《EDA技術及應用》課程的項目教學設計

張 瑾，孫芹芝

（1.大連大學 信息工程學院，遼寧 大連 116622 2.大連大學 網絡與信息中心，遼寧 大連 116622）

0 引言

EDA技術是現代電子信息工程領域中一門發展迅速的新技術，它融合了應用電子技術、智能技術、計算機技術等多學科最新成果 ，已經成為現代電子系統設計和制造的主要技術手段[1]。開設《EDA技術及應用》課程，目的是培養學生運用EDA技術進行電子系統設計的能力、創新精神以及獨立解決問題的工程實踐能力。以往我們特別強調以知識為本位，教師在課堂上按照大綱，順序地講授各種編程語句的結構、語法，然后在實驗上機課中進行驗證和編程設計，這種理論教學與實踐教學相分離的格局很難形成學生的綜合技能，也難以調動學生的主動性、參與性與協作性[2]，為此近幾年開展了項目教學的嘗試，取得了很好的效果。

1 教學項目設計

項目教學法是充分應用課堂理論知識解決生活中、工程中的實際問題，并且通過解決項目加深對理論知識的理解，從而達到培養學生綜合能力目的的全新教學模式，與著名教育家陶行知先生所提倡的“在學中做，在做中學”的教育理念一致[3]。這種教學方法更適用于《EDA技術及應用》之類應用性比較強的課程。

1.1 項目選擇原則

項目的確定是“項目教學法”成功的關鍵。項目的選擇要在教學目標指導下，綜合考慮項目的設置、各項目間的聯系和層次遞進。以大綱中的知識點為依據，既要與書本的知識緊密結合，又要能夠展現項目的現實應用性，同時給學生留有發揮和創新的空間。具體地，項目選擇應該遵循以下幾個原則：

（1）緊密配合教學內容和教學目標。項目實例是為教學服務的，因此選取的項目必須和教學內容相吻合，項目的設計方法、手段基本是教學內容的實際應用。

（2）具有良好的工程應用價值[4]。項目不但為掌握EDA技術理論和設計方法服務，還應加強學生對電子系統的工程設計的理解。項目應是工程應用中的實際問題或者電子系統設計中的典型環節。

（3）規模適中。項目規模太大將花費過多學時，項目規模太小則難以體現課程的實踐性。

（4）難度適中。項目難度既要激發學生學習的興趣，又不能打擊學生的自信心。

（5）趣味性。選擇項目時應考慮其趣味性和實用性，讓學生有熱情有動力投入項目中。

1.2 項目選取與設計方案

EDA技術旨在使過去中小規模數字器件實現的數字系統得以在集成度更高、體積更小的超大規?？删幊唐骷袑崿F，而這一思路的關鍵就在于硬件描述語言VHDL，因此EDA技術課程最主要的內容有兩部分：一是VHDL語言的學習，二是數字電子技術中常用數字器件的VHDL設計及應用。

如果按照知識體系系統地學習這門課，將需要大量學時，僅僅VHDL語言部分，就需要講授它的三個結構、五個要素、若干重要語句和三種常用設計手段，而培養方案在這部分的教學中給出的學時很少。該課程采取的項目教學思路是，放棄不常用VHDL語句，選取EDA設計技術中最有效的手段和方法，將其融合到電子系統設計的典型環節、典型項目中去，即應用項目中包含了本課程所有重要知識點，這樣在做項目的過程中展開探究式、參與式和研究性教學，既達到教學任務要求，又鍛煉了學生，使得學生的主動性和學習熱情得以充分發揮。

基于以上思路，設計選取“8位數碼掃描顯示電路設計”、“直流電機的PWM控制”、“基于VHDL狀態機的A/D采樣控制電路設計”、“多功能音樂播放器設計”等項目，項目除了體現VHDL語言的基本結構、文字規則，還應用了其最核心的內容——順序語句、并行語句的語法和元件例化法、狀態機設計法、LPM定制等設計手段，涉及的器件設計包括了所有常用的組合邏輯部件和時序邏輯部件，同時應用了大量電子系統的設計原理。項目所涉及的主要VHDL語法、設計手段以及電路原理知識如表1所示。

表1 項目與主要VHDL語法、設計手段以及電路原理知識對應表

2 項目教學的實施

2.1 提出項目要求

在教學之前，給出項目的設計要求，包括基本要求、擴展要求和自由發揮部分（不必設置具體參數），例如“直流電機的PWM控制”項目，除了按鍵控制電機的正反轉和速度這一基本要求外，還設置了按鍵步進控制速度檔位、電機測速以及顯示速度值的擴展要求，并且啟發學生研究將電機安裝在小車上，進行障礙物檢測、慢轉彎、急轉彎、前進、后退等多種控制。作為自由發揮部分，具體參數不限。

再如音樂播放器設計，基本要求是能夠完整播放一首曲子，節奏適中，聲音清晰響亮，曲目任選；擴展要求是通過按鍵可以在幾首曲目中任選一首進行播放。學生可以將功能進行提升，如按鍵快進選曲或者一首曲子內快進播放等等。

在明確項目要求前提下，指導學生查閱、學習所設計的系統的工作原理。

2.2 引導學生進行項目分解

引導學生將項目分解為多個模塊，以各模塊為任務分別解決。這樣做，既有利于厘清設計思路和分別調試，也有助于學生目標明確、有的放矢地學習課程知識。

（1）8位數碼掃描顯示電路設計項目。學生必須掌握的是基于EDA技術的組合電路與時序電路的設計，包括計數器、譯碼器、顯示譯碼器設計以及三極管的開關設計。

（2）直流電機的PWM控制項目。設計包括計數器、比較器、速度檔位發生、PWM波產生、正反轉控制等模塊。

（3）基于VHDL狀態機的A/D采樣控制電路設計項目。該項目包含狀態機時序控制進程設計和狀態翻譯進程以及數據鎖存進程設計。

（4）音樂播放器設計項目。項目所需要完成的設計包括ROM地址發生、ROM存儲器、音樂簡譜譯碼、數控分頻、占空比調整等模塊[5]。

2.3 對學生項目設計的評價

設計小組以1-3人為宜，項目設計成果以答辯形式加以檢驗，具體包括波形仿真與分析或者硬件電路測試以及設計思路闡述。波形仿真與分析是從理論上說明設計的正確性，硬件電路測試則從實踐上檢驗設計是否達到要求。項目評價分數將以適當比例計入期末考試成績。

3 項目教學實施效果

《EDA技術與應用》課程實施項目教學過程中，在下面幾個方面取得了明顯的效果。

（1）學習態度的改變。采用項目教學以后，學生學習主動性明顯增強，為完成一個項目，必須查閱大量文獻、自學教材、討論答疑等等，而這些工作在以往不必學生親自去做，學生只聽老師講授、編寫練習程序就行了。同時各組之間的競爭、比拼也激發了學生的學習熱情。

（2）考試成績的提高?！禘DA技術及應用》考試在應用項目教學之前，即使開卷考試，卷面不及格人數比例也達20%左右，采用項目教學后，在難度相當的前提下，閉卷考試的成績大幅提高，不及格人數比例下降為10%以下。

（3）實驗效果的改善?！禘DA技術及應用設計》課程是與《EDA技術及應用》配套的實驗課，可以看到學生獨立編程、調試、糾錯能力大大提高。

（4）創新項目和大賽成績。采用EDA技術完成創新項目的小組逐年增加，成績也提高很大，2015年至2017年共有四組創新項目被批準為省級項目，其中一項晉級為國家級大創項目。在近年舉行的全國大學生電子大賽、遼寧省“TI”杯電子設計大賽中，均有采用EDA技術完成設計獲獎的作品，這與平時的項目設計和訓練是分不開的。

4 結語

實踐證明，《EDA技術及應用》課程引入項目教學效果良好，教師在教學中，將知識點融合到項目中，在不影響知識體系完整性的前提下，能夠重點突出地講授實用技術，大大提高了教學效率和課堂活力。學生在項目教學過程中，知識的學習和能力的培養都達到了課程目標，而且激發了學生的創造熱情，對培養應用型、創新型的一線工程技術人才將起到較大的促進作用。