反映实际的工程项目，贴近实际的应用场景。题目的多样性和前沿性满足学生多样化的兴趣爱好，有利于提高学生对实验课程的积极性。

(2)保持题目的开放性，EDA课程设计题目以半开题的形式，留给学生足够的空间寻找创意。EDA课程设计实验活动中，学生将作为课程设计的主体，不再是单纯完成教师布置的实验任务，而是一个开放性的题目，让学生充分发挥主观能动性，把自己对课程的理解、兴趣点通过资料查找、与教师交流、团队合作等方法，完成相关的实验。内容设计。例如，可以把EDA软件与学生学习的相关专业结合，设计一个综合性的实验，让学生自由发挥，完成实验任务。开放性能促使学生阅读科技文献寻找思路，拓宽科技领域的视野。

(3)EDA实验的传承性有利于学生往更高层次寻找创新。例如，为每一个题目配套有一个基本的设计框架，学生在理解基础框架之后能够扩展框架的功能，进而继续完善基本框架。EDA实验中的基于FPGA的视频智能监控系统，需要配套基于FPGA的视频采集与显示的基本框架，学生在此框架基础上，结合前沿科技和实际场景，根据自己的兴趣选择不同的方向进行设计和优化。

(4)EDA实验课程创新性主要从教学方法和教学内容两方面体现出来。在教学方法上，应以学生为本，对学生的实验考核方式多样化；在教学内容上，应从学生实验时间、教学模式、开放实验管理几方面着手改进。创新性要求考核不仅要评价实验结果，而应该评价学生科技视野、创新思维、解决问题的思路和团队合作的能力，激发学生重视过程的学习和实践。

(5)自主性是通过任务驱动模式，给予学生更多的空间发挥自己的兴趣爱好，激发学生积极主动投入到实验课程的实践当中，真正得到有效的锻炼。要注重EDA课程设计与工程实际相结合[12]，在实验的过程中增加设计性和验证性的实验项目，增加实验室开放时间，让学生能够自主设计和开展课题，提高学生的综合能力。

3 EDA实验教学新模式实施路线

结合EDA实验教学新模式的特点，给出其实施路线(如图3所示)。从科研工程项目和学生竞赛项目中提取最小系统，作为实验课程的基本框架，并以此设计实验题目，学生以团队合作的方式，根据兴趣爱好结合新兴技术在选题的基础上深化题目的内容，提出设计方案、实验方法，并由实验教师进行可行性和创新性评估、难易程度的评估，并通过立体考核，从实验内容、技术方案、实验方法、团队合作、技术创新等多方面进行评价，从而发挥实验教学育人的重要作用。

图3 EDA实验教学新模式的实施路线图

(1)EDA实验课程选题。为了充分发挥自动化学院的科研优势，将理论研究与实践应用相结合，EDA实验课程鼓励学生与教师合作，挑选教师科研项目(纵向科研项目和横向工程项目等)以及学生科技项目(含大学生创新创业项目等)所研制的系统，通过剪裁和精简软件功能形成最小系统。学生以团队合作的模式，在实验目的和实验要求的指导下，根据兴趣爱好选择适合的最小系统，通过阅读文献和独立思考，进一步提出选题方向，确定实验内容，并以此作为EDA实验课程选题。

(2)EDA实验课程实施。围绕上述选题，学生将进一步自主设计实验内容、技术方案、实验方法、评价指标，并进行实验。实验教师在这个过程中充当顾问角色，与学生一起分析和解决在实验过程中出现的各类问题，并为实验提供必要的条件。

(3)EDA实验课程评估。学生在整个实验过程中(含实验选题、实验实施等)接受立体式(创新性、交叉性、实用性和综合性等)评估，包括选题的新颖性、技术方案的可行性、技术方法的创新性、实验难易程度、实验操作中的动手能力、发现和解决问题的能力、沟通能力等，最后学生必须以答辩的形式汇报整个实验过程与结果。教师将根据学生全过程的表现综合评定实验成绩。