單片機與EDA綜合實驗教學整合的探索與實踐

唐 續(xù)， 趙芳斌， 劉 曦， 蒲曉蓉

(電子科技大學 a.電子工程學院；b.英才實驗學院， 四川 成都 611731)

0 引 言

如何提高學生的實驗水平和實踐能力是我校的國家實驗教學示范中心的重要任務[1-2]。

中心為全校電類專業(yè)(約2 500人/年)開設了專業(yè)基礎必修課“電子技術綜合實驗”，擔負著現(xiàn)代電子技術實驗教學體系結構由基礎到創(chuàng)新過程的承上啟下的重要作用[3]。該課程以EDA應用[4]和單片機(MCU)應用[5]為技術核心，要求學生完成一個功能完整的電子小系統(tǒng)。該課程經(jīng)前期局部的開放式教學嘗試[6]，目前開始了大面積的開放模式教學。在讓學生自主學習，主動觀察、思考和發(fā)現(xiàn)新問題，獨立分析和解決問題，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新綜合素質、團隊協(xié)作和奉獻精神[7-10]等方面，取得良好的教學效果。同時，面對如此眾多的學生，也出現(xiàn)一些新問題。

本文討論了在開放教學中出現(xiàn)的問題，并提出“實驗整合”的改革思路和嘗試，與大家共同探討。

1 當前開放實驗教學的問題

(1) 實驗內容不統(tǒng)一。開放式的綜合實驗課程優(yōu)選了原有的實驗內容，典型實驗項目如表1所示。各項目明顯地區(qū)分為EDA 技術類和單片機技術類實驗。并且，兩類實驗并行設立，學生只能參與到一類題目及其技術訓練中。基礎好的同學時有反映對更豐富訓練內容的渴求。

表1 綜合實驗項目

(2) 實驗設備不統(tǒng)一。由于實驗設備的用量相當大，在實驗開設中，對EDA類實驗采用了自制的FPGA實驗平臺；對單片機類實驗采用了外購的單片機實驗平臺。而且，受場地限制，分別配置于多個實驗房間，不能換用。這從空間上限制了實驗內容的選擇。學生只能在相同配置的房間做實驗。常出現(xiàn)某時段的一類房間空置，而另一類房間容納不下的困境。沒有真正實現(xiàn)空間開放。

(3) 教學資料不統(tǒng)一。分別針對EDA實驗和單片機實驗，中心有獨立的實驗指導講義和豐富的教學資料。但因二者基于不同的平臺，不能共用，學生選課后確定一本講義使用。缺少統(tǒng)一的教材，造成教學管理等多方面的不規(guī)范。

(4) 教學方式和評價不統(tǒng)一。該實驗課和教學計劃內的其他理論課同期開設。因此，同一學院的所有學生將同一時段來進行實驗，需要開放所有的兩類實驗室來應對。同時，為了平衡實驗室工作負荷及實驗指導教師的工作量，采用行政班方式選課，使得同一學院的班將被分到兩類實驗中。既使某些學院學生對不同實驗技術有所偏重，如機電學院學生偏重單片機技術，通信學院學生偏重EDA技術，也只能服從教學管理的選擇。

其結果是，學生不能自主選擇實驗，沒有真正實現(xiàn)內容開放。同時，由于兩類實驗內容的完成過程不同，最終作品的評價標準難以一致，學生成績的公平性時常受到詬病。

3 實驗整合的改革與實踐

分析上述問題，可以發(fā)現(xiàn)其本質在于缺乏統(tǒng)一。解決之道在于對當前實驗教學的各方面進行整合。

3.1 整合實驗平臺

實驗教學的整合，首先對實驗平臺提出了更高要求。同時支持EDA和單片機類型的實驗平臺有兩種。一種并置兩種核心電路，共用外圍功能模塊[11]。其主要問題是，體積大，成本高，且維護麻煩。另一種則在配置共用外圍功能模塊的同時，提供不同的可替換式核心板[12]。其主要問題是，分離的多個核心電路板增大了開放實驗室管理的難度。

我們研制了一套可完成EDA和單片機實驗的電子技術綜合實驗教學平臺。該平臺布局緊湊、便于維護且性價比高。平臺硬件以Xilinx Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S250E-144為核心，提供多種外圍功能模塊，硬件結構如圖1所示。

圖1 綜合實驗平臺的系統(tǒng)組成結構

該平臺的突出特點在于其軟件系統(tǒng)。除了支持EDA應用，還可基于SOPC技術[13-14]，采用流行的8051單片機軟核MC8051[15]，在FPGA內部構建一個兼容的8051單片機。并得益于MC8051的開源特性，對該軟核進行了如下改進：

(1) 考慮到學生從基本原理課程過渡的適應性，進行了標準封裝，如圖2所示。對實驗者來說，這時的FPGA就是一塊具有完整功能的8051單片機。可與平臺中的各硬件模塊構建多種單片機應用系統(tǒng)。

圖2 MC8051封裝

(2) 考慮到學生在實驗中需對應用代碼反復修改和調試，定制了該軟核基于Monitor-51工具[16]的用戶程序在線仿真功能(具體過程已另文討論)。該功能有效解決了當前51單片機IP核用于實驗教學時，缺乏在線調試能力的瓶頸問題。

各實驗室配置相同的實驗平臺，既方便了實驗設備的管理與維護，更有效緩解了學生找機位難和設備利用率低的矛盾。可真正實現(xiàn)時間和空間的開放。

3.2 實驗內容的整合

基于實驗平臺提供的軟硬件系統(tǒng)資源，綜合實驗內容得到極大的豐富。如圖3所示，基于所提供的功能電路模塊及單片機內部模塊，可實現(xiàn)單片機類的基礎訓練及其綜合設計實驗；基于所提供的功能電路模塊及FPGA內部邏輯資源，可實現(xiàn)EDA類的基礎訓練及其綜合設計實驗。學生在實驗平臺上采用積木式實現(xiàn)結構，靈活組合，循序漸進地完成綜合實驗題目。

圖3 綜合實驗平臺的實驗項目

指導教師不用再受實驗設備類型的限制來安排學生的實驗項目，而可根據(jù)不同專業(yè)方向和學習層次的學生特點，遴選相關的重點題目進行講解，同時提供備選實驗項目。由此，可真正體現(xiàn)教學內容的開放。

3.3 實驗教學方式的整合

實驗平臺和實驗內容的整合都是形式上的。必須要配合教學本身的整合，才能達到實質的效果。對此，針對學生的學習特點，采用三階段的教學方式：

(1) 任務安排與方案分析。該部分為講授，可以利用容納百人的大型階梯教室進行整體教學。

(2) 基礎訓練。學生根據(jù)自選題目的技術要求，結合實驗平臺提供的豐富示例，自主開展基本技術和功能模塊的應用訓練。教師則輪流值班指導。

(3) 綜合與創(chuàng)新。學生綜合各功能模塊完成基本任務，并可從功能擴展和多方案實現(xiàn)等方面進行創(chuàng)新設計。教師則根據(jù)公開的難度標準和作品完成量及其效果作評價。

整合的教學方式可極大地提高教學效率，并為學生的設計作品提供更大的發(fā)揮空間。同時，學生難再找到作品雷同的借口，從而約束更多的學生真正投入到實驗課的過程中去，也為指導教師做出有效、客觀和統(tǒng)一公正的評價提供了技術保障。

3.4 實驗教學資料的整合

在上述實驗教學方式下，學生有了更加開闊的實驗場景，同時也要求更多的知識點，特別是關于兩類實驗的基礎理論知識和基本實驗技能的掌握。為此，整合本課程的兩本實驗講義，撰寫了統(tǒng)一的實驗指導書，并已立項本校“十二五規(guī)劃教材”建設進行完善。其中包括三個層次的內容：

(1) 基礎原理層。包括為完成EDA實驗和單片機實驗所必備和最常用基礎知識，供學生自學查閱。

(2) 應用實踐層。包括在實驗平臺上完成EDA實驗和單片機實驗的開發(fā)和仿真工具介紹，并給出兩種技術各自驅動各功能模塊的范例供學生模仿學習。

(3) 綜合設計層。包括對典型綜合實驗題目的方案對比和關鍵技術分析，并給出多個練習題目。

學生可以獨立自主和由淺入深地參與實驗過程，既在基礎問題上有所憑借，又在發(fā)揮問題上有所引導，增強了過程中的自信心和完成后的成就感，真正達到實踐能力鍛煉的目標。

4 結 語

電子技術綜合實驗的大規(guī)模開放性教學在國內尚屬少有。面對多方面的新問題，根據(jù)本校實際，提出整合EDA和單片機實驗的改進思路和實施手段。該教學改革已對英才實驗學院學生進行了一學期的實踐，獲得了良好的效果。希望能對高校同行有所參考。

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