應用型本科EDA技術教學改革的研究

龐前娟

[摘 要]EDA技術是高等學校電子信息類一門應用性、實踐性很強的課程，但其常見的理論加實踐的教學模式存在著弊端。對于應用型本科來說，EDA技術在教學中應采取多元化的教學模式，提倡使用硬件核心開發板的項目教學法，以提高學生應用EDA技術設計電路系統的能力，培養學生自主研發與創新能力。

[關鍵詞]EDA技術 教學模式 項目教學法 FPGA

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）07-0125-02

電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）是一種“軟”、“硬”緊密結合的電子設計技術，它以計算機和EDA軟件為工作平臺，以硬件描述語言為設計語言，以專用集成電路為實現載體，設計并實現數字電子系統和復雜的電路系統。隨著電子技術的飛速發展，電子設備及數字系統的復雜度、集成度越來越高，產品更新換代的節奏也越來越快，要求產品的開發周期短、開發成本低、保密性和可擴展性好，因此對集成電路的設計方法提出了新的要求，同時也對應用型本科的EDA技術工程教育提出了新的要求。EDA技術在應用型本科教學中的地位不斷凸顯，但現有的EDA技術教學模式缺乏應用性、創新性，已經無法適應應用型本科教學需求。為了提高學生應用EDA技術進行電子系統設計和創新的能力，必須對現有的教學模式進行改革，這也是應用型本科電子信息類專業課程建設的一項重要任務，具有積極的現實意義。

一、常規的EDA技術教學模式分析

EDA技術是實踐性很強的專業基礎課，是多門專業課的基礎，在電子類、通信類的本科專業的教學中是必開的課程，開課率與課程滲透率很高。

目前EDA技術課程教學模式普遍采用課堂教學與實踐相結合的結構，課時分配基本按照《普通高等學校本科專業目錄和專業介紹》開設，理論課時52學時，課內實踐課時12學時，課程設計20學時，如圖1所示。

課程設置上，課程教學與實訓相互獨立考核，完成課程教學并考試結束后才安排課程設計類實訓，這樣的課程安排存在明顯的缺陷：（1）重理論輕實踐，滿足不了EDA技術實踐性強的特點，易造成理論與實踐脫離。（2）課程的理論教學與實訓設計相互獨立進行，沒有互相配合、互相交叉教學的影響力。課程的課堂教學手段普遍是用黑板或多媒體講授理論知識，主要向學生講解可編程邏輯器件的基本結構、硬件描述語言、EDA開發工具與軟件的使用，學生只是機械地理解與掌握EDA工具平臺，運用簡單現成的軟件來驗證某一個功能塊，按照EDA工具條來仿真，觀察時序圖，這樣做毫無創新，僅僅是學會軟件的使用手法。因此傳統的EDA教學模式存在著諸多弊端。第一，理論教學滿堂灌，學生被動地接收理論，機械地理解和掌握EDA開發工具，單調的理論教學降低了學生學習的主動性和創新性。第二，實驗教學采取實驗箱進行驗證實驗的模式，學生從確定的原理出發，統一采用相同的實驗步驟、同樣的實驗手段獲得雷同的結果。第三，盡管設置了“設計性”的課程設計，但由于指導老師少、設計的題目雷同多、設計內容陳舊無創新性的原因，往往難以名副其實地培養學生的創新意識和創新能力。

二、EDA技術應用型本科教學模式的改革

（一）開展項目教學法的多元教學模式

以引導式教學法為前提，對EDA技術教學內容進行迭代式的項目教學設計，保證教學內容的完整性，提高教學質量，激發學生學習的主觀能動性，提高學生的實踐能力與創新能力。具體教學內容以項目的形式分多個迭代層面展開，如圖2所示。以項目形式將EDA的內容有機結合在一起，通過迭代層逐步展開教學，將EDA技術課程的脈絡清晰地展示給學生。新模式的教學改革是把理論教學內容融合到與之同步的實驗項目中，合理設計實驗項目，課程內容以基礎型、擴展型、綜合設計型3個類型的項目展開，內容與難度層層推進，分層次逐步展開教學。此類型的項目有“數字秒表”、“數字電壓表”、“電子密碼鎖”等多個應用型的項目，根據教學課時設定項目個數，如果本課程為64學時時，可以設定6個項目，每個項目平均12學時。

項目實施的過程中軟件與硬件相結合，避開老師程序分析和講解、演示、學生驗證的弊端。項目教學法的目的旨在擴展學生的編程技巧和視野，項目實施過程中充分發揮啟發式和探討式的教學優勢，不斷引導與鼓勵學生完成項目設計，并從項目設計的過程中發現問題，解決問題，積累經驗，體現“教學做”一體化的教學模式，避免了滿堂灌。

（二）項目教學的實施

常規教學模式中，實驗項目是利用EDA實驗箱進行的，無法看到實驗電路，學生不清楚內部原理，只是驗證性的調試，盡管實驗易成功，實驗結果方便得出，但學生無法深刻體會工程設計與系統設計的概念，感受不到自己設計出電子“產品”的樂趣。對于應用型本科的教學，本課程實驗適合利用開發板開展項目教學，學生利用開發板實現設計項目是一個極為有效的自我學習和鍛煉過程。

以硬件核心板為載體，教學過程中硬件與軟件相結合，體現“教學做”一體的高效性。項目開展的過程中，教師指導學生了解開發板的芯片類型、電路結構、工作頻率等關鍵點內容，結合EDA開發工具，引導學生針對項目的要求進行模塊化的設計，用例化語句完成頂層設計或者利用原理圖和代碼結合完成頂層設計，然后根據開發板的功能進行管腳設計，掌握下載到開發板的流程，最終達到設計電路系統的目的。以“數字鐘”項目為例，教師根據實際的功能給學生下達任務：（1）數字鐘的基準頻率（1HZ）如何從開發板的工作頻率（50MHZ）分頻而來？（2）數字鐘的基本功能是什么？（3）數字鐘如何驅動和顯示？（4）如何在FPGA開發板上實現項目功能？這樣引導學生運用所學的知識理清設計思路，在老師指導下確定最佳方案。接下來引導學生通過分頻手段獲取秒脈沖信號，根據開發板顯示電路結構，完成LED動態顯示程序的設計等，通過層層遞進，使學生設計思路清晰，掌握理論與實踐相結合的有效方法。整個項目實施過程中讓學生獨立、主動地完成項目，強化了學生的主體作用，弱化了老師的主導作用。在項目設計的討論、協作、實踐、調試、制作、最終完成“產品”等一系列過程中，必然大大地提高了學生獨立分析問題和解決問題的能力，同時也培養了學生的創新意識和創新能力，激發了學生學習興趣與積極探索的精神，學生獲得榮譽感與成就感，為他們將來參加各類電子系統的設計打下良好基礎。

（三）EDA技術實訓擴展的改革

通過以上項目教學法的實施，學生已經掌握了項目設計的基礎技巧，在后續的EDA技術課程設計與實訓中，就可以進行項目擴展的設計了。實訓項目的難度與深度加大些，如頻率計、交通燈的控制等類型的項目，學生可兩三人一組，查詢資料，團隊協作，進行電路系統的功能分析、模塊劃分、代碼編寫、仿真驗證和電路系統生成，按照工程項目的實現過程來培訓。隨著不斷地培訓與鍛煉，學生的工程設計能力不斷提升，對學生課外科技活動、學生電子設計競賽、畢業設計項目的前期準備等有很大的促進作用。

三、結束語

應用型本科的EDA技術通過項目教學法的改革，一方面將理論教學與實踐教學進行了有效結合，使教學內容更生動更形象地展示在學生的面前，通過層次化的項目實施，學生加深了理論知識的理解，提高了學生的開發能力，使學生的學習觀念從“要我學”轉變成了“我要學”，使EDA技術的教學效果達到最優狀態。另一方面，學生利用電腦、軟件系統、硬件開發板，組成了自己最基本的“實驗室”，雖然設計過程是辛苦的，但是卻很有收益，因為自始至終學生都看到自己親手設計的“產品”，真正明白EDA設計究竟是怎么回事，開闊了眼界，了解了更多的專業知識與前沿知識，同時極大地激發了學生的內在潛能，培養了學科研究的基本能力與興趣，適應了社會應用型人才的需求。

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[責任編輯：鐘 嵐]