引入EDA技術(shù)分層次改革電子類課程教學(xué)體系

王　帥，　　高吉祥，　　萬莉莉，　　周　妮

(懷化學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 懷化　418008)

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引入EDA技術(shù)分層次改革電子類課程教學(xué)體系

王帥，高吉祥，萬莉莉，周妮

(懷化學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 懷化418008)

摘要：根據(jù)現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展對人才知識結(jié)構(gòu)需求的新特點，提出利用電子設(shè)計工具EDA技術(shù)輔助理論教學(xué)、實驗教學(xué)和課外實踐，分層次構(gòu)建EDA支持下的電子課程教學(xué)體系的新思路.詳細(xì)分析了電子類課程各個教學(xué)環(huán)節(jié)對EDA技術(shù)的不同需求，以實際教學(xué)案例介紹了EDA應(yīng)用于教學(xué)各個環(huán)節(jié)的具體操作方法，最后對EDA技術(shù)在實際教學(xué)應(yīng)用中尚待解決的問題進行了歸納.

關(guān)鍵詞：EDA；電子設(shè)計自動化；虛擬實驗；教學(xué)體系

1引言

EDA即電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation)，是以計算機為基礎(chǔ)，綜合了電路與系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、圖形學(xué)、圖論、計算數(shù)學(xué)及優(yōu)化理論等多學(xué)科的最新科技成果而形成的一門新技術(shù)，是當(dāng)代推動電子技術(shù)發(fā)展的核心動力.EDA技術(shù)不僅為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計提供了有效的工具，同時也為當(dāng)前高校電子類課程教學(xué)改革開辟了新途徑.依托現(xiàn)代計算機強大的軟硬件處理能力，采用EDA技術(shù)可以快速、直觀、低成本地建立虛擬實驗平臺，有效彌補傳統(tǒng)教學(xué)理論與實踐脫節(jié)的不足，為傳統(tǒng)教學(xué)注入了新的活力.國外發(fā)達國家電子高等教育早已將EDA技術(shù)融入教學(xué)，在輔助課堂教學(xué)、擴展實驗手段、提高電子設(shè)計能力等方面發(fā)揮著重要作用.國內(nèi)很多高校也在EDA技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)方面開展了廣泛的探索，如楊蓮紅等[1]闡述了EDA仿真技術(shù)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，王彩鳳[2]在數(shù)字電子技術(shù)實驗中引入EDA技術(shù)以豐富實驗手段，徐彥凱等[3]研究了EDA技術(shù)應(yīng)用于課程設(shè)計的具體方式，孫燕蓮[4]等探討了基于計算機網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗教學(xué)模式，周鵬[5]等設(shè)計了面向遠程教育的數(shù)字電子技術(shù)虛擬實驗系統(tǒng).目前的研究多側(cè)重于EDA技術(shù)在電子類課程教學(xué)某一方面的應(yīng)用，尚少見到將EDA技術(shù)貫穿整個教學(xué)體系，根據(jù)不同教學(xué)環(huán)節(jié)的特點予以靈活應(yīng)用的完整探索.我們在省級課題《引入虛擬實驗改革電子類基礎(chǔ)課程教學(xué)》的研究中，對EDA技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用做了有益的嘗試，將EDA技術(shù)從輔助理論教學(xué)擴展到實驗教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和電子設(shè)計競賽等多個教學(xué)環(huán)節(jié)，分層次構(gòu)建EDA支持下的電子課程教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果.

2EDA技術(shù)輔助電子類課程教學(xué)的必要性及思路

2.1EDA技術(shù)輔助教學(xué)的必要性

將EDA技術(shù)引入教學(xué)，既是電子課程教學(xué)手段順應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展之必然，同時也是適應(yīng)電子技術(shù)人才知識結(jié)構(gòu)需求，將先進的設(shè)計思想、設(shè)計方法和良好習(xí)慣融于人才培養(yǎng)諸環(huán)節(jié)的重要措施.EDA仿真軟件應(yīng)用于電子技術(shù)的教學(xué)，可以有效的解決教學(xué)中的難點問題，更好的實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合，從而大大提高教學(xué)效果；學(xué)生掌握了這種現(xiàn)代電子設(shè)計方法，可以隨時進行實驗，拓展了實驗空間，對培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力和創(chuàng)新能力有重要意義；更為重要的是，學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間通過這些訓(xùn)練可以熟練掌握業(yè)內(nèi)主流設(shè)計工具的使用，其所練就的開發(fā)技能和積累的設(shè)計經(jīng)驗完全可以與日后所從事的相關(guān)工作無縫對接，真正達到學(xué)以致用的目的.另外，由于仿真軟件在教學(xué)和產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中沒有元器件損耗問題，與硬件實驗相比有明顯的成本優(yōu)勢，可以在確定方案、參數(shù)選擇和功能驗證階段以零成本的代價反復(fù)實驗，能有效降低實驗成本.因此無論從教學(xué)效果、成本考慮，還是從學(xué)生培養(yǎng)的角度考慮，EDA仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)都具有很大的推廣和應(yīng)用價值.

2.2EDA技術(shù)輔助教學(xué)的基本思路

2.2.1EDA技術(shù)應(yīng)用于理論教學(xué)

電子技術(shù)的很多內(nèi)容本身比較抽象，不易理解，傳統(tǒng)的以板書和幻燈片為主的教學(xué)模式存在很大的局限性.將EDA仿真軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)，教師可以在計算機上建立虛擬實驗環(huán)境，增強教學(xué)的直觀性和靈活性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.EDA技術(shù)用于理論教學(xué)，將一改傳統(tǒng)教學(xué)單調(diào)、枯燥和抽象的現(xiàn)狀.教師運用該技術(shù)可以快速搭建虛擬實驗場景，所授理論可以在第一時間得到實驗驗證，消除傳統(tǒng)教學(xué)中的認(rèn)識盲點和誤區(qū)，有效解決理論與實踐脫節(jié)的問題.

2.2.2EDA技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)

傳統(tǒng)的電子技術(shù)實驗大多都是驗證性的，很大程度上束縛了學(xué)生想象力和創(chuàng)造力的發(fā)揮.盡管很多學(xué)校通過購置功能較強的實驗設(shè)備，開設(shè)了一些創(chuàng)新性實驗，但受到設(shè)備數(shù)量、場地容量、開放時間等多方面限制，實際使用效果并不理想.將EDA仿真軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)，使教師可以根據(jù)教學(xué)需要靈活設(shè)計實驗內(nèi)容，擺脫固定實驗電路板的限制；學(xué)生可以根據(jù)自己的想法，隨時設(shè)計、更改仿真電路，觀察實驗效果，進行探索性學(xué)習(xí)，提高分析與設(shè)計電子電路實踐能力.EDA技術(shù)引入實驗教學(xué)，實現(xiàn)了“虛實結(jié)合”的新型實驗教學(xué)模式.虛擬實驗與真實實驗優(yōu)勢互補，提高了實驗效率，學(xué)生想象力和創(chuàng)造力得到充分發(fā)揮，為學(xué)生自主和創(chuàng)新型學(xué)習(xí)搭建了理想平臺.

2.2.3EDA技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)

課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)是專業(yè)學(xué)習(xí)非常重要的環(huán)節(jié)，其目的是讓學(xué)生綜合運用所學(xué)知識完成電子電路的設(shè)計，提高實踐技能.但具體實施時往往受到實驗設(shè)備、師資力量、配套經(jīng)費等條件的限制，多數(shù)學(xué)生實際上難以真正獨立完成設(shè)計要求，教學(xué)效果距離預(yù)期甚遠，導(dǎo)致這些實踐教學(xué)流于形式.將EDA仿真軟件應(yīng)用于實踐教學(xué)，按照現(xiàn)代電子設(shè)計理念規(guī)劃教學(xué)流程，使學(xué)生充分發(fā)揮能動性，運用先進的電子設(shè)計手段進行初步設(shè)計和仿真調(diào)試，在仿真成功的前提下進行實際電路制作、安裝與調(diào)試，提高電子作品制作成功率，增強學(xué)習(xí)興趣和信心.EDA技術(shù)在現(xiàn)代電子設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)著重要地位，電子工程師設(shè)計思想的實現(xiàn)和工作效率的提升很大程度上取決于其掌握EDA工具的熟練程度.將EDA技術(shù)引入實踐教學(xué)，學(xué)生不僅可以利用仿真手段提高設(shè)計效率，更重要的是接受了先進的設(shè)計思想，掌握了先進的設(shè)計方法，對日后從事技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ).

3EDA技術(shù)輔助教學(xué)的改革實踐

3.1引入EDA技術(shù)改革理論課教學(xué)

電子類專業(yè)的很多理論課之所以學(xué)生感到抽象難懂，一個重要原因在于每門理論都脫胎于特定的工程背景，每個公式都有實際的約束和適用范圍，傳統(tǒng)理論課教學(xué)限于條件無法及時地向?qū)W生傳遞相關(guān)的背景知識和現(xiàn)實約束，學(xué)生更缺少相關(guān)的實踐經(jīng)驗，致使教師難教學(xué)生難學(xué)的矛盾長期存在.將EDA技術(shù)引入理論課教學(xué)，通過合理的教學(xué)設(shè)計，可以在一定程度上起到再現(xiàn)應(yīng)用場景的功能，通過實時仿真得到的動態(tài)數(shù)據(jù)、波形圖、變化曲線可以直觀地將公式、定理的物理意義、適用條件、典型應(yīng)用等展示給學(xué)生，大大提高課堂教學(xué)效果.利用EDA技術(shù)輔助課堂教學(xué)，需要重點研究仿真內(nèi)容的選擇、實驗設(shè)計、教學(xué)互動設(shè)計等，以有效配合理論教學(xué)達到最佳效果.

如圖1，在講授濾波器設(shè)計課程時，介紹完基本原理后，教師運行Multisim軟件，調(diào)出設(shè)計好的電路圖.圖中既有濾波器電路，又有幅頻特性分析儀和示波器用于觀察電路性能.調(diào)節(jié)阻容值，同時觀察幅頻曲線和波形，可以十分直觀地看到不同位置的器件對輸出的影響大小，各個器件對濾波器性能的影響一目了然，學(xué)生對濾波器獲得了較強的感性認(rèn)識.在課堂教學(xué)中適當(dāng)安排EDA實驗，可以使抽象的理論及時得到驗證，既有助于學(xué)生對基本原理的理解，又激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和求知熱情，有效提高了教學(xué)質(zhì)量.

圖1　低通濾波器

3.2引入EDA技術(shù)改革實驗課教學(xué)

面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的電子實驗教學(xué)，壓縮驗證性實驗，提高綜合性和設(shè)計性實驗的比重已經(jīng)成為各高校的共識.但綜合設(shè)計性實驗需要較大的成本投入，實驗過程中還會產(chǎn)生大量耗材支出和管理費用，對多數(shù)地方高校來負(fù)擔(dān)較為沉重.在實驗教學(xué)中開設(shè)EDA仿真實驗，除電腦外無需額外投入，而且不存在設(shè)備老化、耗材、管理等附加問題.引入EDA技術(shù)，教師可以根據(jù)教學(xué)需要靈活設(shè)置實驗內(nèi)容，學(xué)生可以充分發(fā)揮創(chuàng)意采用不同方案達到實驗?zāi)康模皇茉O(shè)備、器材、環(huán)境的約束，可以說是教學(xué)兩利的解決方案.

圖2是功率放大器的仿真圖.功率放大器是模擬電子實驗的重要內(nèi)容，由于電路工作在大電流狀態(tài)，經(jīng)驗不足的學(xué)生在實物實驗中極易操作不當(dāng)燒壞器件，不僅增加了實驗成本，還容易使遭受挫折的學(xué)生對調(diào)試功率電路產(chǎn)生恐懼感.應(yīng)用Multisim仿真軟件調(diào)試可以有效避免這個問題.電路靜態(tài)工作點是調(diào)試中的難點，很多學(xué)生因不得要領(lǐng)而卡在這里一籌莫展，因調(diào)節(jié)不當(dāng)燒壞器件的情況也時有發(fā)生.教師首先指導(dǎo)學(xué)生通過Multisim仿真調(diào)好此電路的靜態(tài)工作點，觀察虛擬電壓電流表，不斷調(diào)整輸入偏置元件值，直至靜態(tài)工作點達到預(yù)期數(shù)值.借助虛擬儀器Multisim，很多學(xué)生在很短時間就做出了實物，并且效果十分理想.使用EDA技術(shù)，打消了學(xué)生在調(diào)試復(fù)雜電路時的畏難情緒，使其可以將精力完全專注于電路本身，大幅提高了實驗成功率，不少學(xué)生由此建立了自信并對電子設(shè)計產(chǎn)生了濃厚興趣.

圖2　功率放大電路

圖3　可控增益

3.3引入EDA技術(shù)改革實踐教學(xué)

實踐教學(xué)包括課程設(shè)計、實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，目的是提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，即學(xué)以致用的能力.目前幾乎多數(shù)實踐內(nèi)容都要求學(xué)生獨立完整地完成某個項目的設(shè)計和開發(fā)，但實際效果并不理想.實踐教學(xué)效果不佳除了一些客觀原因外，不容忽視的一個主要原因是項目開發(fā)缺少規(guī)范的開發(fā)流程和高效的開發(fā)工具.對于設(shè)計過程中遇到的問題，學(xué)生因無法準(zhǔn)確定位問題來源常常是毫無頭緒地做無用功，極易喪失信心和動力.規(guī)范設(shè)計流程、查找設(shè)計缺陷、提高設(shè)計效率正是EDA技術(shù)獨具的優(yōu)勢，訓(xùn)練學(xué)生使用先進的設(shè)計工具高效完成項目開發(fā)完全符合“授人以漁”的教學(xué)理念.EDA技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用，其意義不僅在于為學(xué)生提供了先進的開發(fā)工具，更重要的是使學(xué)生意識到項目管理和開發(fā)工具在產(chǎn)品高效開發(fā)中的巨大作用，從而自覺地養(yǎng)成良好的設(shè)計習(xí)慣，激發(fā)其學(xué)習(xí)使用新工具的動力.

圖3是我系電子設(shè)計競賽學(xué)生使用Multisim制作的高頻寬帶放大器.這個電路的重點是增益的控制和頻帶的調(diào)節(jié).在模擬仿真中學(xué)生通過輸入一個直流電壓控制壓控放大器的放大倍數(shù).不斷調(diào)節(jié)圖3中的C3，C4，C11，C12，C16，C17的容值大小以得到所需要的帶寬范圍.如果省略仿真這個環(huán)節(jié)，直接做出實物，在實物上調(diào)節(jié)參數(shù)，將是非常繁瑣和乏味的工作，需要耗費很長的時間才能找到合適的元件值.通過Multisim仿真軟件，在實物制作之前就能確定各種元件的數(shù)值后，做完實物后一般只要稍加調(diào)整就能達到最佳工作狀態(tài)，大大提高電路設(shè)計成功率和工作效率.現(xiàn)在我系創(chuàng)新實驗室的學(xué)生基本上都能熟練操作常用的EDA軟件，這些軟件已經(jīng)成為他們設(shè)計電路不可缺少的必備工具.EDA軟件設(shè)計的電路還有一個額外的優(yōu)點，每屆學(xué)生調(diào)試成功的電路都可以以軟件的形式保存下來形成資料庫，后繼者可以很方便地查找所需電路，經(jīng)過理解吸收后應(yīng)用到自己的設(shè)計中，學(xué)生在設(shè)計的靈感和精華得以長久地保存和傳承下來.

4有待解決的主要問題

4.1EDA實驗的設(shè)計和管理.EDA技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，但用于實驗教學(xué)仍需符合教學(xué)規(guī)律，規(guī)范化管理和精心設(shè)計必不可少.設(shè)置EDA實驗需要對實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、實驗步驟、實驗注意事項等進行綜合考慮，方能達到預(yù)期效果.

4.2EDA實驗與實物實驗的差異.這是仿真實驗無法回避的問題，仿真實驗的結(jié)果是在理想條件下得出的，而真實實驗由于實驗環(huán)境、各種干擾、制作工藝等因素影響，實驗結(jié)果總是包含著誤差，如何對這些誤差在仿真實驗中給予定性或定量的分析和模擬，是需要解決的關(guān)鍵問題.

4.3EDA實驗的指導(dǎo)和考核手段.與傳統(tǒng)實驗相比，仿真實驗比較靈活，操作也較便利，但同時也帶來了易抄襲性的缺點.仿真實驗中的教師指導(dǎo)方式和考核手段是后續(xù)要研究的重要問題.

4.4EDA支持下的教學(xué)改革需要教師充分發(fā)揮主觀能動性.首先是教師要加強自身學(xué)習(xí)和總結(jié)，根據(jù)教學(xué)實踐中的各種反饋信息，改進教學(xué)設(shè)計的導(dǎo)學(xué)功能，提高學(xué)習(xí)指導(dǎo)的有效性.同時，不斷改進和充實現(xiàn)有的學(xué)習(xí)資源庫，為學(xué)生進行個性化學(xué)習(xí)提供盡可能多的內(nèi)容選擇和形式選擇，提高學(xué)習(xí)環(huán)境的適應(yīng)性.

4.5其他非技術(shù)層面的問題.其他還涉及到思想觀念問題、保障管理的問題以及教學(xué)應(yīng)用和效果評估的問題等等，需要教改實施單位和各級教學(xué)管理部門統(tǒng)一思想，相互配合，重視研究和及時解決好實踐中可能遇到的各種實際問題，尤其要在制度和政策上給予必要的扶持和鼓勵，加快教學(xué)改革的步伐.

5結(jié)語

近年課題組緊密跟蹤現(xiàn)代電子技術(shù)設(shè)計方法的發(fā)展趨勢，根據(jù)有關(guān)課程的特點和需求，大膽實踐，逐步將EDA技術(shù)應(yīng)用于電子類課程各個教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了良好的效果.在教學(xué)實踐中將傳統(tǒng)教學(xué)方法與虛擬實驗相結(jié)合，以立體化視角揭示知識的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)規(guī)律，學(xué)生不僅吸收了知識，通過掌握EDA工具更具備了無限發(fā)展的可能.課題研究成果受益面大，應(yīng)用于電信、通信、廣電、光信息四個專業(yè)的基礎(chǔ)課教學(xué)，每年受益學(xué)生數(shù)達300人.

參考文獻：

[1]楊蓮紅.EDA技術(shù)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高師理科學(xué)刊，2010(1)：93-96

[2]王彩鳳.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2011(1)：4-6

[3]徐彥凱.EDA課程設(shè)計課題的開發(fā)和體會[J].實驗室研究與探索，2011(2)：114-116

[4]孫燕蓮.虛擬實驗教學(xué)的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009(4):131-132.

[5]周鵬.數(shù)字電子技術(shù)虛擬實驗系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009(2):121-123.

Application of EDA in Hierarchical Electronic Class System

WANG Shuai,GAO Ji-xiang,WAN Li-li,ZHOU Ni

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,HuaihuaUniversity,Huaihua,Hunan418008)

Abstract：According to the new features of the demands for the knowledge structure with the development of modern Electronic technology,a new method is put forward which applies EDA(Electronic Design Automation)technology in class,experiment and practice to build a hierarchical EDA Electronic class system.Detailed analysis is given for the various demands of electronics class when using EDA.Some examples for the actual EDA application procedure are exhibited.Finally,a list of problems about the EDA technology application in practical teaching is summarized.

Key words：EDA；electronic design automation；virtual experiment；teaching system

收稿日期：2015-10-05

基金項目：湖南省教育廳教研項目“引入EDA技術(shù)分層次改革電子類課程教學(xué)體系”.

作者簡介：王帥，1974年生，男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，研究方向：無線通信.

中圖分類號：G423.07

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9743(2016)05-0086-04