面向新工科的“EDA”课程教学改革研究

程亮亮，路 璐，章志威

(1.合肥师范学院 电子信息与电气工程学院，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学 继续教育学院，安徽 合肥 230009)

随着“互联网+”“智能制造2025”“人工智能2.0”等国家重大战略的发布，传统工科专业迎来新的机遇和挑战[1]。为应对新一轮科技革命，促进产业发展，2017年以来，教育部积极推进“新工科”建设。作为电子信息技术发展的重要推动力量，从广义上说，EDA技术包含所有辅助完成电子设计的自动化工具及软件，如用于电子线路设计的Protel/Altium Designer软件、单片机仿真的Proteus软件、电子电路仿真用的Pspice或Multisim等软件。本文所讲的“EDA”课程主要指以PLD(可编程逻辑器件)为基础的电子系统设计课程，是合肥师范学院电子信息工程和通信工程专业的专业必修课，也可作为其他相关专业的专业选修课，一般在本科三年级开设，其先修课程是“模拟电子技术”“数字电子技术”“电子线路设计”“C语言程序设计”等。

PLD包括FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)，前者性能更为强大，在高速数据采集、接口扩展、逻辑粘合、高精度电机控制等领域应用广泛。与采用串行执行指令机制的MCU(单片微控制器，简称单片机)、DSP(数字信号处理器)等器件相比，FPGA采用基于硬件的并行处理机制，在信号处理速度上具有显著优势。其工作原理相当于使用铅笔在一张空白纸张上自由设计，并可局部或整体擦除重画。随着5G通信、人工智能、大数据等技术的发展，对数据处理速度的要求相比以前有了数量级提升。在“互联网+”时代，原本在线下完成的业务纷纷搬移到线上进行，这对网络传输带宽及后台服务器处理能力提出挑战。提供云服务产品的阿里巴巴、百度、腾讯等互联网企业采用FPGA进行硬件加速，以提升数据处理速度。Intel公司收购Altera，将后者FPGA与CPU深度融合，组成异构芯片，以应对日益增长的市场需求。

1 课程研究现状

1.1 教学内容

“EDA”课程一般包括理论讲解和实践环节两部分。按照学校目前执行的教学大纲，该课程总学时为48学时，理论部分为32学时，实验部分为16学时。由于实验部分只占总课时的三分之一，操作练习频次不够，使得学生对EDA综合调试工具如Quartus软件的操作熟练度偏低，例如当程序出现“Warning”警告甚至“Error”错误时不能正确处理，容易产生“知难而退”心理。

1.2 实践方式

当前教学的实践环节以Quartus软件仿真为主，缺少基于实验箱或开发板的操作练习。学生按照实验内容输入程序并综合通过后，只能从软件内置的仿真界面查看运行结果。如七段显示译码器实验项目，在软件界面输入波形激励文件后，软件自动输出数码管段码、位码信号时序图后即表示实验完成，缺乏直观的实物展示和动态变化效果。

1.3 考核方式

设计合理的课程考核能够促进教学质量的提高[2]，但传统的考核内容主要侧重教材理论知识[3]。当前教学考核平时成绩占50%，依据考勤、作业情况给分，考试成绩同样占50%，对学生操作熟练度进行考核计分。由于考试题目源于课本知识点，学生为应付考试，采取短期复习、死记硬背等方式记住常用的程序，不能深入理解程序的逻辑[2-4]，如十进制加法计数器稍作修改即可实现八进制减法计数器，因此，无法锻炼学生的创造水平。

2 课程改革途径

2.1 教学内容适当调整

与“单片机原理”“电子线路设计”及“Matlab及其在工程中的应用”等课程相似，“EDA”课程是一门实践性、应用性很强的课程，通过动手设计、调试一个个BUG，从而解决一个具体问题是最有效的学习方式。然而，电子信息类专业课程较多，增加学时数并不实际，因此，可通过以下多种方式鼓励、引导学生增加实践练习时间：(1)借鉴翻转课堂模式，学生课前通过中国大学MOOC(慕课)等网站进行理论学习，掌握“EDA”课程的硬件描述语言基础知识，如变量/信号的定义、程序结构等。课下教师引导学生进行在线学习，并在课上解答疑问，重点讲解难点部分，从而节省了有限的课堂时间。教师可适当缩减简单理论知识的讲解，增加FPGA的具体实例演示和解析，提高学生兴趣。(2)以赛促学，激发学生学习兴趣[5]，每年的电子类竞赛较多，如FPGA应用创新大赛、单片机与嵌入式系统应用技能竞赛、电子设计大赛、物联网应用技能大赛、挑战杯等比赛均可用FPGA进行设计，安徽省机器人大赛——单片机与嵌入式系统竞赛的C类平台要求采用FPGA进行设计实现，针对性较强。(3)目前在毕业设计选题上单片机相关课题较多，基于FPGA设计的题目很少，可能是开发调试难度较大的原因。教师在出题时可逐渐增加FPGA相关题目的比例，加深学生对EDA技术的理解，为将来从事EDA设计相关岗位打好基础。

图1 Quartus 软件中原理图输入方式描述数字逻辑电路

2.2 开发语言及实践平台

FPGA设计的两种主流语言是VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)和Verilog HDL，前者语法严谨，但学生需要付出更多的时间熟悉VHDL的语句结构和特点，后者则与C语言风格非常相似，且在产业界使用率更高。由于学生一般都具有C语言的基础，采用Verilog HDL可以降低硬件描述语言的学习难度，从而让学生将时间和精力放在最重要的设计环节，在未来工作岗位也能更快适应新环境。目前授课主要采用VHDL语言，后期可改为Verilog HDL语言讲解。在实践平台选择上，传统实验箱功能多，但体积较大，灵活性差，对实验场地要求较高[7]。近年来，口袋型FPGA开发板在一些学校得到应用，其体积小巧，携带方便，连接笔记本电脑即可进入“EDA”课程的实践过程，可不受时间、空间的限制，可在课内实验环节进行。

2.3 课程考核模式

在传统方式考核模式上，以考试成绩为主，重视知识的掌握情况，但忽视了能力的培养，因此，可调整平时、考试成绩比例为70%和30%；在考核方式上，可采用多样化测试方法，例如鼓励学生利用学院的开放实验室参与竞赛，或基于硬件开发板进行项目实践等，经过课题组老师的审核后计入平时分，对只有仿真结果的项目和包含实物演示的项目则计不同分。

2.4 教师队伍建设

FPGA结构相对复杂，如逻辑阵列模块、时钟管理单元、锁相环及数字信号处理模块等，教师需要勤加练习才能熟练掌握各模块的原理及使用方法。此外，EDA开发工具也在更新换代，如Altera公司的开发工具由先前的Max Plus Ⅱ升级为Quartus软件，Xilinx公司早期的FPGA开发工具是ISE，后来推出全新的基于UltraFast设计的Vivado开发套件(仅支持7系列及以上FPGA)，其性能更强大[8]。因此，授课教师需跟踪行业发展动态，通过项目申请、网络在线学习、寒暑假实践培训、校企合作等多种方式提升自己的专业水平，从而将复杂、难理解的知识点深入浅出传授给学生，并通过更多的案例讲解提升课堂活力。

3 结语

企业需要能设计、会调试的EDA技术人才。随着国家出台促进集成电路相关产业发展的一系列政策，“EDA”课程在电子信息、通信工程等专业的人才培养中愈发重要。通过学校、教师、企业及学生的共同努力，如开放的软硬件实践平台、良好的授课方式及丰富的工程案例可使学生更快掌握EDA设计方法。本文结合实际教学情况，从教学内容、实验设备及考核方式等几个方面提出了目前教学中存在的问题，并给出了一些改进措施。今后，笔者将继续在教学过程中总结经验，探索适合应用型本科高校的教学方法。