基于CDIO理念的項(xiàng)目貫穿式EDA課程教學(xué)改革方法研究

張世華

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州）

一 引言

EDA技術(shù)是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是指以計(jì)算機(jī)為工具進(jìn)行電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是電子設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)展的核心。隨著計(jì)算機(jī)、集成電路等技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)主要經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）階段，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行IC版圖布局布線，取代傳統(tǒng)手工操作；第二階段為計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）階段，以計(jì)算機(jī)仿真和自動(dòng)布線為核心，通過(guò)電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將圖形繪制和電路功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)；第三階段為EDA階段，以高級(jí)語(yǔ)言描述和系統(tǒng)級(jí)仿真為特征，完成整個(gè)電子設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化[1]。支持硬件描述語(yǔ)言的EDA工具（如Altera公司的Quartus II，xilinx公司的ISE和Vivado等）的出現(xiàn)，推動(dòng)了復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）或復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），可根據(jù)需要設(shè)計(jì)出專用集成電路[2-3]。總之，EDA技術(shù)已成為電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制的源動(dòng)力，掌握EDA技術(shù)已成為電氣、測(cè)控等專業(yè)大學(xué)生的基本需求，這對(duì)高校EDA課程的教學(xué)提出了更高的要求。

二 EDA課程的教學(xué)現(xiàn)狀

EDA課程是一門(mén)理論性與實(shí)踐性相結(jié)合的綜合課程，是對(duì)《模擬/數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》《單片機(jī)原理》《電路原理》等先修課程的綜合實(shí)踐和應(yīng)用[4]，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的提升至關(guān)重要，但該課程的傳統(tǒng)教學(xué)中，普遍存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）重理論，輕實(shí)踐。在多數(shù)高校的 EDA課程教學(xué)中，學(xué)生對(duì)該課程的認(rèn)識(shí)大多停留在硬件描述語(yǔ)言（VHDL）和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的學(xué)習(xí)層面，教師在課堂上注重講授VHDL語(yǔ)言的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)等，不能將EDA代碼的設(shè)計(jì)與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)課時(shí)多為EDA代碼的仿真調(diào)試，對(duì)EDA硬件設(shè)備的了解和使用不夠深入。這種課程教學(xué)方式的弊端較為顯著：一是學(xué)習(xí)內(nèi)容較為枯燥，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；二是不能將理論知識(shí)學(xué)以致用，學(xué)生學(xué)過(guò)理論之后沒(méi)有動(dòng)手鍛煉，教學(xué)成效較差；三是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和手段與實(shí)際需求和當(dāng)代發(fā)展脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（2）重專業(yè)知識(shí)，輕行業(yè)背景。高校的EDA課程一般從可編程邏輯器件和數(shù)字電路仿真等專業(yè)知識(shí)切入，容易成為《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的簡(jiǎn)單延續(xù)，或成為一種語(yǔ)言和一種開(kāi)發(fā)工具軟件的學(xué)習(xí)課程，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)EDA課程的研究范疇以及EDA技術(shù)在現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的重要性認(rèn)知不夠，不清楚EDA技術(shù)的發(fā)展歷史、EDA技術(shù)具體應(yīng)用在電子產(chǎn)業(yè)中的哪個(gè)環(huán)節(jié)，以及該課程所涉及的知識(shí)在EDA技術(shù)中的地位和作用。作為一名在校大學(xué)生，把握專業(yè)課程的行業(yè)背景和市場(chǎng)需求與學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)同樣重要。EDA課程中帶領(lǐng)學(xué)生深入了解行業(yè)背景，一方面可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，避免所學(xué)專業(yè)知識(shí)與行業(yè)發(fā)展的脫節(jié)；另一方面，職業(yè)發(fā)展需求是學(xué)生學(xué)習(xí)的最好動(dòng)力。

（3）重軟件學(xué)習(xí)，輕知識(shí)融合。EDA課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)局限于根據(jù)老師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成代碼的調(diào)試和編程環(huán)境等軟件工具的學(xué)習(xí)，對(duì)應(yīng)用實(shí)例和代碼的功能分析不透徹，難以做到與《模擬/數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》《單片機(jī)原理》《電路原理》等先修課程所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通，難以建立知識(shí)體系，嚴(yán)重降低了課程的產(chǎn)出。

三 CDIO理念下項(xiàng)目貫穿式EDA課程教學(xué)改革

基于此，本文針對(duì)目前EDA課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，結(jié)合CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)作）工程教育理念，提出基于項(xiàng)目式教學(xué)的EDA課程教學(xué)改革方法，用項(xiàng)目貫穿教學(xué)內(nèi)容，在項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)下培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探索能力、創(chuàng)新精神以及團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

CDIO工程教育模式讓學(xué)生以主動(dòng)的、 實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，以培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面的能力為目標(biāo)[5-7]，倡導(dǎo)“以學(xué)生為中心”和“以產(chǎn)出為導(dǎo)向”并持續(xù)改進(jìn)[8]，可有效解決我國(guó)現(xiàn)行工程教育模式中教育學(xué)術(shù)化、課程設(shè)置缺乏系統(tǒng)性、工程教育發(fā)展滯后于工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等問(wèn)題。如圖1所示，筆者從教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式三個(gè)方面探索基于CDIO理念的項(xiàng)目貫穿式EDA課程教學(xué)改革方法。

圖1 基于CDIO理念的項(xiàng)目貫穿式EDA課程教學(xué)改革

（1）教學(xué)模式從“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”。初中、高中階段長(zhǎng)期的“應(yīng)試教育”使得學(xué)生習(xí)慣于依賴教師和教材，被動(dòng)接受教師講授的內(nèi)容，以考試為目的進(jìn)行學(xué)習(xí)，缺乏自主學(xué)習(xí)能力，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果，禁錮了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。教師的教是為了學(xué)生的學(xué)，學(xué)生才是學(xué)習(xí)的主體，教師的教學(xué)效果是以學(xué)生的產(chǎn)出為考核標(biāo)準(zhǔn)的。項(xiàng)目貫穿式EDA課程教學(xué)改革，首先是發(fā)揮教師在教學(xué)目標(biāo)掌控、調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、課堂調(diào)控和組織等方面的主導(dǎo)作用。課程內(nèi)容以介紹項(xiàng)目實(shí)例的應(yīng)用背景及功能導(dǎo)入，項(xiàng)目主題的選擇可結(jié)合當(dāng)代研究熱點(diǎn)并具有一定的趣味性，激起學(xué)生的好奇心和求知欲望，把學(xué)生帶入到項(xiàng)目情景中，讓學(xué)生自己主動(dòng)提出問(wèn)題，并引導(dǎo)學(xué)生自己去解決問(wèn)題，讓學(xué)生從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式中，教師從課堂的中心轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的引路人，引導(dǎo)學(xué)生按照項(xiàng)目任務(wù)自發(fā)查閱資料、克服問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和自主學(xué)習(xí)能力。

（2）教學(xué)內(nèi)容從“以教材為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙皂?xiàng)目為主導(dǎo)”，將教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合至項(xiàng)目中。EDA課程教學(xué)中項(xiàng)目的選擇的除了要有探索性和趣味性，最主要的是要以教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容由簡(jiǎn)單到綜合，讓學(xué)生在項(xiàng)目任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，從電路設(shè)計(jì)、軟件編程、硬件實(shí)現(xiàn)、綜合調(diào)試等各個(gè)方面得到全面的鍛煉，通過(guò)項(xiàng)目任務(wù)實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)基礎(chǔ)和電路原理等先修課程的知識(shí)融合和應(yīng)用，將所學(xué)知識(shí)“連成線、構(gòu)成面”，更具有系統(tǒng)性。通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，將新的教學(xué)內(nèi)容融合至項(xiàng)目中，而完成項(xiàng)目任務(wù)不僅是對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)，更是對(duì)舊知識(shí)的鞏固，通過(guò)一個(gè)個(gè)項(xiàng)目實(shí)例，將所學(xué)課程作縱向融合，逐漸建立完備的專業(yè)知識(shí)體系。

（3）教學(xué)考核方式從試卷筆試轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目考核制。EDA技術(shù)作為實(shí)踐課程，能力的提升依賴于平時(shí)的積累，所以過(guò)程考核與期末考核同樣重要。根據(jù)課程內(nèi)容分階段布置大作業(yè)（3～4次），大作業(yè)以項(xiàng)目的形式布置，要求學(xué)生獨(dú)立完成，成績(jī)占比為60%，在項(xiàng)目完成的過(guò)程中，不僅考核學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的掌握程度，每個(gè)項(xiàng)目都會(huì)設(shè)計(jì)行業(yè)背景調(diào)研、文獻(xiàn)搜索、方案設(shè)計(jì)、電路原理分析、文本撰寫(xiě)等，資料查閱方式完全開(kāi)放，可借助互聯(lián)網(wǎng)、請(qǐng)教師長(zhǎng)等，有助于提高學(xué)生的基本科研素養(yǎng)以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。期末考核的項(xiàng)目為綜合創(chuàng)新型項(xiàng)目，成績(jī)占比為40%，每個(gè)項(xiàng)目自行組建3～4位項(xiàng)目組員，共同完成項(xiàng)目。每個(gè)小組選一名組長(zhǎng)，協(xié)調(diào)分配項(xiàng)目?jī)?nèi)容，每組根據(jù)項(xiàng)目主題撰寫(xiě)一份詳細(xì)的課程報(bào)告，包括每個(gè)組員的分工和貢獻(xiàn)，以及項(xiàng)目的研究背景、應(yīng)用領(lǐng)域、研究現(xiàn)狀、研究方案、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、遇到的問(wèn)題等，考核學(xué)生的創(chuàng)新能力、溝通能力和團(tuán)隊(duì)精神，將課程學(xué)習(xí)和工程職業(yè)訓(xùn)練融合在一起，這也是CDIO教育模式的考核標(biāo)準(zhǔn)之一。

四 EDA課程教學(xué)質(zhì)量評(píng)估和持續(xù)改進(jìn)

筆者提出的項(xiàng)目貫穿式EDA課程教學(xué)改革從教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)考核方式三大方面依據(jù)CDIO工程教育理念進(jìn)行改革，為了EDA課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)，通過(guò)課程目標(biāo)達(dá)成度對(duì)課程教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。EDA作為綜合實(shí)踐類課程，其課程目標(biāo)對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生畢業(yè)目標(biāo)的支撐關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 EDA課程目標(biāo)對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生畢業(yè)目標(biāo)的支撐關(guān)系

每學(xué)期課程結(jié)束后，根據(jù)學(xué)生平時(shí)作業(yè)（獨(dú)立訓(xùn)練項(xiàng)目）和期末測(cè)試（綜合創(chuàng)新型項(xiàng)目）的完成情況，分析每個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成度，針對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行不斷優(yōu)化和完善EDA課程教學(xué)，建立完善的課程量評(píng)估體系，定期開(kāi)展畢業(yè)生回訪，根據(jù)電子技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)的人才需求對(duì)EDA課程教學(xué)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

五 結(jié)語(yǔ)

基于CDIO理念的項(xiàng)目貫穿式EDA課程教學(xué)方法圍繞實(shí)際的項(xiàng)目開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，項(xiàng)目貫穿課程導(dǎo)入、課程內(nèi)容、課程考核整個(gè)教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生在完成一個(gè)個(gè)具體項(xiàng)目的過(guò)程中掌握新知識(shí)、鞏固舊知識(shí)，以一個(gè)個(gè)項(xiàng)目任務(wù)引導(dǎo)并驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主完成項(xiàng)目，參與項(xiàng)目產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的每個(gè)環(huán)節(jié)，真正做到“以學(xué)生為中心”，可有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，對(duì)于高等工程人才的培養(yǎng)具有重要的推廣價(jià)值。