基于CDIO理念的項目貫穿式EDA課程教學改革方法研究

張世華

（浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州）

一 引言

EDA技術是電子設計自動化(Electronic Design Automation)技術的簡稱，是指以計算機為工具進行電子產品的設計，是電子設計與制造技術發展的核心。隨著計算機、集成電路等技術的發展，EDA技術主要經歷了三個階段。第一階段為計算機輔助設計（CAD）階段，用計算機進行IC版圖布局布線，取代傳統手工操作；第二階段為計算機輔助工程（CAE）階段，以計算機仿真和自動布線為核心，通過電氣連接網絡表將圖形繪制和電路功能及結構設計結合在一起，實現工程設計；第三階段為EDA階段，以高級語言描述和系統級仿真為特征，完成整個電子設計過程的自動化[1]。支持硬件描述語言的EDA工具（如Altera公司的Quartus II，xilinx公司的ISE和Vivado等）的出現，推動了復雜數字系統設計的自動化，通過現場可編程門陣列（FPGA）或復雜可編程邏輯器件（CPLD），可根據需要設計出專用集成電路[2-3]。總之，EDA技術已成為電子產品開發研制的源動力，掌握EDA技術已成為電氣、測控等專業大學生的基本需求，這對高校EDA課程的教學提出了更高的要求。

二 EDA課程的教學現狀

EDA課程是一門理論性與實踐性相結合的綜合課程，是對《模擬/數字電子技術基礎》《單片機原理》《電路原理》等先修課程的綜合實踐和應用[4]，對學生動手能力和創新能力的提升至關重要，但該課程的傳統教學中，普遍存在以下幾個問題：

（1）重理論，輕實踐。在多數高校的 EDA課程教學中，學生對該課程的認識大多停留在硬件描述語言（VHDL）和軟件開發環境的學習層面，教師在課堂上注重講授VHDL語言的語法結構等，不能將EDA代碼的設計與實際問題相結合，實驗課時多為EDA代碼的仿真調試，對EDA硬件設備的了解和使用不夠深入。這種課程教學方式的弊端較為顯著：一是學習內容較為枯燥，難以調動學生的學習積極性；二是不能將理論知識學以致用，學生學過理論之后沒有動手鍛煉，教學成效較差；三是實驗內容和手段與實際需求和當代發展脫節，不利于學生創新能力的培養。

（2）重專業知識，輕行業背景。高校的EDA課程一般從可編程邏輯器件和數字電路仿真等專業知識切入，容易成為《數字電子技術基礎》課程的簡單延續，或成為一種語言和一種開發工具軟件的學習課程，導致學生對EDA課程的研究范疇以及EDA技術在現代電子工程領域的重要性認知不夠，不清楚EDA技術的發展歷史、EDA技術具體應用在電子產業中的哪個環節，以及該課程所涉及的知識在EDA技術中的地位和作用。作為一名在校大學生，把握專業課程的行業背景和市場需求與學習專業知識同樣重要。EDA課程中帶領學生深入了解行業背景，一方面可以開闊學生的視野，避免所學專業知識與行業發展的脫節；另一方面，職業發展需求是學生學習的最好動力。

（3）重軟件學習，輕知識融合。EDA課程的實驗課時局限于根據老師的實驗指導書完成代碼的調試和編程環境等軟件工具的學習，對應用實例和代碼的功能分析不透徹，難以做到與《模擬/數字電子技術基礎》《單片機原理》《電路原理》等先修課程所學知識的融會貫通，難以建立知識體系，嚴重降低了課程的產出。

三 CDIO理念下項目貫穿式EDA課程教學改革

基于此，本文針對目前EDA課程教學中存在的主要問題，結合CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即構思-設計-實施-運作）工程教育理念，提出基于項目式教學的EDA課程教學改革方法，用項目貫穿教學內容，在項目任務驅動下培養學生的自主學習和探索能力、創新精神以及團隊合作意識。

CDIO工程教育模式讓學生以主動的、 實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，以培養學生的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面的能力為目標[5-7]，倡導“以學生為中心”和“以產出為導向”并持續改進[8]，可有效解決我國現行工程教育模式中教育學術化、課程設置缺乏系統性、工程教育發展滯后于工業產業發展等問題。如圖1所示，筆者從教學模式、教學內容和考核方式三個方面探索基于CDIO理念的項目貫穿式EDA課程教學改革方法。

圖1 基于CDIO理念的項目貫穿式EDA課程教學改革

（1）教學模式從“以教師為中心”轉變為“以學生為主體，以教師為主導”。初中、高中階段長期的“應試教育”使得學生習慣于依賴教師和教材，被動接受教師講授的內容，以考試為目的進行學習，缺乏自主學習能力，嚴重影響了教學效果，禁錮了學生創新能力的發展。教師的教是為了學生的學，學生才是學習的主體，教師的教學效果是以學生的產出為考核標準的。項目貫穿式EDA課程教學改革，首先是發揮教師在教學目標掌控、調動和激發學生學習積極性、課堂調控和組織等方面的主導作用。課程內容以介紹項目實例的應用背景及功能導入，項目主題的選擇可結合當代研究熱點并具有一定的趣味性，激起學生的好奇心和求知欲望，把學生帶入到項目情景中，讓學生自己主動提出問題，并引導學生自己去解決問題，讓學生從“要我學”轉變為“我要學”。“以學生為主體，以教師為主導”的教學模式中，教師從課堂的中心轉變為學生的引路人，引導學生按照項目任務自發查閱資料、克服問題，培養學生的探索精神和自主學習能力。

（2）教學內容從“以教材為中心”轉變為“以項目為主導”，將教學內容有機融合至項目中。EDA課程教學中項目的選擇的除了要有探索性和趣味性，最主要的是要以教學內容為依據，項目設計根據教學內容由簡單到綜合，讓學生在項目任務的驅動下，從電路設計、軟件編程、硬件實現、綜合調試等各個方面得到全面的鍛煉，通過項目任務實現電子技術基礎和電路原理等先修課程的知識融合和應用，將所學知識“連成線、構成面”，更具有系統性。通過項目設計，將新的教學內容融合至項目中，而完成項目任務不僅是對新知識的學習，更是對舊知識的鞏固，通過一個個項目實例，將所學課程作縱向融合，逐漸建立完備的專業知識體系。

（3）教學考核方式從試卷筆試轉變為以項目考核制。EDA技術作為實踐課程，能力的提升依賴于平時的積累，所以過程考核與期末考核同樣重要。根據課程內容分階段布置大作業（3～4次），大作業以項目的形式布置，要求學生獨立完成，成績占比為60%，在項目完成的過程中，不僅考核學生對所學內容的掌握程度，每個項目都會設計行業背景調研、文獻搜索、方案設計、電路原理分析、文本撰寫等，資料查閱方式完全開放，可借助互聯網、請教師長等，有助于提高學生的基本科研素養以及分析問題和解決問題的能力。期末考核的項目為綜合創新型項目，成績占比為40%，每個項目自行組建3～4位項目組員，共同完成項目。每個小組選一名組長，協調分配項目內容，每組根據項目主題撰寫一份詳細的課程報告，包括每個組員的分工和貢獻，以及項目的研究背景、應用領域、研究現狀、研究方案、實驗設計、實驗結果、遇到的問題等，考核學生的創新能力、溝通能力和團隊精神，將課程學習和工程職業訓練融合在一起，這也是CDIO教育模式的考核標準之一。

四 EDA課程教學質量評估和持續改進

筆者提出的項目貫穿式EDA課程教學改革從教學模式、教學內容和教學考核方式三大方面依據CDIO工程教育理念進行改革，為了EDA課程教學的持續改進，通過課程目標達成度對課程教學質量進行評估。EDA作為綜合實踐類課程，其課程目標對測控技術與儀器專業學生畢業目標的支撐關系見表1。

表1 EDA課程目標對測控技術與儀器專業學生畢業目標的支撐關系

每學期課程結束后，根據學生平時作業（獨立訓練項目）和期末測試（綜合創新型項目）的完成情況，分析每個課程目標的達成度，針對培養目標和課程教學目標進行不斷優化和完善EDA課程教學，建立完善的課程量評估體系，定期開展畢業生回訪，根據電子技術發展和市場的人才需求對EDA課程教學進行持續改進。

五 結語

基于CDIO理念的項目貫穿式EDA課程教學方法圍繞實際的項目開展實踐教學，項目貫穿課程導入、課程內容、課程考核整個教學過程，讓學生在完成一個個具體項目的過程中掌握新知識、鞏固舊知識，以一個個項目任務引導并驅動學生自主完成項目，參與項目產品的構思、設計、實施和運行的每個環節，真正做到“以學生為中心”，可有效培養學生的自主學習能力、創新能力和團隊合作精神，對于高等工程人才的培養具有重要的推廣價值。