基于EDA的數字電子技術基礎教改實踐

摘 "要 "把項目驅動式教學法引入數字電子技術基礎課程，增加電子設計自動化（EDA）設計方法，將傳統數字電路的內容與EDA設計相關內容融合，課堂理論教學與實踐教學融入同一教學過程，在夯實學生知識基礎的同時，適應學生的就業需求，落實現代高校以學生為本的教學理念，取得良好的教學效果。

關鍵詞 "數字電子技術基礎；EDA；項目驅動式教學；混合式教學；翻轉課堂；創新實驗

中圖分類號：G642.0 " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）11-0039-04

0 "引言

數字電子技術基礎課程是自動化、計算機、電氣電子、通信、機械等專業重要的專業基礎課程。該課程以邏輯代數為基礎，邏輯性強，內容豐富且較抽象，理論與實踐緊密結合，實踐性非常強，工程應用廣，與現代電子技術發展緊密相連[1]。EDA（electronic design automatic，電子設計自動化）是以大規模可編程邏輯器件為設計載體，以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規模可編程器件的開發軟件及實驗開發系統為設計工具，從而實現硬件設計軟件化的新技術。很多學校把EDA的設計思路引入數字電路的教學中[2-7]。

基于EDA技術，引入項目驅動方式，采用線上線下相結合的混合式教學模式，在北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院設置校級本科一流課程。項目式教學法以項目作為切入點，將課堂理論教學與實踐教學融入同一教學過程中。教師把知識點融于項目中，再把項目分配給學生，學生在教師指導下完成項目。通過項目教學法，學生主動學習元器件的工作原理及其使用方法，在實踐中加深對元器件的認知。與傳統教學方法相比，學生學習的過程不再僅僅是枯燥乏味的聽課過程，而是學做一體的實踐過程，有助于學生理解和掌握抽象的知識與技能，還有助于培養分析、解決問題的能力，更有助于培養協作能力和團隊精神。

1 "教改思路

以學生為中心，從“高階性、創新性、挑戰度”的標準審視課程建設的一系列教學活動，引入項目驅動式教學模式，在北京航空航天大學自動化學院的數字電子技術基礎課程中采取圖1所示多位一體的線上線下混合式教學方案進行授課。

1.1 "創新實驗內容設計

項目驅動過程教學環節以及創新實驗環節是學做一體實踐過程的關鍵。從系統性思維和能力培養出發，設計項目驅動過程教學的創新實驗內容，實驗分為兩類。

1）基于中小規模集成電路的實驗項目。電子鐘、電子秤、計費器、模型計算機、乒乓球游戲機等電路的設計，要求學生采用中小規模的集成電路完成電路的設計及仿真。

2）基于FPGA的大規模集成電路的實驗項目。要求學生采用Verilog硬件描述語言，基于FPGA完成四類模塊的設計，即門電路模塊設計、常見組合邏輯模塊設計（譯碼器、編碼器等）、常見時序電路模塊設計（觸發器、寄存器、計數器等）、綜合電路模塊設計（串口收發模塊）。除需要完成設計與仿真外，還要求學生在FPGA開發板上完成實驗驗證。

1.2 "學時安排及匹配

數字電子技術基礎課程一共48學時，受學時限制，沒法將創新實驗環節安排在翻轉課堂上進行。將課程中創新實驗相關內容與自動化科學與電氣工程學院的電子技術綜合實驗（1）、電子技術綜合實驗（2）兩門綜合實驗課程（共32學時）相結合，打通兩門課的實驗內容，在數字電子技術基礎課程中布置創新實驗內容，在翻轉課堂上進行任務分配，學生利用課余時間以及32學時的綜合實驗課程完成創新實驗的任務。

1.3 "創新實驗實施方案

在課程教學中后期，教師公布創新實驗設計項目，學生自由組合成立項目小組，每個小組人數不超過四人。每個小組從基于中小規模的設計項目中選擇一個作為團隊項目，從基于FPGA的大規模集成電路的四個模塊中各選擇一個作為設計任務。學生根據課程設計項目要求，通過查閱資料、討論等多種方式確定項目方案，利用課余時間在MOOC平臺上自學課程團隊所錄制的Proteus軟件使用方法以及Verilog HDL基礎知識的教學視頻，掌握創新實驗中所要用到的設計及仿真軟件的使用方法，運用所學課程知識完成電路的設計、仿真及驗證。

2 "基于EDA的教學模式實施方案

以時序邏輯電路的工程時序邏輯電路設計為例，闡述基于EDA的項目驅動式教學方案實施過程。該部分的內容處于“時序邏輯電路”這一章的中間部分，是承上啟下的重要環節，涉及時序邏輯電路分析與設計，在此基礎上采用邏輯問題解決方法教學，為后續章節的教學奠定基礎。

2.1 "教學目標

在知識層面，理解邏輯控制設計問題的邏輯抽象內涵，掌握邏輯抽象的要領、方法和步驟，正確描述邏輯狀態和輸入輸出設定；在能力層面，掌握狀態分配要領，正確描述狀態轉換，掌握求取狀態方程和輸出方程方法，掌握電路自啟動設計方法；在應用層面，理解仿真技術的意義目的，初步掌握Proteus邏輯電路仿真方法、Verilog HDL的硬件描述語言編程，并通過創新綜合實驗實現電路設計方案。

2.2 "教學方法與策略

為了更好地體現學生主體和教師主導地位，基于線上線下混合式教學模式，從線上和翻轉課堂兩條主線進行教學方法設計，方案如圖2所示。首先，在翻轉課堂之前，將教學內容中相對容易掌握的內容安排為線上學習任務；其次，翻轉課堂上，以專業背景的工程設計實例為引導，激發學生的學習興趣，教學過程采用啟發式教學方法。教師采用多媒體和板書相結合的授課方式，在課堂上直觀地展示電路仿真電路驗證過程，分析仿真結果，強化仿真實驗手段的必要性和思想方法，演示基于Verilog的典型時序電路設計過程及代碼，線下項目研究與線上、線下課堂和創新綜合實驗緊密結合，多位一體組合安排，綜合達成課程目標。

2.3 "教學流程設計

針對時序電路第二節的教學內容，基于EDA的項目驅動式教學流程具體設計如下。

1）布置線上學習內容：時序邏輯電路與組合邏輯電路的區別、時序邏輯電路的分析方法、Proteus仿真軟件及Verilog教學視頻。教師線上學習指導，并在線上討論區與學生交流，讓學生準確理解線上學習的要求。

2）線上視頻學習。學生自主選擇線上學習的時間，完成所布置的線上學習任務。教師線上與學生互動討論，通過微信群等方式收集學生的疑惑和問題。學生通過這個環節掌握時序邏輯電路的分析和設計基本方法。

3）作業和互評。教師布置對應作業題，組織學生互評，有助于學生理解知識點，掌握時序電路分析和設計的基本方法。

4）翻轉課堂內容設計。教師根據教學目標設計翻轉課堂內容，引入研究性教學，所設計的線下翻轉內容可以啟發學生思考，激發學生學習興趣。同時，針對每屆學生學習能力可能存在的差異，對翻轉課堂的內容進行相應調整。教師主要依據線上學習過程中作業及互評時出現的問題，以及利用微信群等方式收集的學生的疑問，對所設計的翻轉課堂內容進行修正。

5）翻轉課堂授課。教師根據設計的翻轉課堂內容進行線下教學（2學時）。首先，對布置的線上內容進行簡單復習和總結，加深學生對線上知識的理解。其次，基于工程中常見的時序控制電路引出翻轉課堂的主要內容——實際復雜工程時序電路設計的解決方法。以工程項目中常見的奇偶校驗電路、數據檢測器電路、自動售貨機控制電路等的設計需求為例，在線上課程內容基礎上，對狀態化簡方法、電路的自啟動設計方法等內容進行進一步擴展，培養學生分析、解決問題的能力。最后，將自動售貨機的設計電路在Proteus中的仿真過程在課堂上展示出來，對設計進行驗證分析。圖3為采用Proteus軟件實現的自動售貨機的控制電路，圖4為在Proteus仿真中添加虛擬示波器所觀察到的輸入輸出波形，通過輸出仿真分析，學生能夠更加生動直觀地學習。

為了讓學生體驗到“跳一跳才能夠得著”的學習挑戰目的，在翻轉課堂中增加具有一定挑戰度的內容。課堂中加入基于硬件描述語言Verilog HDL的自動售貨機控制電路設計，給出實現該電路功能的Verilog HDL程序代碼，將時序電路中的狀態轉換圖與基于Verilog HDL的有限狀態機描述方法相結合，對程序代碼進行解釋，學生能夠更加容易理解基于Verilog HDL的設計思想。同時，基于Quartus II軟件，完成設計及仿真，并在FPGA開發板上進行驗證。通過這種方法，學生可以初步了解可編程邏輯器件設計方法，掌握基于Verilog"HDL的數字電路設計的基本流程。圖5為運用Quar-tus II綜合設計的自動售貨機控制電路RTL原理圖，圖6為自動售貨機控制電路時序仿真圖。通過這種方式，能夠呈現真實電路工作狀態，也可以在軟件上調整參數，與學生互動，加深學生的理解，充分發揮演示功能在教學中的作用，提高學生對復雜數字電路的邏輯設計能力。

6）創新實驗。在課程教學中后期，教師公布創新實驗設計項目，學生自由組合成立項目小組，每個小組人數不超過四人。每個小組從基于中小規模的設計項目中選擇一個作為團隊項目，同時需要從基于FPGA的大規模集成電路的四個模塊中各選擇一個作為設計任務。學生根據課程設計項目要求，通過查閱資料、討論等多種方式確定項目方案，運用所學課程知識完成電路的設計、仿真及驗證。設計過程中，學生可以通過翻轉課堂或者其他線上線下的交流方式獲得教師團隊的指導，在電子技術綜合實驗（1）和（2）的線下實驗課中完成綜合實驗。最后，實驗課教師通過檢查設計原理圖、程序源代碼、仿真結果以及現場答辯等方式，給出創新實驗環節的成績。圖7為學生在創新實驗環節所設計的電子時鐘顯示部分原理圖實例。

2.4 "考核方案

課程考核是檢驗教學效果、提高教學質量的關鍵環節。傳統的以卷面分數為標準的考核方式存在重分數輕能力、重講授輕實踐的問題。建立圖8所示多元化、過程化、能力化課程考核體系，該考核體系更加重視過程考核，考核評價貫穿教學過程，在課前、課中、課后各個環節給予適時、恰當的評價。創新綜合實驗從電路設計、功能仿真結果、設計答辯過程等多方面進行考核，充分考慮過程性考核。綜合性考核方式實現對學生從基礎知識、概念、實踐能力和創新能力等多個角度的綜合考查，教學實踐效果表明其更為合理有效。

3 "教改效果

在北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院近兩年的教學中，基于EDA技術，引入項目式驅動線上線下混合式教學方式，獲得良好的教學效果，絕大部分學生不僅在期末考試中獲得良好的筆試成績，而且順利完成創新實驗。借助這一教學模式，學生不僅掌握了教學大綱所規定的內容，還具備了一定的解決復雜工程問題的能力。創新實驗環節的鍛煉，讓學生能夠基于EDA技術，掌握數字系統的設計、仿真和調試流程。這種學做一體的實踐過程不僅有助于學生理解和掌握抽象的知識與技能，還為培養具有創新精神、工匠精神的求真務實、全面發展的創新型人才奠定基礎。

4 "結束語

基于EDA技術，將項目驅動教學法應用到數字電子技術基礎課程教學實踐中，取得很好的實施效果。該教學法有效激發了學生的學習興趣和能動性，具有將教學理論與實踐融為一體、學生主動參與的突出優點，充分發掘學生的創造潛能，實現“高階性、創新性、挑戰度”的教學目標。

參考文獻

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