基于行动导向的EDA 技术与应用课程教学改革研究

刘德方，王先超，陈秀明，赵 佳

（阜阳师范大学 计算机与信息工程学院 安徽 阜阳 236037）

EDA 技术是现代电子电路系统设计领域中的一支奇葩，深受电子设计工程师和教学科研单位专业人员的关注和青睐。EDA 技术与应用课程是高等院校计算机科学与技术、信息工程、物联网工程、智能科学等专业的一门重要的专业课。其先导课是数电、模电、计算机组成原理、单片机等；后续课是嵌入式系统、计算机体系结构、智能控制等。在整个课程群中具有举足轻重的地位[1]。随着电子信息技术的发展，社会对EDA 技术人才的需求量与日俱增，要求专业基础扎实、专业技能娴熟，能够理论联系实际、学以致用。因此，应用型本科院校对EDA 技术人才的培养肩负着重要的历史使命[2～3]。但是，近年来，结合自己学校和通过走访兄弟院校发现EDA 技术课程在教学理念、教学摸式、教学方法、教学内容、教学效果等方面普遍存在着教学理念滞后、教学模式单一、教学方法陈旧、教学内容过时、教学效果欠佳等问题。为了与时俱进，EDA 技术课程的教学改革势在必行。

笔者结合自己多年来的EDA 技术课程的教学感受和经验，提出基于行动导向的EDA 技术与应用课程教学改革方案。在整个教学活动中，学生是主体，教师是组织者与协调人。教师始终承担着组织、协调、答疑、解惑角色，真正做到服务于学生、服务好学生。使得学生能牢固掌握专业基础知识和熟练运用专业技术，大大提升学生的实践效果、专业素养、分析问题能力、解决问题能力、创新能力。

1 行动导向教学

行动导向教学起源于德国教育界[4]，是强调学生同时使用心、脑、手的教学，在整个教学活动中，学生是主体，以专业技能活动为导向，以能力为本位。教师在整个教学过程中，是组织者和协调人。教师发布学习任务和学习计划，由学生对学习任务进行决策和实施，最后由教师验收、评估。在整个“行动”过程中，学生自己“动手”并掌握专业技能，从而能够构建属于自己的知识体系和经验感受。

行动导向教学的教学目标是把学生的认知目标和行为目标结合起来共同实现；教师是学生行为的指导者和咨询者；教师传递知识的方式是双向的，教师可以根据学生活动的成功与否获悉其接受教师信息的多少和深浅，便于指导和交流。学生参与程度提高，由被动学习转向主动学习，即由“要我学”转向“我要学”。教师采用合适的激励手段，激发学生的内在兴趣，从不会到会，完成一项具体的任务后，收获成就感、自豪感、喜悦感和求知欲望的提升及对课程兴趣的增强。教师根据学生的行为状态、行为过程、行为内容、行为结果及实践效果评定成绩，使得教学质量得到很好地综合控制[5-8]。

2 行动导向教学原则

在行动导向教学中，教师提纲挈领地传授EDA 技术设计的理论知识，然后把大量的时间交给学生，让学生根据任务查阅资料、构建设计方案、设计电路图或编写源程序、编译、引脚分配、设计输入波形、仿真结果分析、下载验证。教师引导学生明确设计原理、设计思想和设计流程及注意事项，答疑解惑实践过程中出现的各种问题。

2.1 理论教学

在传统的EDA 技术与应用课程教学中，理论课36 学时（每周1 次，每次2 节课），实验课16 学时（每2 周1 次实验课，每次2 学时），显然理论课学时多，实验课学时少，大量的理论知识得不到实践验证，学生的感受是理论知识不能尽快或立即由感性认识转化为理性认识，学习过程枯燥无味，学生会逐渐失去对本课程学习的兴趣。采用行动导向教学模式后，理论课和实验课学时1：1。教师把理论课授课内容和实验课实验项目紧密结合起来，通过实验帮助消化吸收理论知识。EDA 技术与应用课程的理论内容包括硬件和软件两大部分[9]。其中EDA 技术的含义、实现目标、常用工具、发展趋势、大规模可编程器件的片上资源、结构组成、工作原理和常用接口等要熟悉。硬件电路的设计重点是逻辑符号图的生成和顶层电路的设计。软件部分涉及到硬件描述语言程序的设计如VHDL。原理图的设计方法和技巧以及逻辑单元符号的生成、硬件描述语言程序架构与编写方法都是教师传授给学生的。学生只要能理解掌握即可。理论教学内容可以分为基础层、应用层和系统层，由浅入深、循序渐进。

2.2 实践教学

教师发放任务，提出意见和建议后，由学生独立完成[10]。学生一般都是从创建工程、FPGA 芯片选择、设计原理图或编写源程序，然后编译；在编译环节会遇到许许多多的问题：如原理图设计错误、源程序语法或算法错误等，教师在这个阶段答疑解惑，帮助学生分析出现错误的原因以及修改错误的方法等[11]。引脚分配环节要查阅芯片的用户手册，教师引导学生学会自主查阅资料正确分配引脚；然后通过分析电路输入信号的时序关系设计仿真波形，并对含有输出信号波形的仿真报告进行分析，若仿真报告中输入信号和输出信号的波形和理论值一致正确，即仿真报告正确，即可对目标文件下载验证。要求学生对实验数据及实验现象进行剖析、挖掘内涵，真正能消化吸收实验项目涉及的设计原理、设计流程、设计方法和设计结果。

3 行动导向教学流程

以可变速率的八位七段数码管动态显示“0～F”电路设计为例。流程如图1 所示。图中设计方案采用原理图设计、硬件描述语言程序设计或原理图和VHDL 混合输入的设计方式。

图1 可变速动态显示数码管设计

3.1 资讯

学生获取资讯时，在教师的提示下，引导学生明确任务[12]。

教师把可变速率的八位七段数码管动态显示“0～F”电路设计需要的分频器模块、计数器模块、数码管显示模块设计任务布置给学生。要求学生可以用原理图设计和VHDL 程序设计两种方式实现分频、计数、数码管显示，然后对这三个子模块进行逻辑符号图的转换，最后将分频逻辑符号、计数逻辑符号、数码管逻辑符号集成在一起，即生成顶层逻辑电路，该电路可实现变速的动态数码管显示[13]。

3.2 制定计划

根据可变速的动态数码管显示的实现目标及任务，教师协助学生制定可行性设计计划。

学生围绕资讯，思考设计流程、设计方案，并和教师交流，教师给出合理性意见和建议。学生把可变速率的八位七段数码管动态显示“0～F”的电路设计工作计划划分为四个阶段：分频器设计与实现阶段、计数器设计与实现阶段、数码管显示设计与实现阶段、集成阶段。每个阶段都涉及到子模块工程的创建、源文件（原理图或VHDL）的编辑编译、引脚分配、波形文件的设计、功能仿真或时序仿真、目标文件的下载验证。

3.3 决策

在决策阶段，学生依据设计方案选择芯片、设计硬件电路或编写VHDL 源程序、定义输入端口和输出端口并指出各端口的数据类型及取值范围[14]。在结构体中信号或变量的定义与使用，信号流和数据流的通路，算法的设计、创建和运行是否符合逻辑，引脚分配是否正确，波形文件中输入信号的时序关系是否合乎逻辑，在这个过程中，教师实时观察、纠正、引导学生走向正确的设计方向而不至于跑偏走弯路。

3.4 计划实施

在资讯、制定计划、决策的基础上，实施计划[15]。编辑、编译原理图或源程序、对正确的原理图或源程序中定义的输入信号和输出信号进行引脚分配、设计仿真波形、功能仿真或时序仿真、分析仿真报告、生成目标文件、下载验证，观察实验现象和理论值是否一致。

3.5 检查评估

学生可以自评、互评，也可以由教师对学生的任务完成情况进行检查评估[16]。通过学生自评、互评，可以激发学生的学习兴趣、提升学生的自豪感和成就感。教师可以通过提问式了解学生对电路原理或VHDL 程序设计掌握情况，并对学生在原理图设计或VHDL 程序设计中普遍出错的情况，及时检查、跟踪和纠正学生的错误。

通过资讯、计划、决策、实施、评估五个环节的实训，学生对EDA 技术与应用课程的学习兴趣大大提升。由之前较差的学习效果即甚至到学期结束还不熟悉的EDA 技术设计流程提升为学期第一个实验项目完成之后，学生就能深刻理解并掌握之。该教学模式使得学生对所做的实践项目都留下深刻的烙印，比如：采用原理图设计和VHDL两种方式设计的3：8 译码器、基本触发器、半加器、全加器、数控分频器、含异步清零和同步使能的加法计数器和动态数码管显示；采用VHDL 设计的七人表决器、四人抢答器、数字钟；最后设计并实现了出租车计费器的工作过程。学生对每一个实训项目都能进行合理的数据分析，真正做到了理论和实践的无缝对接，成效显著，达到了教学目的。

4 结束语

行动导向教学适应时代背景，符合应用型本科院校的办学理念、办学主旨，有助于计算机科学与技术、电子信息类专业学生未来的学习和发展。教师灵活运用行动导向教学法，能够有效提升EDA 技术与应用课程教学质量，为当今社会培养出专业基础知识扎实、专业素质优秀、专业技能过硬的应用型专业人才。在整个教学实施过程中，行动导向教学法大大激发了学生对EDA 技术与应用课程的学习兴趣，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力及创新意识，有效推动了EDA 技术与应用课程的教学改革。该教学模式在兄弟院校进行了推广应用，均获得良好的教改效果和师生的好评，受到同行专家的高度认可。同时，大大缩短了学生就业后的企业培训周期并节约了培训费用，为学生减轻了经济负担，提高了经济效益和社会效益。