運用系統方法將EDA融入數字電子技術課程教學

李曉靜，　劉紅月，　李曉飛

(天津理工大學 電氣電子工程學院 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384)

0　引　言

電子設計自動化(EDA)[1]技術涉及面廣，內容豐富，正逐漸成為現代數字系統設計的主要方式和重要手段。而在教學和技術推廣層面上，使用較多的是基于可編程邏輯器件(PLD)的EDA技術[2]。PLD是專用集成電路的一個重要分支，可通過自己的電路設計來定制芯片內部的電路功能，使之成為設計者自己的專用集成電路，成本低、使用靈活、設計周期短、可靠性高、風險小，現已得到普遍應用，發展非常迅速。目前，應用最為廣泛的PLD是FPGA和CPLD。

依靠EDA軟件，加上種類繁多的數字邏輯模塊以及表達豐富的硬件描述語言，再配之以合適的基于FPGA的實驗設備，從而進行設計的數字電子系統具有結構簡單、可靠性高、功耗小、速度快等優點，使得這種方式現已成為電子設計領域的主流。

1　運用系統方法將EDA融入數電課程的思路

“數字電子技術”是電類專業重要的基礎課程之一，重點在于數字電路的分析、設計及運用[3-4]。在教學實踐中使用系統方法，強調從系統級的高度來審視數字電子技術課程的基礎地位，把控知識體系和系統的全局性，注重每個知識點在系統中的位置，形成“先整體后局部，從模型到對象，重要點輕細節”的教學體系，重點突出、層次分明。而在此過程中，EDA軟件就可以發揮重要的作用。

在教學實踐中，選擇了共75人的兩個自然班作為實驗班，調整教學結構，優化教學內容，將EDA技術的設計思想真正融合到各個教學環節中去，以期全面改善課程的教學效果。以下結合教學實踐中的體會談談如何運用系統方法將EDA技術融入數字電子技術課程、從而提高課程教學質量。

2　EDA在理論教學中的作用

傳統的理論教學以教師為主體，學生則是知識灌輸的對象，發揮學生主動性與積極性的機會不多，更談不上對其工程能力、實踐能力的培養，與目前提倡的工程教育的側重點不相適應，教學效果不理想。有鑒于此，我們將數字電子技術課程實行小班授課，圍繞如何設計數字電子系統的目標，將知識點按照“先整體后局部，從模型到對象，重要點輕細節”的方式，自上而下逐級分解，同時補充EDA方面的知識，利用EDA軟件搭建一些實際電路并將其與數字電子知識系統中的教學內容有機結合，在課堂教學中融入研究元素與工程元素，強調學生的參與，使之更貼近工程實際情況，有利于培養學生對科學研究的興趣，為他們以后的學習與工作奠定基礎[5-6]。

2.1　EDA的引入

在學生還未掌握硬件描述語言時，主要以Quartus II的原理圖輸入法為例介紹EDA技術在數字電子技術中的應用。一方面，將課程中抽象的理論知識，例如：暫態、同步與異步、競爭冒險等問題，借用EDA軟件仿真的方式形象地展示給學生，在課堂上可吸引學生的注意力，提高其興趣，培養他們觀察現象、總結規律的好習慣。另一方面，利用EDA演示一些來自現實生活中的實例，使得教師的課堂講授更趨立體、豐滿和生動，與實際科技更緊密相聯，課程的知識結構和體系更趨合理，也更能體現出現代科技對課堂教學的指導和牽引。

2.2　EDA的應用

數字電子課程中牽涉到的集成電路芯片很多，構造及原理類似，若花大力氣在講解多個具體芯片的使用上，有些得不償失。而學習的一個有效手段就是比較，用已經掌握的知識去認識不熟悉的內容，當然二者之間是存在內在聯系的。故在教學中重點講述幾個典型芯片，余下的留給學生采取比較法自學。另外，按“重要點輕細節”的要求，在課堂上不做復雜深奧的理論講解，如講到計數器等一定規模的集成電路時，不過多關注其內部構造，而是利用EDA軟件演示出來。這樣一方面能令學生直觀地看到器件及其應用，另一方面也可以避免學生身陷繁瑣的電路內部細節分析之中。同時，盡可能運用EDA技術搭建一些實際的電路例子進行講解，例如555定時器，可利用其構造門鈴等實際電路。使學生明白理論課上學到的知識不再是枯燥抽象的電路，而是可用于真正能在實際生活中看到的、用到的產品之中，從而加強與工程實際的聯系。

2.3　PLD與VHDL

在講解可編程邏輯器件這一章時，單獨拿出一部分學時講述VHDL硬件描述語言以及數字電子系統的設計。VHDL自頂向下的設計方法與“先整體后局部”系統性的要求不謀而合，且由于學生已有一些計算機編程的基礎，對于VHDL語言的教學就不再做逐條語句講授，而是結合一些具體實例講解清楚其架構及自身特點，幫助學生在短期內掌握VHDL的使用并付諸設計實踐[7]。

3　EDA與實踐教學相結合

數字電子技術課程實踐性非常強，必須高度重視實踐環節對學生能力培養的重要性[8-10]。將EDA融入課程的實踐教學時以系統方法為導引，堅持以學生為中心，貫徹將實踐教學與理論教學協調統一的理念[11]，改革實驗教學理念，建立以創新能力培養為核心的實驗教學模式[12]，所采取的具體措施如下：

(1) 修訂實驗教學文件。將原來單獨設課的實驗部分與理論課程部分統一為一門課程，并進一步壓縮理論課程所占比例，提高實踐學時比重：將原大綱中的共24學時的實踐教學擴充為現在的32學時，同時提高綜合設計性EDA實驗所占比例。

另外，針對我校實際情況，以系統方法為指導，編寫了一本簡單實用的實驗教程，增添了QuartusII的應用方法、VHDL硬件描述語言、FPGA實驗系統的介紹，并適當加大提高拓展型實驗、綜合應用型實驗和創新型實驗等的比例供學生進行學習與實踐。

(2) 加強實驗室建設[12]。實驗室是實踐教學及科研活動的承載者，除了打造開放實驗室、為學生提供良好的實踐教學環境和教學服務之外，還嘗試了一些新的做法。例如允許學生外借單片機實驗板、PLD實驗模塊，這樣學生可以不受時空限制，不僅能在自己的電腦上通過下載EDA軟件完成仿真等工作，還可以完成硬件調試等任務。

(3) 協調實驗與理論教學[11]。實驗與理論教學均為同一教師的做法提高了教學安排的靈活性，方便教師合理協調理論及實驗課程的內容及進度。筆者也嘗試了在講解一些教學內容(例如Quartus II、FPGA實驗系統的使用等)時將課堂搬到實驗室進行，讓學生實際接觸并應用這些設備以便快速掌握使用方法，在提高課堂效率的同時也鍛煉了學生的動手能力。

(4) 系統導向開展實驗項目。在實踐教學中，以設計實際的數字系統為目標，采取自上而下、逐層分解任務的方式展開實驗項目的教學。在此過程中，使學生掌握利用EDA工具對FPGA邏輯陣列完成電路軟設計的方法，并進一步強化動手操作能力和綜合實踐能力。要求學生在教師指導下進行方案設計和程序設計，其流程見圖1。

圖1設計流程圖

4　網絡教學

為擴展師生之間交流的空間，借鑒目前國內外開放課程建設的優秀經驗，從學生的角度出發，在我校網站的課程中心創建了開放課程平臺。課程組在該平臺上設置了“課程介紹”“電子教案”“視頻錄像”“在線測試”“例題解析”“下載空間”“師生論壇”“在線答疑”等多個欄目。發揮網絡教學不受時空限制的優勢，在內容的組織和編排上保證重點突出、層次分明，便于學生在碎片化時間里進行學習。另外，該平臺與國內外著名的EDA開發網站相鏈接，幫助學生與時俱進地了解EDA技術的最新動態發展。

5　考核方式

成績考核是檢驗教學質量的重要手段，對學生培養效果的評估不宜采用單純依據考卷分數的這種傳統模式，更應將學生的動手操作與實踐等方面作為考核的一個重要方面。

結合我校數字電子技術理論教學、實驗教學的具體情況，課程組制定了相應的課程考核辦法如表1所示。在實驗考核部分,教師記錄平時實驗期間學生的表現并結合實驗報告給出平時成績；最后一次實驗提供幾個綜合性的題目，學生抽簽得到筆試和操作考題，一人一題，要求在規定時間內完成，再根據學生的實際操作、測試結果和問題答辯等給出評價。

表1　數字電子技術課程考核辦法

6　EDA在后續學習中的應用

6.1　課程設計

數字電子技術課程結束后的課程設計作為教學中重要的實踐環節，一般是要求學生完成一個小型數字系統的設計任務，可謂系統方法的典型體現。在本課程設計中，要求學生將數字電子技術課程中所學的組合及時序邏輯電路、甚至模擬電子技術中相關的系列知識應用于實際系統設計。目的是培養學生綜合運用可編程器件、EDA開發系統軟件、硬件描述語言等各方面知識與實踐技能，掌握數字電子系統設計的基本方法，能獨立地解決實際問題，為電子產品的研發奠定基礎。集中在兩周之內完成的課程設計,具體實施過程見圖2。

圖2課程設計流程

課程設計工作需學生獨立完成，教師會參與各個階段并提供指導，但僅起輔助作用。在設計題目的選擇上，提倡在教師協助下，發揮學生的主觀能動性通過先期調研后自擬確定，一般要求與近幾年課程設計題目不重復。學生經歷了數字系統設計的全過程，其對理論知識的理解能力和實際動手操作能力都可以得到很好的鍛煉與提高。學生的反饋也表明，他們是樂于接受并認同此種學習形式的。而學生在此過程中呈現出的創新能力和潛力是教師始料不及的，教師若在此時加以正確引導，會對學生的能力培養幫助良多。

6.2　課外實習與實踐

通過“請進來、走出去”的方式，將學校課堂與社會課堂結合起來，邀請相關企業工程師到學校舉辦講座，組織學生到企業進行參觀見習、技術創新等活動，加強學生與社會及將來就業單位的聯系。

與此同時，促進EDA教學與學生科技實踐活動的緊密結合[13]。鼓勵學生建立電子愛好者協會等科技小組，合作開發實用的電子設計項目，開設學生創新實驗室，為有意于深入鉆研電子技術的學生提供實踐平臺。該實驗室全天開放，由學生自己管理，由具備實際工程經驗的教師進行指導，開展一系列的課外科技創新活動，并為電子設計競賽等活動輸送有一定基礎的選手。其中一些優秀學生還可參與科研工作，與指導老師一起完成相關科研項目任務。

另外，結合國家和學校關于開展大學生創新性實驗項目以及學生科技創新活動、競賽等政策，鼓勵并輔導學生積極申報相應課題[14]，指導學生進行研究與撰寫論文，使得學生在本科階段即參與科研工作[15]，為隨后踏入社會或進一步深造奠定良好基礎。

6.3　畢業設計

以往的畢業設計，在原理性討論和分析上形成的論文多，而能進行調試和驗證的實際設計偏少，這樣就造成了畢業設計效果不盡理想的問題。近幾年，筆者嘗試結合EDA技術引入一些基于FPGA的設計性課題，將大學4年來的專業知識串聯起來，進一步提高了學生的綜合運用能力，為他們今后走向社會作好了較充分的準備。通過實踐發現，學生在學習“數字電子技術”時期打下的基礎在畢業設計中發揮了很大作用。

7　教師作用

“數字電子技術”是一門專業基礎課，在此次教學改革中引入了EDA這個新元素，對教師本身的能力有著新的、更高的要求。

教師必須理論知識和實際操作“兩手都要硬”。目前，“數字電子技術”課程的主講教師均為長期從事教學、科研第一線工作的教師，理論功底和實踐能力都很強，每位教師均負責所教班級學生的理論、實驗、課程設計等各教學環節，保證了教學延續性和教學質量。

正所謂“為有源頭活水來”，教師自身必須積極參與EDA相關的科研活動，與時俱進，更新知識[5]，將科研的理念、思路、內容融入教學，將專業最新、最前沿的技術介紹給學生，才能幫助學生更好地理論聯系實際，實現提高教學效果和教學質量的目的。

同行之間的交流、學習與借鑒，是教學質量提高的源泉。通過參加教育部電工電子基礎課程教指委的相關活動、選派教師到國內外高校進行觀摩學習、參加國家精品課程培訓和高級研修班等方式，與國內外各高校同行保持聯絡，互相學習借鑒，緊跟時代發展，拓寬教師視野。

8　結　語

通過系統方法引入EDA技術對“數字電子技術”課程進行教學改革，不僅能夠在興趣驅動下充分發揮學生的主觀能動性，使其對理論知識的理解更加透徹，還能提高他們的實踐能力和創新能力，并為其后續課程的學習以及從事專業工作奠定了基礎，從而促進課程教學效率和教學質量的提升。

參考文獻(References)：

[1]王艷春. EDA技術融入電子技術課程的探索[J].實驗科學與技術，2009, 7(6)：89-91.

[2]謝小東，李平.“EDA技術”課程實驗教學的探索[J].實驗技術與管理，2012, 29(6)：181-183.

[3]康華光，鄒壽彬，秦臻. 電子技術基礎(數字部分)[M]. 5版.北京: 高等教育出版社，2008.

[4]羅軍.“電子技術”課程教學的改革探索[J].重慶教育學院學報，2008, 21(6)：30-32.

[5]李曉靜. 工科院校青年教師提升教學能力的探索與實踐[J]. 黑龍江高教研究，2015(12)：109-111.

[6]李曉靜，劉紅月，王榮莉. 如何上好“電工學”課程之我見[J]. 電氣電子教學學報，2016, 38(4)：102-105.

[7]朱奕丹. VHDL設計課程教學改革實踐[J].電氣電子教學學報，2007, 29(2)：22-23.

[8]張曉燕，李洋. EDA技術在電子技術實驗教學中的應用[J] .實驗技術與管理，2010, 27(11)：334-336.

[9]王金玉，付光杰，姜春雷. EDA技術與電子實驗教學的有機結合[J] .實驗技術與管理，2012, 29(12)：170-172.

[10]邵凱，梁燕. EDA技術與數字電路實驗教學的有機結合[J] .重慶郵電學院學報(自然科學版)，2006, 27(6)：109-110.

[11]李曉靜，劉紅月，劉斌，等. 電工電子課程實踐與理論教學協調統一的探究[J]. 實驗室研究與探索，2016, 35(10)：205-208,295.

[12]任愛鋒，孫萬蓉，石光明. EDA實驗與數字電路相結合的教學模式的實踐[J] .實驗技術與管理，2009, 26(4)：200-202,208.

[13]高圣偉，劉雪莉，羅菁. 加強EDA實踐教學初探[J] .實驗室研究與探索，2011, 30(3)：369-371.

[14]葉佳卓，盧斌，程棟. 基于EDA技術的數字電路實踐教學探討[J] .實驗技術與管理，2010, 27(11)：249-252.

[15]谷善茂，杜德，劉云龍，等. EDA課程創新實驗教學方法探索[J] .實驗技術與管理，2015, 32(3)：40-43,46.