面向工程教育专业认证的EDA 课程教学改革与实践

陈荣伶，鄢秋荣，龚黎华

（南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031）

0 引言

我国现阶段高等工程教育领域普遍存在一些问题，如工程人才培养与社会需求脱节、与“新业态”需求脱节；开放办学的程度不够，缺乏真实的工程人才培养环境。因此，现阶段高等教育对人才的培养难以满足我国经济结构转型、升级对高级工程专业人才的需求[1-2]。

工程教育专业认证在国际上已行之多年，是提高高等学校工程教育质量的重要方法和途径。工程教育专业认证要求提升学生的创新能力。创新有三要素：知识、思考与实践，其中知识是基础，思考是关键，实践是根本。如何将知识传授与实践训练有效结合，做到“学中做”与“做中思”是工程教育工作者必须思考的问题。

随着超大规模可编程器件FPGA （Field Programmable Gate Array）和人工智能技术的兴起，以硬件描述语言完成电路设计的EDA（Electronic Design Automation）技术日益广泛应用于信号与信息处理、通信、自动控制等领域[3]。电子信息类专业中EDA 课程通常安排在大二下或大三上学期，为指定性选修课，在整个课程体系中承上启下，起到非常关键的作用。EDA 课程实践性、应用性强，强调培养学生独立创新设计能力和工程实践能力。因此，学好EDA 课程是电子工程师的必备要求。

1 EDA课程教学现状

对标工程教育专业认证标准，EDA 课程教学模式存在四大问题[4]。

（1）教材内容陈旧。教材内容跟不上FPGA可编程技术的发展。目前高校EDA 教材讲基本原理多、讲应用实例少、谈新应用少，难以满足专业认证中对知识的要求。

（2）教学手段单一。在教学手段上，采用多媒体教学。随着教学改革不断深入、课内学时不断减少，每节课的信息量巨大。学生精力需高度集中，久而久之，感到身心疲惫，影响学习效果。教学没有吻合专业认证“以学生为中心”的理念。

（3）实验内容与工程应用脱节。虽然是设计性实验，但难度和综合性小，与真实世界工程需求的EDA 硬件、程序设计过程相差甚远。从能力角度来说，缺少了工程设计环节的锻炼，难以与工程应用联系起来，无法满足专业认证中毕业要求能力的达成，与“以产出为导向”理念不符。

（4）考核方式简单、教学过程封闭。在课程教学考核手段上，缺乏阶段性考核。教学过程缺乏互动和连续性，与专业认证中“持续改进”的理念不符。

鉴于工程教育专业认证的需要，为进一步深化工程人才培养改革，有必要改革EDA 课程的教与学，把培养学生实践能力、创新能力和解决实际工程问题能力等任务落在实处，满足工程教育专业认证的要求。

2 EDA课程教学改革的实施

2.1 根据国际工程教育专业认证课程与能力要求，更新教学内容

建立“层次化”教学体系。把EDA 技术的基本内容与新技术、新知识融会贯通，把理论教学与实验教学统筹考虑。整个EDA 课程规划为3 个层次[5]。

第一层次重知识能力。通过16 学时的理论课讲授基于FPGA 的EDA 基本设计方法和基本模块的实现原理。突出重点，将组合电路模块、计数器模块、状态机设计等EDA 设计基础知识讲深讲透。

第二层次重实践能力。引入设计性实验项目的实践教学，掌握层次化设计方法、LPM 定制方法和设计优化方法。要求学生熟练使用Verilog HDL 硬件编程语言实现电路设计，掌握Matlab、Quartus II、Vivado等软件平台和Modelsim、SingalTap、Test Bench 等仿真工具的使用。

第三层次重创新能力[6]。结合EDA 技术发展新动态，引入与当前实际应用紧密结合的综合性工程设计实验项目，解决实际工程问题。实验必须是综合的系统，包含信号源、传输、存储、变换、输出等，锻炼学生的自学能力、创新能力和解决实际工程问题的能力。

2.2 贯彻“以学生为中心”的理念，丰富教学手段

采用的教学手段以促进学生达到学习成果为目标[7]。

（1）理论与实验结合。前期根据理论教学的进度同步设计常用模块。例如，讲授组合电路设计方法后，立即要求学生独立设计全加器；讲授计数器后设计和仿真分频器和数码管显示；讲授状态机后则设计序列发生及检测器。通过边学边做8 个学时的小实验让学生掌握EDA 的设计方法和基本模块的设计，为下一步的项目实验做好铺垫。

（2）项目驱动。后期由教师结合课程组成员在研的科研项目、近几年FPGA 竞赛的题目、大学生创新训练项目及科研训练项目等，设计与工程应用紧密相关的综合创新性实验项目。由于综合创新实验具有一定设计难度，能较好地锻炼学生的终身学习能力、问题分析能力和解决实际工程问题的能力[8]。

（3）网络平台辅助教学。自制图文并茂的电子课件和视频微课，给学生提供一个自主学习的空间，拓展学习内容的深度与广度，真正做到“以学生为中心”。

（4）构建开放型教学实验平台。将开发板下发给学生，将实验场所拓展到教室之外，突破实验的时空限制，提高学生的实践兴趣。

（5）建立联合实验室。通过与EDA 科技公司建立校企合作，建立NI 图形化系统设计联合实验基地、Xilinx FPGA 综合创新联合实验室、ALTERA EDA/SOPC 联合实验室、TI 联合创新实验室及罗德&施瓦茨联合实验室，选派学生参加企业论坛、参加企业组织的设计竞赛、邀请企业工程师来校讲座或培训等形式，“走出去，请进来”，加强与企业的融合，增强学生工程意识。

2.3 “以产出为导向”，关注毕业要求能力的达成，实现实验项目多样化

EDA 课程的毕业要求支撑指标点及支撑关系见表1。

依据以上指标，将实验项目分为3 类：3 个基本模块设计小实验（8 学时），2 个设计性实验（12 学时）和1 个综合创新性实验（12 学时）[9]。

基本模块实验有全加器设计，可变模计数器设计和序列发生及检测器设计、通过3 个小实验掌握EDA 的基本设计方法，完成能够设计常用功能模块的目标。

在设计性实验中提供大量工程应用中常见的题目库，每个题目给出具体的要求和难度系数，见表2。

表2 EDA 设计性实验题目

设计性实验由学生根据难度系数自行选择，独立完成。这样因材施教，使基础不同的学生都能得到能力提升。

综合创新性实验立足工程应用教学理论，锻炼解决实际工程问题的能力。由教师提出项目任务，指导学生自主实践。学生每3～5 人组成一个项目组，以小组协作的方式制订设计方案，共同完成一件较完整的综合创新性项目作品。

例如，综合实验项目——DDS 信号传输，结构见图1，涉及基于FPGA 的DDS 信号的产生、UART 数据收发传输、数模转换和VGA 控制。要求频率字、相位字、振幅可预置，多种波形可选并在VGA 显示。

综合实验项目——基于可见光通信的音频传输，结构见图2，包括模数数模转换、FIFO、UART 和OOK 调制解调（其中LED 的发射和接收提供现成模块电路）。系统发送端与接收端的实物连接图见图3。

实验教学提供的硬件开发平台有台湾友晶科技的FPGA 开发板DE2-115，及Xilinx 的ARM+FPGA 双核开发板Zybo。它们的处理性能优越且有丰富的I/O 资源，可以满足项目设计的需求。整个实验内容的规划从基本模块入手，到掌握LPM 定制方法及状态机设计方法、掌握设计优化方法，直至完成综合且较复杂数字系统的设计，囊括EDA 教学要求的所有环节；同时实验设计中，学生需熟练运用C/C++、Matlab 和Verilog 编程语言，使用Keil、Matlab、Quartus II、Vivado 等软件平台开发软硬件。EDA 课程结束后学生基本具备较强的软硬件协同开发能力。

图1 DDS 信号传输结构图

图2 基于可见光通信的音频信号传输结构图

图3 基于可见光通信的音频信号传输系统发送端与接收端实物连接图

2.4 结合“持续改进”理念，提高教学效果，完善考核方法

在教学中始终以学生为本，切实了解教学存在的问题，并根据FPGA 科技发展的规律，不断调整教学内容，有针对性地自编教材。课程结束后定量统计课程考核结果，计算目标达成度，并采取学生问卷调查，后续课程反馈等方式考查教学实施效果，及时发现并修正需要改进的教学环节，通过周期性评价形成持续改进的教学闭环反馈系统，提高培养质量。

课程的考核应具有多样性和选择性，注重学生在过程中能力的发展，测评内容包括学生参与各环节的表现以及作品质量[10-11]。EDA 课程的考核过程贯穿始末，理论部分占20%，实验部分占80%。实验前期要求学生独立完成基本模块小实验和较复杂设计性实验项目的设计及验收。后期则要求分组完成综合创新性实验项目的设计。综合项目中学生除提交方案审查、作品验收外，还需撰写项目报告，PPT 演示答辩。课程采用考核制，通过前、中、后三个阶段的考核，由教师的评价和项目组的互评共同给出最终实验成绩[12]。EDA 课程的考核细则见表3。

3 课程教学改革的成效

笔者在所在高校2014—2016 级电子信息工程专业部分班级中进行了课程改革试点。在EDA课程教学改革实践中，在任务的驱动下，学生不再被动式学习，而是主动寻找方法，解决问题。通过3 个学期的教学改革实践，充分挖掘了学生的潜能，激发了学生参与实验的积极性和主动性。实践中学生的工程设计能力、创新意识、实践能力在不断的解决问题和积极主动的参与过程中得到培养。相比其他未改革班，课程结束后，改革班学生普遍对电路设计相关课程有了浓厚的兴趣，积极报名参加SOPC 大赛、嵌入式设计大赛及科研训练项目。改革班参与大赛及科研的人数是其他班级的2 倍以上，在已毕业的2014 级、2015 级改革班中升学率相比其他班级高出20%以上，可以说教学改革取得了良好的效果。

EDA 课程教学改革对推进教学观念转变，强化教师工程教育理念也有着积极的作用。要求教师产学研结合，将工程应用中最新的动态反映在EDA 课程的教学中。强调教和学过程的互动，及时发现教学中的问题并持续改进。要求以学生为中心，聚焦能力的培养。以加强基础、培养科学实验素质、提高实践及创新能力和解决实际工程问题的能力为教学目标。

表3 EDA 课程的考核细则

4 结语

面对严峻的就业形势，如何提升学生的工程实践和创新能力，指导学生进行研究性学习，是每个教育者必须认真探讨的课题。EDA 课程是一门实践性很强的课程。对标工程教育专业认证标准，梳理课程教学现状，有针对性地从教学模式及教学手段着手，进行改革与实践。更新教学内容，丰富教学手段，完善考核方式，注重能力培养。将“以产出为导向”“以学生为中心”和“持续改进”这三大专业认证的基本理念贯彻到EDA教学改革之中[13]。

以工程教育专业认证为标准的EDA 课程教学改革适应创新人才培养的新趋势，符合社会发展对人才素质的要求，有效地培养了学生勇于创新敢于实践的素质，提高了工科类大学生解决实际工程问题的能力。