基于PBL的《數字集成電路設計》實驗教學

【關鍵詞】PBL；兩性一度；數字集成電路；交通燈電路系統

引言

當今，集成電路產業已成為能否掌握大國競爭主動權的核心因素。2018年以來多個領域被卡脖子，而集成電路技術自主創新就是其中亟待解決的問題。我校的電子專業是國家一流本科專業建設點，《數字集成電路設計》課程旨在提高學生的集成電路知識水平和動手能力。該課程實驗教學主要存在兩方面的問題。①學習興趣低。電子專業的生源中調劑生和專升本學生人數過半，使得總體上學生對該課程的興趣較低。②實驗內容未緊密結合生活。實驗選自實驗箱的指導書，各次實驗安排缺乏系統性，知識點的覆蓋面較窄，使得學習效果不理想，就業時極少數學生從事數字前端的工作。

本文結合學生生活環境中的問題，圍繞基于FPGA（現場可編程邏輯門陣列）的智能交通燈電路系統設計開展問題導向學習（PBL），根據“兩性一度”標準規劃實驗框架，合理劃分各次實驗內容和學時，教學過程中采用線上線下教學模式提升教學效果。

一、交通燈電路系統簡介

交通燈電路系統由控制模塊、數位分離模塊、十位顯示驅動模塊和個位顯示驅動模塊組成，如圖1所示。電路的輸入端包括時鐘信號clk、復位信號rst、夜間模式控制信號night、紅燈等待時間調控信號swr和綠燈等待時間調控信號swg。其輸出端包括紅綠黃三個交通信號燈R、G和Y，時間十位顯示drl和時間個位顯示dr0。控制模塊在clk的驅動下，如果night是高電平，則黃燈Y每隔0.5秒閃爍一次，其他輸出端一律清零，該系統進入夜間模式。否則，系統進入正常工作模式。此時，R、G和Y按照等待時間長短交替地亮滅，而等待時間可以根據車輛傳感器組的輸出實時自適應調控。與此同時，數位分離模塊和顯示驅動模塊協同工作，實現等待時間倒計時的顯示。

二、教學方法

（一）結合生活環境中的問題開展教學設計

遵義師范學院地處人少路多的新建城區，道路資源時常出現閑置浪費情況。如圖2，南北方向上等待的車輛很多，卻是紅燈，而東西方向上無車輛等待，卻是綠燈。針對這一問題，在教學中提出了一種等待時間可調控的智能交通燈電路系統。該電路系統能夠根據輸入信號的控制，實現多種不同的紅綠燈等待時間組合，為實現自適應時間可調的交通燈做好電路設計的準備。該電路系統不僅能夠實現傳統的交通燈按規則亮滅和數碼顯示等待時間功能，而且還能根據傳感器組采集的車輛數量實時調整紅燈和綠燈的等待時間。

為了實現上述功能并培養學生的電路設計能力，輸入端增加4個端口swr、swg，作為時間調控功能，通過傳感器組采集路口的車輛數量信息，并且在時間等待狀態中添加相應的代碼，實現這4個輸入信號對紅燈及綠燈等待時間的有效控制。該實驗將電路設計知識與生活實際相結合，在提升學生動手能力的同時解決生活環境中的問題。

（二）按照“兩性一度”標準規劃實驗框架

高階性、創新性、挑戰度是當前國際教育界比較關注的教育理念，它們強調的是在教學過程中注重學生的高階思維、創新能力和挑戰精神的培養。如圖3所示，課程充分考慮“兩性一度”標準規劃實驗教學。①高階性。課程結合地方發展實際問題開展智能交通燈數字集成電路系統的實驗教學，通過培養學生團隊合作思維、排除法思維和模塊劃分思維體現高階性。②創新性。指導學生掌握數字集成電路前端的開發環境和硬件驗證，采用線上線下教學模式和問題導向教學法，將地方發展實際問題融入實驗教學。③挑戰度。教師的備課和學生的學習都具備挑戰性，旨在應用所學知識解決生活環境中的實際問題。

（三）根據模塊化特征劃分實驗內容和學時

該實驗案例教學包含6個實驗和1個隨堂考察。主體部分是5個實驗，其中有2個屬于組合邏輯電路，1個屬于時序邏輯電路，其余2個為混合邏輯。實驗內容和學時的劃分有以下幾個特征：①實驗內容相互獨立。6次實驗在教學內容上有明確的區分度，實驗1搭建工作環境，實驗2-4分別實現三個獨立的功能模塊，實驗5將各個模塊搭建成電路系統，實驗6圍繞地方發展問題進行電路設計。②難度層次遞進。實驗2-3是簡單的組合邏輯電路，實驗4是難度稍大的時序邏輯電路，實驗5是較難的混合邏輯電路系統，實驗6需要解決生活中的實際問題，是難度更大的綜合性電路系統。⑧知識覆蓋全面。該電路系統的實現涵蓋了軟件套件的安裝、電路綜合及仿真、FPGA燒錄及硬件驗證等。該電路系統涉及的Verilog知識點包括常量和變量、各種常用語句、狀態機、組合邏輯、時序邏輯、模塊化集成電路設計等等。④形成教學合力。實驗5將前面各次實驗完成的電路模塊組成一個電路系統，實驗6是實驗5的強化教學。這兩次實驗將前幾次實驗的結果凝聚成一個具備實用功能的電路系統，形成了教學合力。

（四）線上線下混合教學模式

除了大綱、教案、PPT、電腦、FPGA開發板、實驗手冊等傳統的教學資源，該課程的線上線下教學資源主要有兩個亮點。①實驗演示視頻。將繁瑣的操作流程演示制作成視頻，包括工程的建立、電路設計和編譯、仿真、模塊生成、電路系統搭建、管腳綁定、FPGA硬件連接、USB bluster的安裝、電路燒錄和FPGA操作等。②科研中設計的數字集成電路。在教學中，筆者十分重視科研與教學的結合，并積累了大量數字集成電路設計和仿真的知識和技巧。在理論教學中經常使用科研中設計的數字集成電路進行舉例，在實驗教學中應用積累的經驗幫助學生解決實際問題。

三、教學效果

（一）教學目標達成

本門課程的目標1涉及理論知識的學習，主要通過課堂教學達成。課程目標2涉及實驗操作的掌握，主要通過實驗教學達成。課程目標3涉及職業規范，主要通過理論和實驗教學中的言傳身教達成。以2019級電子本科班的教學為例，課程目標1、2和3的達成度分別是0.725、0.763和0.92280課程目標3的達成度高達0.9228，說明大多數學生的考勤和作業認真，學習態度端正。課程目標1和2的達成度中偏上。其中，課程目標2用于評估學生的實驗操作能力，課程目標達成度為0.763，說明該門課程較好地達到了實驗教學的目標。

（二）創新創業意識和能力的提升

近年來，多名學生獲得國家和省級大創項目，筆者指導學生獲得貴州省電子設計大賽一等獎1項、二等獎1項，三等獎2項，獲得中國電子學會大學生智能硬件設計大賽西部賽區三等獎1項。以該門課程的內容為教學載體，教師獲得中國電子學實驗教學案例設計競賽三等獎1項，貴州省電工學研究會電工學課程教學競賽二等獎1項，校青年教師教學比賽三等獎1項。

（三）就業觀念的轉變

以往我校電子專業的相當一部分學生在就業上傾向于事業單位和公務員招考。然而，這些崗位競爭大，使得就業難。該課程讓學生充分認識到數字集成電路的價值并掌握相關能力。近年來，學生的就業觀念逐步轉變，大多數學生不再對集成電路相關的就業抱有畏難情緒。其中，一部分畢業生成功考取該專業的研究生，一部分畢業生到發達地區集成電路公司就業。此外，很多在讀學生積極參加FPGA技術培訓和集成電路版圖培訓，為即將面臨的就業做準備。

結論

本文以《數字集成電路設計》課程中結合交通燈電路系統開展PBL教學。課程以“兩性一度”標準規劃實驗教學框架，結合模塊化數字集成電路系統的特征劃分實驗內容和學時，靈活地結合地方發展問題進行教學設計，在教學過程中充分發揮了線上線下混合教學模式的優點。上述教學方法較好地達成了教學目標，學生和教師在相關比賽中獲得獎勵，學生就業觀念得到轉變。