一種“數電”與“EDA”共享的移動實驗平臺

楊杰 班瓊

[摘 要]在 “數字電子技術”及“EDA”課程的教改中，將已有的自制數電實驗箱升級為與EDA共享的實驗平臺，并配發給每位學生自由攜帶，從而徹底打破了傳統實驗室空間、時間的限制，實現了實驗的全方位開放。兩年來的教學實踐證明，這種方法可以顯著提高整體教學效果，有效拓展學生創新能力。

[關鍵詞]教學改革；實驗開放；平臺共享

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）03-0011-03

“數字電子技術”（以下簡稱“數電”）和后續的“EDA”，是工科電類各專業兩門重要的技術課程。近年來，我們結合學校精品課程以及省級、校級教改項目的建設，將“數電”與“EDA”進行了有效整合，通過給學生配發自制實驗箱的方式，配合一套精心設計的實驗方案，在自主性開放實驗方面進行了有益的嘗試，取得了較好的教學效果。

一、課程背景

為了適應電子技術的高速發展，大量新型的學科紛紛出現在大學課堂，如DSP技術、SOC技術、EDA技術、數字通信、嵌入式系統等，其中許多被列為當今的核心科技學科，引領著未來電子技術的發展方向。作為這些相關學科的共同基礎，數字電子技術的進步也是日新月異，因而對課程的教學內容、實驗模式也提出了更多的挑戰[1]。

但就目前而言，國內許多高校依然按照傳統的培養模式，將“數電”和“EDA”課程分別設置，其中“數電”還是以20世紀80年代的手工數字設計技術為核心展開教學，其基本內容和實驗模式幾乎都停留在30～40年前。應該說，這些都是在計算機軟硬件技術還不發達的時代的無奈之舉，工程師只能靠“十年磨一劍”，通過長期實踐積累經驗來彌補此技術的不足。

現如今，半導體技術、計算機技術高速發展，EDA（電子設計自動化）技術也已非常成熟并得到廣泛應用。傳統數字電子技術所介紹的包含若干個邏輯門的器件早已變成了現在特征尺寸僅數十納米的SOC系統；過去靠手工設計技術將74系列器件組合成“板上系統”的時代也脫胎成為基于EDA技術實現的“片上系統”的時代。在這種大環境下，高校的教學必須做出相應的調整，才能適應新形勢的需求。對“數電”與其后續課程“EDA”進行有效整合，就是這種調整的具體舉措。

我們認為，就“數電”及“EDA”課程而言，以實驗環節為突破口進行教學改革，具備“天時”“地利”“人和”的優勢：

（一）“天時”

當今時代，計算機技術高度發達，造就了便捷的網絡世界，締造了高效、逼真的虛擬仿真環境，半導體芯片技術的飛速發展，這些都為“數電”和“EDA”的實驗開放提供了極為有利的外部條件。

使用Multisim、Quartus II等軟件仿真，可以得到與實際電路幾乎完全相同的運行結果。這就為學生自主創新設計提供了一個理想的輔助實驗平臺。學生在創新構思時，可以隨意選擇使用仿真軟件中的虛擬元件庫所提供的全系列器件，或利用CPLD/FPGA芯片的大量資源，幾乎不受元器件種類、數量和測試儀器儀表資源的限制，且修改設計極其便捷。EDA的功能仿真、時序仿真以及便捷的下載特性，使得學習更加靈活高效。學生可以從煩瑣的接線中解放出來，完全不受芯片資源的約束，且充分發揮了現有實驗箱的余熱，可謂如虎添翼，相得益彰。

四通八達的網絡為師生交流提供了良好的交互平臺。利用校園網提供的條件，可以把學生喜愛泡在網上這個特點，轉化成了方便師生溝通的優勢。借助于網絡，學生可以把設計仿真文件上傳至老師，并就遇到的問題請教老師，老師也可了解學生的進展，修改學生的設計，保證實驗的成效。

（二）“地利”

“數電”及“EDA”課程的實驗內容，大部分對實驗硬件的要求非常簡單，只要有直流電源，簡易的方波信號源，最普通的測試手段如LED燈、萬用表等，即可完成許多電路設計與調試。所用器件大多為標準化的系列產品，價廉、易得，且可重復使用，這些是制作便攜式數電實驗箱的前提。而筆記本電腦的普及、EDA芯片的高度集成、EDA開發環境（低版本）的免費普及均為新一輪實驗改革提供了基本保證。

“數電”這門課程所講授的內容是電子技術的一個重要分支，介紹的是現代計算機工作最底層的硬件基礎；作為電子、通信、計算機、自動化等專業的最主要的核心基礎課程和考研課程，也易受到學生的普遍重視。“EDA”課程所介紹的內容，緊跟技術時代的發展，為學生今后的就業奠定了基礎。“數電”及“EDA”課程的實驗內容，經過精心組織后，可以緊密結合實際，容易引發學生高度興趣。

（三）“人和”

“數電”及“EDA”課程的學習對象，一般是大學一年級下半學期或二年級的學生。從學習態度上講，他們已從最初考上大學的喜悅中平靜下來，許多人開始著手進行人生的規劃，開始關心就業、考研等問題。從學習能力上講，他們已基本完成了高等數學、大學物理等基礎課程的學習，正逐步開始進入專業課程的學習，應該說經過最初低年級的磨合，已適應了大學階段的學習環境，知識面得到了一定的拓展，也已初步掌握了一些專業基礎知識，具備了一定的自主學習能力。

二、方法思路

實驗是工科專業教學的重要環節，其地位作用不言而喻。為提高實驗教學效果，學生需要盡可能多地主動參與進來，同時需要開放的實驗室作為支撐。然而，受制于諸多不易解決的實際問題，如教師的人手、報酬、儀器設備安全，等等，通常學校的實驗室開放程度有限，事實上已成為實驗教學改革的瓶頸。

為了避開這個難點，我們另辟蹊徑，采用了新的辦法。我們發現，就“數電”而言，其實驗對硬件條件相對要求較低，常規實驗并不需要復雜設備，只需提供相應的輸入、輸出條件即可，甚至一般的調試使用LED小燈即可完成。基于此，我們精心規劃設計了“數電”實驗的內容，并量身自制了一批便攜式實驗箱，配套若干芯片后發放給學生。該實驗箱體積小巧、方便好用，學生借助于仿真、網絡，可以在宿舍、圖書館、教室等處隨時進行實驗，完全突破了傳統實驗室的時空限制，實現了實驗的全方位開放，取得了很好的實際效果[2]。

“EDA”作為“數電”的后續課程，也可視為數電的高級階段。雖然實驗室中配備了高檔實驗箱，但無法做到對所有學生全方位開放。然而我們觀察后發現，其實“EDA”實驗與“數電”實驗相比，僅實驗硬件對象由諸多小規模數字芯片變成了單獨的FPGA/CPLD芯片，實驗所需的輸入輸出條件與“數電”實驗基本相同，完全可以在前期“數電”實驗全方位成功開放的基礎上，借助于現有的“數電”實驗平臺，把“EDA”實驗也從傳統實驗室中解放出來。

我們在原有的自制實驗箱上，通過增加FPGA擴展板的方法升級實驗箱，把“EDA”設計手段“嫁接”到傳統的“數電”實驗平臺上來。這樣，原本“數電”實驗箱具備的高低電平信號、脈沖信號等同樣可以給“EDA”實驗提供所需的輸入條件；各個“EDA”實驗的結果也同樣可以用實驗箱上的各種發光、發聲器件“顯而易見”地展現出來。

傳統實驗手段具備方便直觀的輸入、輸出條件，但用傳統方法設計復雜電路則會遇到芯片數量多、接線麻煩、調試困難等瓶頸；而用現代自動化設計可輕易且靈活地實現復雜的電路功能，但需要外部提供輸入輸出條件才能完成實驗。本實驗平臺將現代自動化設計手段“嫁接”到現有的傳統實驗平臺上，兩者合二為一，真正做到了長短互補、珠聯璧合，取得了1+1>2的實際效果。學生在同一個小巧的實驗箱上，可以從在“數電”實驗中指揮十余個小芯片的“小班長”，一下上升到了在“EDA”實驗中指揮千軍萬馬的 “大將軍”。

三、配套措施

為適應“數電”與“EDA”的整合，我們采取了如下措施：

（一）精心設計實驗內容

我們把整個“數電”實驗的內容分成幾個模塊，每個模塊的任務靈活有變，分基本內容和拓展內容兩大部分，由簡單到復雜；學生根據自己的能力、興趣選擇實驗內容，從而實現了分層次教學。這樣做，既可以讓有能力的學生吃得飽，又不至于讓部分基礎差的學生因無法完成自主設計而產生抵觸。這種方式，為開放型實驗的成功實施提供了保障。

在實驗內容的組織上，結合實驗箱的功能，整體規劃、前后呼應。在實驗手法上，盡量求新、求好。如邏輯門的特性測試改用示波器的“X-Y”方式顯示，既一目了然，又方便用現代手段記錄實驗結果，同時也復習了示波器的用法。在實驗內容上，注意從現實應用中提取素材，提高學生參與興趣。如對觸發器的功能驗證，結合學生熟悉的競賽搶答器進行；計數器的實驗內容也與電子表的星期、日（月）歷結合起來。這些做法不僅提升了實際效果，而且也為后續的綜合性實驗、課程設計做了相應的鋪墊。

新增的“EDA”實驗，經過精心策劃組織，由淺入深、循序漸進。每個實驗均有重點，又前后呼應。所有內容均為依據實驗箱量身定制，既涵蓋了“EDA”教學的主要內容，又充分發揮了實驗箱的硬件作用，大大提升了實驗箱的使用效率。

（二）編寫詳盡的實驗指導

以相對熟悉的數電知識為起點，為整個“數電”及“EDA”實驗提供了詳盡的指導。尤其是“EDA”部分，從開發軟件的安裝到芯片的選擇、管腳的定位，以及所有實驗內容的各段代碼，都提供了詳細的實際范例。所有程序，都已實際運行通過，學生只要按照指導說明書，不但可以亦步亦趨的完成各種實驗，而且可以在完成各個實驗目標的過程中，學到現代電子設計的基本方法、步驟。

（三）合理配備實驗材料

我們根據實驗要求，精心選擇了20多個型號的傳統數電芯片配發給每個學生。由于芯片的邏輯功能在一定條件下可以互相代用，因此這些芯片只要合理使用，足以覆蓋全部實驗內容，且可設計出不同的電路方案。

（四）項目式的實驗模式

每個實驗設計了直觀的結果，并追求所謂“快速穿越”，即用盡可能少的步驟盡快看到最終實驗結果，以提升學生參與設計的興趣；凡可介紹可不介紹的知識點，都留到后續實驗中去完成（比如有意把仿真推后）；每個實驗都有新增的知識點，又有意調用前面實驗的內容，并結合實驗內容講解關鍵語句。這樣通過前后呼應，不斷迎新、重復，最終實現初步了解EDA設計技術的目標。

（五）開放式的實驗管理

我們采取“教師指定實驗內容，學生自主實現”的辦法，取消了實驗指導書，改為下達實驗任務書。“組合邏輯”、“時序邏輯”等重點實驗內容全部是自主設計的，不提供現成的電路，學生必須自己研究、設計方能完成實驗。其他的實驗，包括綜合性實驗都包含學生參與設計的內容。由于實驗箱是配發給學生的，學生可以在任何時間、任何場地自主完成實驗內容。在進實驗室之前，學生可以借助網絡，把設計仿真文件上傳至老師，并就遇到的問題請教老師；老師也可及時了解學生的進展，修改學生的設計，保證實驗的成效。因此，我們通常真正進實驗室“做”實驗時，學生都已根據自己的能力及興趣選擇并完成了實驗內容，老師只是逐個檢查學生完成情況而已。

（六）引入良性競爭機制

全開放模式的實驗，因每個學生自己設計的電路不同，肯定有好壞之分，而爭強好勝是年輕學生的本性。據此，我們引入了競爭機制，在一些關鍵環節，先提出一種電路方案，要求學生進行改良，進而在學生提出的方案中評選最佳。學生有了具體的目標，興趣大增，同學之間也會有比拼。這樣，學生不僅開闊了思路，也借機真正搞清了什么是最優設計，達到了事半功倍的效果，同時也為日后參與社會競爭做了鋪墊。

我們還通過舉辦“數字電路設計大賽”的方式，活躍了學習氣氛，促進了學生的良性競爭。

四、實際成效

經過升級的實驗平臺，兼顧傳統手工設計方式和現代設計方式，可以完成數十種“數電”及“EDA”實驗；實驗箱同樣采用積木式結構，體積小巧、功能齊全、使用簡單、維護方便。兩年來多個班級實際使用的效果表明，該實驗箱完全可以同時滿足這兩門課的實驗需求，在課程設計甚至畢業設計中也可發揮作用，真正做到了“好用”“ 夠用”“ 實用”。其亮點為：

（1）極大地拓寬了實驗內容

所有實驗不受傳統意義上的芯片類型、數量的限制，所能實現的功能也將大大提升。

（2）解放了學生的手腳

學生可以把原先大量用于接線、調試的時間、精力，轉移到“隨心所欲”地在電腦上構建新的創意上，在此過程中可以激發出更多的靈感，進而培養其創新的精神。

（3）充分挖掘了數電實驗箱的“潛能”

在幾乎不增加學校財政負擔的情況下，進一步拓展了實驗室的時空，把全方位的實驗方式從“數電”延伸到了“EDA”。

為了檢查實驗改革的實際成效，我們在課程結束時，連續4次面向學生進行了問卷調查。調查結果統計表明，學生普遍認為實驗改革對提高動手能力有很大幫助，對此絕大多數學生的整體評價很好，實驗改革得到了學生的普遍認可。在學校組織的“課堂教學質量評價”中，每屆學生都對相關課程給予了很高評價，在全院眾多課程的得分排名中，一直名列前茅；由學校資深教授組成的教學督導老師也多次隨訪聽課，也都給予了很高的評價。

經歷了“數電”及“EDA”等課程自主創新性的實驗后，許多學生對電子技術產生了濃厚的興趣，不少學生對本專業從最初的“排斥、懷疑”轉變成了后來的“接受、喜愛”。許多人報名參加了創新小組，在課余時間結合小的課題，繼續開展有針對性的學習活動。這些學生的舉措，在目前高校學風普遍不盡如人意的現實環境下，猶如一股清風，有效地提升了學校的學習氛圍。

五、結束語

實踐教學是一個廣闊而肥沃的育人天地，只要構建并實施了正確的實驗教學體系和培養模式，堅持不懈地進行探索、研究，不斷提高實踐教學質量，就一定能大大提升課堂教學效果，同時在培養學生實踐能力和創新能力方面發揮重要作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 潘松，陳龍，黃繼業.數字電子技術基礎（第二版）[M].北京：科學出版社，2014.

[2] 楊杰，楊雷，林盛鑫.“數字電子技術”開放式實驗的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2009（31）：160-162.

[3] 出王瑋.EDA技術基礎課程教學研究[J].教育教學（數理化生），2017（7）.

[4] 馮松，宋立勛，李連碧，等.EDA課程的教學方法研究[J].教育理論研究，2017（5）.

[5] 楊冬濤，黃杰賢，劉燕.EDA技術在數字電路實驗中的應用[J].實驗技術，2017（2）.

[責任編輯：鐘 嵐]