數字系統設計（VHDL）課程教學改革與實踐

摘 要：數字系統設計（VHDL）是本科院校電類專業學生的一門專業課，其發展日新月異，如何更好的培養學生的實踐能力，使教學內容能夠緊跟技術發展前沿已經成為當前教學的重要研究課題，為此文章提出了突出實踐能力的綜合考核方式，以及實驗內容與電子設計大賽相結合的教學改革方法。

關鍵詞：數字系統設計；電子設計大賽；實踐能力；教學改革

1 研究背景

《數字系統設計（VHDL）》是一種軟硬件合一的數字電子設計技術，它的設計語言采用硬件描述語言，以EDA軟件為工作平臺，以專用集成電路為實現載體，來設計復雜的電路系統，代表了現代電子設計方法的主流趨勢[1]。因此該課程具有較高的理論性和實踐性，而且更加注重實踐。獨立學院的方針是培養應用型人才，而且從全國近幾年大學生電子設計大賽的題目來看，利用EDA技術完成的競賽題目所占比例逐年提高，題目更加靈活多變，要求也越來越高，這些變化反應出目前業界對當代工科電類專業大學生技能掌握的需求方向。基于以上兩點，針對數字系統設計課程的實踐教學環節進行改革與創新，切實提高學生應用EDA技術設計電路的能力，是獨立學院電信類專業課程建設的一項重要任務，具有極高的應用價值。

但在當前“數字系統設計（VHDL）”課程的教學環節仍存在著若干弊端[2]，需要引起重視并想辦法加以解決。本文對該課程的理論與實踐教學方法、考試方法提出三點建議，以期改進教學方法，提高教學效果，使該課程在培養學生的創新實踐能力中起到應有的作用。

2 教學中存在的問題

2.1 課程內容缺乏前沿性、連貫性，重點不突出

許多現有的教材內容上更新速度慢，缺乏前沿性，不能全面展示數字系統設計技術的新成果和發展趨勢；編寫上缺乏完整的課程觀，章節結構不合理，重點不突出，理論敘述多而配套的實驗和習題少。導致學生沒有明確課程目標，對課程內容感到枯燥、乏味，學習積極性不高。

2.2 教學方法單調，教與學結合不緊

傳統教學方法以教師講授為主，學生在封閉的課堂環境下獲取數字系統設計知識，方式單調，互動有限，缺少及時動手實踐的機會。教學過程重教輕學，重知識輕能力，只重視灌輸教學大綱圈定范圍內的知識而忽視學生對于技術發展的探索，只重視設計技巧的傳授而忽視對數字系統設計思想的理解和把握。以上這些都不利于教學質量的提高， 不利于應用型人才的培養。

2.3 實驗模式死板，缺乏主動性和創新性

受實驗設備及學時數等條件的制約，現行實驗項目缺乏新意，模式單一，實驗教學仍沿襲傳統的“課前預習-教師講解-課堂實驗-遞交實驗報告”的教學方式[3]，學生的主動性和創造性得不到體現。另外大多數情況下，實驗教學依附于理論教學，實驗成績在期末成績中所占比例不高，并且實驗成績大多依據實驗報告書寫是否全面、認真來給定，而這些因素并不能真實地反應出學生的實驗能力。缺乏有效的激勵使多數學生不重視實驗，在做實驗時抄襲數據結果，嚴重阻礙了學生創新思維和動手能力的培養。

3 解決辦法

3.1 合理選擇教材，案例啟發式教學

首先，精選教材。根據 EDA 教學需求，查閱了許多國內外教材，并結合 EDA 技術的最新進展，有目的的選擇了適合電子信息工程專業學生的教材-潘松老師的《EDA 技術實用教程（第三版）》；其次，采取案例啟發式教學。比如在講授硬件描述語言時，不能逐條介紹語法，而是應結合具體實例講解最基本的語句及其使用方法，讓學生從最初模仿實例編程到最終自己能獨立設計程序，從而達到掌握VHDL 語言的目的。另外，在課堂教學中及時引入往年數字系統設計方面相關的電子設計競賽題目，也許同學們在初學這門課時還做不出來這些題目，但是他們可以了解電子信息行業的最新動態，以及該課程和其他課程之間的聯系，并且將VHDL設計仿真與傳統的集成電路設計相對比，其方便快捷讓同學們切實感受這門課的應用前景和VHDL語言的魅力，對于提高學生的學習興趣大有幫助。最后，少講多練。我校該課程的總學時為64，其中40學時理論，24學時實驗。而在40學時理論中拿出一部分學時到實驗室上課，這樣可以邊講邊練，使學生能夠及時的動手實踐，掌握所學的理論知識。教與學的關系也在悄悄發生改變，教師不再是以權威的身份向學生傳遞經驗，而是要以各種方式來調動學生參與學習活動，并通過引導學生在自己精心設計的環境中進行自主的探索。

3.2 優化實驗教學平臺，增加綜合性、設計性實驗內容

3.2.1 基本功能的驗證實驗。這類實驗主要用于加強對基本概念的理解，以鍛煉學生使用 EDA 軟件和學會調試VHDL 程序為目的。這類實驗以設計基本邏輯模塊為主，例如采用 VHDL 語言設計基本門單元電路、譯碼器、計數器、寄存器等。

3.2.2 由若干個基本模塊構成的綜合性實驗。這類實驗主要培養學生自頂向下的設計思維，要求綜合不同類型的程序模塊，實現層次化設計。例如用半加器和或門設計全加器的實驗，用計數器和寄存器來設計頻率計的實驗等。

3.2.3 小型數字系統設計實驗。這類實驗為實際應用電路的設計，要求學生自由地選擇課題，也可以結合往年的電子設計大賽題目，進行方案設計，并在實驗箱上完成設計課題的編程，仿真，下載和測試。比較典型的就是信號發生器設計實驗，學生可以選擇正弦波或者三角波等不同的信號，也可以選擇控制不同的步進和幅度，充分發揮學生的想象力，提高學生的動手設計能力。

3.3 突出實踐能力的考核方式改革

考核方式采取理論考核和綜合能力考核相結合的方式，綜合能力考核成績占總成績的70%。學生自由分組，自主選擇一個有一定難度的綜合性設計實驗，要求學生在自行查閱相關資料之后制定出一個較完善的設計方案，并通過實驗設備來完成設計。之后選擇統一的考試時間，每個小組的同學均一人一臺計算機及實驗箱，上機操作，將編程、仿真、下載、硬件測試這個過程現場做一遍，最后教師還要對操作過程和結果進行提問答辯。這種考核方式就是為了避免有些學生渾水摸魚的情況。最終考核成績的評定，主要依據設計電路是否新穎實用、方案是否可行、設備選擇是否正確、數據分析是否合理、設計報告是否全面和答辯是否流利等幾個方面。這種考核方法既考查了學生對基礎知識和基本技能的掌握情況，又考查了學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力，同時也激發了學生的學習興趣，培養了學生主動探索的能力。

4 結束語

本次數字系統設計（VHDL）教學改革堅持以培養應用型人才為目標，改革教學方法，提高教學質量；建立了開放的實驗教學模式和考試方法，突出了理論和實踐的緊密聯系，激發了學生的主動學習能力，增強了學生的系統設計能力，提高了學生的工程實踐能力。在教改的推動下，華南理工大學廣州學院電子信息工程的學生在EDA題目上獲全國大學生電子設計大賽省三等獎一項，同時在其他全國電子大賽中也取得了較好的成績。實踐證明：數字系統設計（VHDL）教改對于培養應用型人才具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]潘松，黃繼業.EDA技術實用教程（第三版）[M].北京：科學出版社，2006.

[2]呂常智，范迪.對EDA課程試驗教學的幾點認識[J].中國科教創新導刊，2010，4：111～114.

[3]任志平，黨瑞榮.EDA教學改革與創新實踐研究[J].中國電力教育，2011，26：104～105.

作者簡介：李欣（1982-），河北邯鄲人，碩士，畢業于華南理工大學，現就職于華南理工大學廣州學院電子信息工程系，講師，主講課程《信號與系統》，《數字信號處理》，《MATLAB語言》、《數字系統設計（VHDL）》等。主要研究方向：數字信號及圖像處理。