基于云教學(xué)的EDA在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與實(shí)踐

摘" 要" 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，云教學(xué)在教育領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中，專業(yè)EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）已經(jīng)成為必不可少的工具，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生往往難以充分掌握專業(yè)EDA的使用技巧，從而降低了單片機(jī)課程的教學(xué)效果。將云教學(xué)應(yīng)用于單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中，并引入帶有云平臺(tái)的EDA軟件，形成嵌入云教學(xué)的課程教學(xué)方案，并在實(shí)踐中探索和發(fā)現(xiàn)課程存在的問題，通過教學(xué)改革、課程設(shè)計(jì)、教學(xué)效果評(píng)估等方式解決這些問題。這種教學(xué)改革模式不僅可以為單片機(jī)課程設(shè)計(jì)提供有力的支持，還可以發(fā)揮這門課程在本科專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的核心支撐作用。

關(guān)鍵詞" 云教學(xué)；單片機(jī)課程設(shè)計(jì)；EDA

中圖分類號(hào)：G642.0" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）05-00-03

0" 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，云教學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)前教育領(lǐng)域中的熱點(diǎn)話題。信息化教學(xué)背景下，慕課、SPOC、學(xué)習(xí)通等信息化教學(xué)平臺(tái)源源不斷涌現(xiàn)，教學(xué)模式也發(fā)生轉(zhuǎn)變，云教學(xué)正在驅(qū)動(dòng)教育與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，將顛覆傳統(tǒng)教學(xué)模式，高校的人才培養(yǎng)模式也將發(fā)生變革，高校在互聯(lián)網(wǎng)背景下所培養(yǎng)的將不再僅僅是具備專業(yè)知識(shí)和技能的人才，而是具有自主探索能力，能夠提出問題、分析問題和擁有解決問題能力的綜合型人才。

在《中國制造2025》背景下，要培養(yǎng)復(fù)合型技能人才，實(shí)踐類課程的課程目標(biāo)和考核方案都要進(jìn)行優(yōu)化改革，以滿足高校培養(yǎng)高質(zhì)量的綜合實(shí)踐型、高素質(zhì)技能創(chuàng)新型人才的需求[1]。

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中嵌入云教學(xué)，既可以豐富課程方式的多樣性，為學(xué)生提供更加靈活的學(xué)習(xí)方式，也可以增加學(xué)生和教師的互動(dòng)，貫徹以“學(xué)生為中心”的教學(xué)方針，提高課程的教學(xué)效率和教學(xué)成效。

云教學(xué)模式區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生可以在任何地方進(jìn)行學(xué)習(xí)，而不是局限在教室中，課堂時(shí)間可以更多地留給理論性的課程內(nèi)容，該教學(xué)形式將更好地適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)背景，讓學(xué)生以更靈活的方式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)[2]。

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是電氣類專業(yè)課程的一門重要的實(shí)踐課程，課程中學(xué)生要了解和熟悉單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作的整個(gè)流程，包括項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、PCB（電路板）設(shè)計(jì)、元件采購、焊接、調(diào)試等內(nèi)容。但在傳統(tǒng)教學(xué)中，實(shí)際上不能做到每一個(gè)環(huán)節(jié)都要求學(xué)生完成并進(jìn)行考核，特別是電路原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)部分的教學(xué)效果不太理想。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Auto-mation， EDA）是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效的工具。在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中引入帶有云平臺(tái)的EDA軟件，形成嵌入云教學(xué)的教學(xué)方案，EDA是一個(gè)系統(tǒng)的項(xiàng)目管理與設(shè)計(jì)平臺(tái)，將學(xué)生引入工程實(shí)境之中，通過師生、生生之間的多向互動(dòng)，促使學(xué)生思索和理解問題的復(fù)雜性和多樣性，提高解決復(fù)雜工程問題的能力[3]。

因此，研究基于云教學(xué)的EDA在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與實(shí)踐，具有十分重要的意義。通過應(yīng)用和實(shí)踐，可以探索出基于云教學(xué)的EDA在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，有助于提高單片機(jī)課程的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[4]。

1" 目前單片機(jī)課程設(shè)計(jì)存在的問題

1.1" 學(xué)生與教師沒有實(shí)時(shí)溝通平臺(tái)

電子科技大學(xué)中山學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐場(chǎng)所是一個(gè)開放性的實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行組裝焊接操作，沒有連接電腦、安排軟件設(shè)計(jì)任務(wù)等。學(xué)生需要課后在個(gè)人電腦上完成電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等任務(wù)，然后在指導(dǎo)老師規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提交，再由學(xué)委將班級(jí)學(xué)生完成的作品收集打包后發(fā)到指導(dǎo)老師郵箱，指導(dǎo)老師下載后再進(jìn)行評(píng)閱評(píng)分。

因此，學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中如果發(fā)現(xiàn)問題，并沒有一個(gè)及時(shí)有效的途徑與指導(dǎo)老師溝通咨詢，一些問題得不到及時(shí)的解決，到最后課程結(jié)束進(jìn)行答辯時(shí)還是沒有解決，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。這種教學(xué)方式只能對(duì)學(xué)生的基本技能進(jìn)行考核，在提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面有所欠缺。

1.2" 學(xué)生使用萬用板來制作電路板

雖然EDA已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)必不可少的工具，但在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生往往難以充分掌握專業(yè)EDA的使用技巧，課程中的電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等任務(wù)對(duì)學(xué)生來說難度較高，容易影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果和進(jìn)度。很多學(xué)生在遇到困難后放棄PCB設(shè)計(jì)的任務(wù)，選擇使用萬用板來制作電路板，這種方案更便捷和容易，對(duì)于元件數(shù)較少的小項(xiàng)目影響不大，但是隨著元件數(shù)的增加，做出的電路板飛線較多，往往會(huì)出現(xiàn)布局混亂的情況，一些接點(diǎn)還容易出現(xiàn)接觸不良的情況，當(dāng)發(fā)生硬件故障時(shí)，也不容易通過線路尋找故障點(diǎn)。

此外，萬用板的尺寸單一、元件布局混亂、飛線橫飛，作品的外觀比較粗獷、不美觀。

1.3" 學(xué)生在學(xué)習(xí)中缺乏主觀能動(dòng)性

為了減少項(xiàng)目成本，各班級(jí)常常會(huì)統(tǒng)一大批量采購元器件，每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案里使用的是相同規(guī)格的元器件，在項(xiàng)目完成的過程中只需要將這些元器件根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖在萬用板上進(jìn)行布局和連接。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的過程相對(duì)比較被動(dòng)，也沒有動(dòng)力去主動(dòng)了解每個(gè)元器件的規(guī)格參數(shù)、封裝形式、外觀和尺寸數(shù)據(jù)等，更不會(huì)去了解這些元器件的主要生產(chǎn)廠家、合格率、價(jià)格等。

學(xué)生在完成項(xiàng)目后依然對(duì)常用的電子元件的生產(chǎn)廠家、外觀、參數(shù)、尺寸、規(guī)格等信息缺乏了解，而這些正是項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程里必不可少的一部分。

1.4" 教師評(píng)閱評(píng)分效率低

一般一個(gè)班級(jí)人數(shù)超過100人，當(dāng)指導(dǎo)老師需要對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)文檔進(jìn)行評(píng)分時(shí)，需要每一位學(xué)生各自將文檔發(fā)送到指導(dǎo)老師的郵箱里，由指導(dǎo)老師統(tǒng)一下載、整理、再進(jìn)行批改，或者由班委統(tǒng)一收集電子文檔到U盤，按學(xué)號(hào)整理后再拷貝給指導(dǎo)老師，這兩種方式都會(huì)產(chǎn)生較大的工作量。教師在給每一位學(xué)生的設(shè)計(jì)文檔進(jìn)行評(píng)分時(shí)，由于學(xué)生使用的EDA設(shè)計(jì)軟件不同，教師需要重復(fù)打開不同的設(shè)計(jì)軟件來閱讀文檔，其過程煩瑣、效率低、耗時(shí)長(zhǎng)。如果有學(xué)生在教師收集文檔之后又對(duì)自己的文檔進(jìn)行了修改，教師就無法再進(jìn)行評(píng)閱評(píng)分，不能給予學(xué)生更好的評(píng)價(jià)指導(dǎo)。

另外，大部分學(xué)生在提交了文檔之后，就不會(huì)對(duì)自己的設(shè)計(jì)文檔再進(jìn)行優(yōu)化，因此，并不能有效地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我提升。

2" 基于云教學(xué)的EDA在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中

的應(yīng)用

2.1" 在教學(xué)中引入帶云平臺(tái)的EDA軟件

在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生使用指導(dǎo)老師選擇的帶有云平臺(tái)的EDA軟件，建立交流群，增強(qiáng)課程外師生交流[5]。

這個(gè)軟件不需要安裝，學(xué)生可以直接在瀏覽器里登錄官網(wǎng)，在網(wǎng)頁界面進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。指導(dǎo)老師提前在云平臺(tái)里建立相應(yīng)的班級(jí)。學(xué)生可以通過二維碼或邀請(qǐng)鏈接進(jìn)入各自的班級(jí)，只要在云平臺(tái)的班級(jí)里建立工程項(xiàng)目并命名，指導(dǎo)老師就可以隨時(shí)查看。指導(dǎo)老師加入學(xué)生班級(jí)群，學(xué)生只需要在群里提出問題，指導(dǎo)老師可以實(shí)時(shí)在平臺(tái)查看這位學(xué)生的設(shè)計(jì)文檔并給出指導(dǎo)意見。

2.2" 增加模擬采購元件任務(wù)

為了加深學(xué)生對(duì)元件的設(shè)計(jì)參數(shù)、廠家和價(jià)格的了解，指導(dǎo)老師選擇的EDA設(shè)計(jì)軟件有配套的元件商城，學(xué)生可以在商城里搜到市面上常用元器件的型號(hào)、產(chǎn)品編號(hào)、外觀圖、參數(shù)、說明書、供應(yīng)商以及價(jià)格等信息。

學(xué)生通過元件商場(chǎng)很容易找到一個(gè)元件的相關(guān)信息，為了完成一個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生需要將指導(dǎo)老師提供的每一種元件都在商場(chǎng)里找到，并把元件的各種信息匯聚在一份元件清單Excel表格里，表格里面包含每一個(gè)元件的基本信息，整個(gè)項(xiàng)目作品的元件材料成本統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

通過這一項(xiàng)任務(wù)，學(xué)生不僅可以了解到教師提供的那幾種元件，還會(huì)搜索到同類的其他元件信息，包括不同尺寸、不同封裝、不同廠家，不同價(jià)格的元件等。這項(xiàng)任務(wù)可以豐富學(xué)生在元器件方面的知識(shí)面，讓他們以后做其他單片機(jī)項(xiàng)目，在進(jìn)行元器件方案選擇的時(shí)候，除了有更多的選擇可能性，還能給出性能以及性價(jià)比更高的單片機(jī)項(xiàng)目方案。培養(yǎng)出擁有發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力的實(shí)用、實(shí)踐型人才。

2.3" 提高學(xué)生設(shè)計(jì)PCB電路的積極性

在課程中，當(dāng)學(xué)生已經(jīng)通過元件商城查找并記錄每個(gè)元器件的編號(hào)，在電路原理圖設(shè)計(jì)過程中，只要導(dǎo)入對(duì)應(yīng)編號(hào)的元器件，就能設(shè)計(jì)出原理圖，然后使用軟件自帶的原理圖轉(zhuǎn)換PCB圖的功能，實(shí)現(xiàn)一鍵轉(zhuǎn)換。

學(xué)生得到的PCB圖里的元件尺寸和實(shí)際元件的尺寸一致，再將連接線進(jìn)行整理，就能自主設(shè)計(jì)出PCB圖，生成Gerber文件，交由軟件公司代制版，成功率很高，而且每個(gè)學(xué)生賬戶每月有兩次免費(fèi)制作電路板的機(jī)會(huì)。

在課程評(píng)價(jià)上，教師對(duì)于學(xué)生親自設(shè)計(jì)制作的電路板，在評(píng)分上會(huì)有額外加分。這些都極大地激發(fā)了學(xué)生制版的興趣，使更多學(xué)生愿意設(shè)計(jì)制作電路板來完成單片機(jī)項(xiàng)目。通過這個(gè)過程，學(xué)生也會(huì)累積PCB電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提升學(xué)生制版的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和能力。

2.4" 提升教師評(píng)閱評(píng)分效率

教師可以通過EDA軟件對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)分，統(tǒng)一導(dǎo)出學(xué)生設(shè)計(jì)文檔和成績(jī)，簡(jiǎn)化工作步驟，提升效率。

指導(dǎo)老師使用EDA軟件時(shí)，除了可以通過云平臺(tái)查看每一位學(xué)生的工程項(xiàng)目文檔之外，還可以直接在平臺(tái)里給學(xué)生的工程項(xiàng)目文件進(jìn)行評(píng)分，簡(jiǎn)化了收集工程項(xiàng)目文檔的過程。

另外，指導(dǎo)老師可以直接在瀏覽器里查看每一位學(xué)生的工程文檔，不需要重復(fù)打開類似軟件的文檔，提高了教師評(píng)分的效率，可以讓教師有更多的時(shí)間關(guān)注學(xué)生工程文件的細(xì)節(jié)，給予學(xué)生更全面的評(píng)價(jià)。

3" 教學(xué)改革成效

這項(xiàng)教學(xué)改革項(xiàng)目從2018級(jí)電氣班開始實(shí)施至今，期間課程方案不斷優(yōu)化更新，并多次根據(jù)教學(xué)的具體情況及學(xué)生的反饋來調(diào)整教學(xué)方案的

細(xì)節(jié)。

秉承以學(xué)生為中心的理念，通過細(xì)化流程步驟，更好地引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)，讓學(xué)生少走彎路。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目改革以來，最初只有11位學(xué)生提交定制電路板的作品，到最近一個(gè)學(xué)年，有157位學(xué)生提交了定制電路板的作品，選擇制作電路板作品的學(xué)生數(shù)量不斷增加，如表1所示。

4" 結(jié)束語

本課程以培養(yǎng)可以運(yùn)行和管理單片機(jī)項(xiàng)目的綜合實(shí)踐創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，引入帶有云平臺(tái)的EDA軟件，形成嵌入云教學(xué)的課程教學(xué)方案，完善培養(yǎng)學(xué)生能力的維度。通過實(shí)踐不斷地探索和創(chuàng)新，不僅使得學(xué)生從課程中學(xué)到更多的知識(shí)和技能，提高自身完成項(xiàng)目和管理項(xiàng)目的能力，也可以提高學(xué)生作品的質(zhì)量，收獲更高的評(píng)價(jià)。

5" 參考文獻(xiàn)

[1] 楊利國.基于移動(dòng)云課堂的信息化教學(xué)實(shí)踐研究：以高

職院校建筑施工類課程為例[J].中國教育技術(shù)裝備，

2021（10）：10-13.

[2] 陳亭志，程利民.基于資源共享平臺(tái)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

與建設(shè)[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，17（5）：39-43.

[3] 李玉照，吳翥.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA技術(shù)狀況與展望

[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（11）：246-247.

[4] 郭婧，劉義亭.EDA技術(shù)及應(yīng)用課程項(xiàng)目化教學(xué)案例分析

[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2021（13）：106-108.

[5] 曹一鵬，吳昊，毛艷娥.OBE理念下單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革

的探索與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2022（17）：128-

130，136.

*項(xiàng)目來源：電子科技大學(xué)中山學(xué)院校級(jí)高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“基于云教學(xué)的EDA在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的教學(xué)探索與實(shí)

踐”（項(xiàng)目編號(hào)：JY202103）；廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目“以O(shè)BE為導(dǎo)向的機(jī)電類專業(yè)機(jī)器人課程流建設(shè)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：SJY202102）；電子科技大學(xué)中山學(xué)院校級(jí)高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“《專業(yè)綜合創(chuàng)新實(shí)踐》課程中碳達(dá)峰碳中和理念的教學(xué)設(shè)計(jì)”（項(xiàng)目編號(hào)：JY202201）；電子科技大學(xué)中山學(xué)院2021年度在線開放課程建設(shè)項(xiàng)目“電氣控制與PLC”（項(xiàng)目編號(hào)：ZXKC202105）；廣東省教育廳質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目“機(jī)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”（編號(hào)：SZX202001）。

作者簡(jiǎn)介：余翼，講師。