EDA及FPGA應用技術課程改革與實踐

王凱 周德新 崔海青

摘要：針對我校電子信息工程專業的“現代電子系統技術”課程學時少、實踐性強的特點，從教學內容和方法、課程考核方式以及實踐教學環節三個方面進行了改革，提出了“研討式”教學方法，優化了考核方式，強化了工程應用能力培養。實踐表明，改革提高了學生的實踐能力，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：研討式教學；工程應用能力；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）40-0151-02

我校電子信息工程專業的“現代電子系統技術”課程是該專業的主要專業基礎課之一，其課程內容主要講解EDA技術以及FPGA設計技術，具有很強的實踐性。由于我校電子信息工程專業主要面向民航電子系統維修培養人才，為了適應民航人才的培養，學生需要學習除電子專業課程外的民航知識，因此對這門課程的學時進行了大幅壓縮。同時，工程教育改革和民航電子維修技術的發展對學生知識和能力的要求卻不斷提高，在學時壓縮的同時還將三分之一的學時用于課內實驗，因此迫切需要對原課程教學內容、教學方法和教學手段進行改革和建設，以有效解決學時壓縮與知識、能力和素質培養之間的矛盾。

一、教學內容和方法改革

課程組將“現代電子系統技術”教學內容分解為：課堂講授、專題研討和工程實踐三個模塊。

EDA及FPGA應用技術的核心是如何使用HDL語言，借助EDA工具來完成復雜數字邏輯電路的設計[1]。這一部分的內容主要采取課堂講授為主，并結合實踐教學環節，讓學生參與工程實踐。原先HDL設計部分分為組合電路設計及舉例、時序邏輯電路設計及舉例、HDL語言的語法總結和復雜系統設計四部分。由于學時的壓縮，將所舉的例子搬到實驗課上，讓學生自己編寫HDL程序去實現；同時復雜系統設計部分改為課程設計的內容。這樣，課堂上只是講解組合、時序電路設計的基本方法，HDL語言的基本語法，將原先的學時大為壓縮。

在“現代電子系統技術”課程中，可編程邏輯器件結構這一部分的內容相對比較枯燥，按照傳統的教學模式來進行授課，學生難以產生學習興趣，甚至由于對可編程邏輯器件結構摸不透、搞不懂，產生厭學情緒，影響整個課程的教學效果。

為了解決這些問題，引入“研討式”教學方式，讓學生事先通過圖書館、互聯網等多種信息渠道獲取資料，進而對資料進行整理、討論，以小組為單位，在課堂上采取研討的方式進行教學，激發了學生自主學習的興趣，同時有助于加強學生之間的團隊合作精神[2]。研討結束后，由教師對研討的內容、知識點進行總結。這樣，原先需要8學時來講解的可編程邏輯器件結構內容只需2～3學時即可完成，因為大部分學習時間都放在提前準備中了。

經過幾年的教學實踐表明，每一屆學生在可編程邏輯器件結構部分的資料搜集時都要認真準備，在研討過程中要積極發言，學習完成后也就將這一部分的基本知識點全部掌握了。同時，電子技術一直在飛速發展，采取這種以學生為主的研討式，使得教學內容一直能與電子技術發展保持同步。

除了可編程邏輯器件結構這一部分內容之外，課程組還考慮將EDA技術的概論以及設計中的優化方式等內容也采用“研討式”的教學方式，以提高學生參與的深度，促進學生思考的廣度。

二、課程考核改革

課程組對課程的考核方式也進行了改革：將傳統的單一期末卷面考試的形式改為多種考核方式相結合的綜合評估，同時也將期末的卷面考試改為了開卷考試。

首先，考核的第一部分是期末卷面考試，這部分占綜合成績的40%，主要考查學生對基本概念的理解和應用能力。由于課程的核心是如何使用HDL語言來完成FPGA等可編程邏輯器件的設計，而并不拘泥于HDL本身的語法細節。因此將期末考試的形式改為了開卷考試，使學生將更多的精力用于設計本身，而不是對語法的記憶上。

其次，考核的平時成績占到了期末綜合成績的30%，這部分成績主要包括學生的出勤、作業和專題研討等。出勤部分相對占比不大，主要是平時作業和專題研討。以往的平時作業只是將要設計的電路，在紙上通過寫HDL程序來實現，最終也只能是“紙上談兵”。改革后的平時作業要求將設計的電路使用硬件實現，最終檢查的除了程序本身以外，還有相關工程文檔以及最終的實現電路。工程文檔包括設計說明書、程序代碼和仿真測試結果，而最終的實現電路則是在實踐環節所使用的開發板上完成。專題研討包括了可編程邏輯器件結構、可編程邏輯器件編程與配置和可編程邏輯器件測試三個專題，即是以上提到的“研討式”教學內容，根據研討的情況給分。

最后，第三部分綜合成績是實踐成績，占比30%。這一部分主要是實踐教學環節的考核，考核的主要內容就是平時作業的實現效果、實驗報告的撰寫以及實驗結果的分析等。對于實踐課程的考核，課程組采取預約方式，實施“一對一”考核。具體來說就是首先給學生20個左右的設計題，由學生自主選擇題目，自主選擇時間完成考核。考核時主要考查學生對設計開發過程的熟悉，而HDL代碼可以事先寫好。

三、實踐教學改革

EDA及FPGA應用技術是一門實踐性非常強的課程[3]，實驗學時也占到了總學時的三分之一，因此實踐教學環節對于該課程的教學效果影響至關重要。

改革前，該課程的實驗只是讓學生將HDL設計的程序進行仿真，分析仿真結果，這種方式與生產實踐相脫節。很多學生在學完課程之后仍然出現不具備設計能力、設計缺乏完整性等問題，關鍵是仿真教學不能引起學生十足的學習興趣。

隨著電子技術的發展，可編程邏輯器件的價格飛速下降，并且功能越來越強大，這就為實踐教學奠定了物質基礎。課程改革的一項重要內容就是使用可編程邏輯器件開發板完成設計，做到3～5人一組，每組能有一塊開發板可用于實驗。這樣，在實驗過程中就不再只是仿真，而是以“教學做”一體化的教學方式，完成HDL設計的教學。

可編程邏輯器件開發板直接使用USB接口下載程序和供電，這樣開發板在計算機房或學生宿舍就可以使用，而不像傳統的試驗箱那樣需要外接電源和昂貴的下載器。開發板上預留了開關量的輸入、輸出，輸入使用按鍵開關和撥碼開關，輸出使用LED燈，這樣可以完成簡單組合邏輯電路設計的實驗。同時，電路板上還有時鐘的輸入、蜂鳴器輸出以及動態掃描顯示的數碼管，可以支持完成時序邏輯電路的設計。

針對實驗學時不足的情況，為每個小組配備一塊開發板，整個學期都由學生保管，這樣學生可以利用課余時間完成實驗內容，同時還能完成更多的開放性實驗[4]。更激勵了很多學生去完成電子設計競賽、創新創業設計等豐富多彩的實踐，使學生的實踐能力、動手能力都得到了大幅提升。

四、結語

本文針對我校電子信息工程專業的“現代電子系統技術”課程學時少、任務重的現狀和提高學生工程實踐能力的需求，對課程的教學方式和方法、考核方式以及實踐教學進行了改革，取得了較好的教學效果。學生不僅掌握了該課程的教學內容，并在電子設計競賽、創新創業大賽等多項賽事中取得了優異的成績。

參考文獻：

[1]吳大鵬，黃沛昱.“電子系統綜合設計”課程建設探索[J].電氣電子教學學報，2014，36（6）：41-43.

[2]苗東利，雷佑安.研討式教學在高校教學中的應用[J].大學教育，2013，（1）：131-132.

[3]潘松，黃繼業.EDA技術實用教程[M].北京：科學出版社，2006.

[4]劉喬壽，黃沛昱.電子信息類開放實驗教學模式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32（7）：157-160，201.