梁曉琳 包本剛 張 丹

湖南科技學(xué)院 湖南永州 425100

國際上已經(jīng)把大規(guī)模集成電路(LSI)、超大規(guī)模集成電路(VLSI)、甚大規(guī)模集成電路(ULSI)技術(shù)稱之為“掌握世界的鑰匙”，誰掌握了它，誰就掌握了世界，作為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)競爭的焦點(diǎn)，擁有自主版權(quán)的集成電路已日益成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，社會進(jìn)步的基礎(chǔ)，國際競爭的籌碼和國家安全的保障。而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模集成電路的普及，EDA技術(shù)已成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)的主流技術(shù)[1]。因此，迫切要求擁有電子專業(yè)的高等院校大力培養(yǎng)學(xué)生在EDA技術(shù)領(lǐng)域里的開發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，以滿足社會對新一代人才的需求。傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在很多問題，不能滿足現(xiàn)代EDA技術(shù)的教學(xué)需求，達(dá)不到培養(yǎng)的目的。所以，EDA技術(shù)的教學(xué)改革迫在眉睫。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的主要問題

(1)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式以教師講解和實(shí)驗(yàn)演示為主，一般采取“明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹v解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容—實(shí)驗(yàn)演示操作”的步驟。教師講解過于詳細(xì)，學(xué)生得不到思考、討論和解決問題的空間，雖然按照EDA設(shè)計(jì)流程得到了相應(yīng)的仿真結(jié)果和硬件驗(yàn)證，但是不知其所以然，不利于下一步綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的開展。采用“滿堂灌”的教學(xué)方式和按部就班的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢W(xué)生做實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上只是將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一遍，起不到培養(yǎng)能力的效果。

(2)傳統(tǒng)的教學(xué)模式使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)，沒有產(chǎn)生互動效果。同時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排也不合理，通常只安排驗(yàn)證型和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生從驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目直接過渡到綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，往往不知所措，無法完成。

2 教學(xué)改革特點(diǎn)與優(yōu)勢

針對以上存在的問題，對EDA技術(shù)教學(xué)進(jìn)行改革。(1)將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有效地結(jié)合起來，形成互動機(jī)制，并發(fā)揮兩者優(yōu)勢[2]。(2)理論課的開展不能僅僅限于書本上的內(nèi)容，更不能照本宣科，應(yīng)該在理論教學(xué)期間穿插一些實(shí)踐應(yīng)用，以達(dá)到啟發(fā)學(xué)生將所學(xué)理論知識應(yīng)用于實(shí)踐的想象力和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的效果。(3)EDA技術(shù)是一門操作性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程[3]，對該課程的教學(xué)改革應(yīng)該在理論教學(xué)的同時(shí)開設(shè)與之同步的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要合理，并將傳統(tǒng)驗(yàn)證型和綜合設(shè)計(jì)型2個(gè)類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目調(diào)整為基礎(chǔ)型、擴(kuò)展型、綜合設(shè)計(jì)型3個(gè)類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其內(nèi)容和難度要層層推進(jìn)，并分層次逐步展開教學(xué)。在授課過程中要充分發(fā)揮啟發(fā)式和探討式教學(xué)優(yōu)勢，不斷鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)，并從設(shè)計(jì)過程中積累發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的經(jīng)驗(yàn)。

EDA技術(shù)教學(xué)改革的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)課堂理論教學(xué)穿插實(shí)例教學(xué)，學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的知識加以運(yùn)用，同時(shí)可以改變課堂枯燥、乏味和抽象的現(xiàn)狀；(2)能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生興趣，對課程學(xué)習(xí)充滿信心；(3)采用層層推進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、多層次化的教學(xué)節(jié)奏以及啟發(fā)式和探討式的教學(xué)模式，能有效培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)設(shè)計(jì)、獨(dú)立思考和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)改革的實(shí)踐應(yīng)用

筆者以計(jì)數(shù)器知識點(diǎn)的教學(xué)工作為例，談?wù)劷虒W(xué)改革的實(shí)踐應(yīng)用。根據(jù)改革措施將計(jì)數(shù)器知識點(diǎn)的教學(xué)工作分3個(gè)階段展開：由計(jì)數(shù)器知識點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生完成數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)，啟發(fā)學(xué)生完成數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，學(xué)生自主完成數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)

首先由計(jì)數(shù)器知識點(diǎn)引出它在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，然后根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性等級給出數(shù)字秒表設(shè)計(jì)、數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)和數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)3個(gè)任務(wù)。數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)在理論教學(xué)課堂上進(jìn)行，并由教師引導(dǎo)完成。

針對數(shù)字秒表特點(diǎn)，給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求：(1)有復(fù)位功能；(2)有正常的秒計(jì)數(shù)；(3)由數(shù)碼管顯示秒表計(jì)數(shù)過程；(4)采用動態(tài)掃描方式完成多位共陰極數(shù)碼管的顯示。整個(gè)設(shè)計(jì)過程由教師引導(dǎo)學(xué)生思考，完成系統(tǒng)功能分析、模塊劃分、代碼編寫和仿真驗(yàn)證。經(jīng)引導(dǎo)和交流，共同完成數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)，采用8421BCD碼進(jìn)行二進(jìn)制計(jì)數(shù)。

通過數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了計(jì)數(shù)器在生活中的應(yīng)用，掌握了數(shù)字秒表的計(jì)數(shù)和輸出顯示方法，并對電子電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟有了一定的了解。

3.2 數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)屬于第二階段的任務(wù)，該項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室完成，而且要在數(shù)字秒表設(shè)計(jì)任務(wù)完成時(shí)由教師啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，需要學(xué)生提前考慮以下4個(gè)問題：(1)數(shù)字時(shí)鐘與數(shù)字秒表的共同點(diǎn)；(2)數(shù)字時(shí)鐘的基本功能；(3)數(shù)碼管如何顯示和驅(qū)動；(4)如何在FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)硬件驗(yàn)證。

在該實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生積極思考，各抒己見，踴躍討論，在教師的引導(dǎo)下理清設(shè)計(jì)思路，而且運(yùn)用已學(xué)的知識，給出不同的設(shè)計(jì)方案。在模塊化設(shè)計(jì)上，有的學(xué)生利用例化語句完成了頂層設(shè)計(jì)，有的學(xué)生利用原理圖和代碼相結(jié)合的方法完成了頂層設(shè)計(jì)。最后，大部分學(xué)生完成了數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)和硬件驗(yàn)證，部分學(xué)生還給系統(tǒng)增加了一些擴(kuò)展功能，如整點(diǎn)報(bào)時(shí)、較時(shí)和鬧鐘等。

通過這個(gè)階段的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生掌握了多位計(jì)數(shù)器相連的設(shè)計(jì)方法、FPGA技術(shù)的層次化設(shè)計(jì)方法和元件例化的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)，只要教師把握好指導(dǎo)的尺度，啟發(fā)性和提示性的引導(dǎo)不但使學(xué)生記憶深刻，還能啟發(fā)他們的設(shè)計(jì)思路，鍛煉他們的發(fā)散思維和實(shí)踐動手能力[4]。

3.3 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

由于理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的課時(shí)有限，第三階段的任務(wù)是鼓勵學(xué)生利用課余時(shí)間去開放實(shí)驗(yàn)室完成數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。這個(gè)階段的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求應(yīng)該在第二階段任務(wù)完成之時(shí)給出。設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)8位十進(jìn)制的數(shù)字頻率計(jì)，被測信號從Clock-in(數(shù)字信號時(shí)鐘源)輸入，經(jīng)檢測后測得頻率值用1～8位的數(shù)碼管顯示。要求：兩人一組，協(xié)作完成。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)下達(dá)之后，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求去網(wǎng)上或圖書館查閱資料，了解相關(guān)信息，如層次化設(shè)計(jì)的概念和方法、頂層文件和底層文件的關(guān)系、元件端口和當(dāng)前系統(tǒng)端口關(guān)聯(lián)方式等。然后擬定設(shè)計(jì)思路，對數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行模塊劃分、代碼編寫、電路設(shè)計(jì)，利用實(shí)驗(yàn)室電腦和開發(fā)平臺對各個(gè)模塊和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和硬件驗(yàn)證。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，部分學(xué)生遇到了不少問題，他們通過與指導(dǎo)教師或同學(xué)討論將這些問題逐一解決。由于大部分學(xué)生完成了第二階段的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)，積極性很高，接到數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)后便自覺投入探討和設(shè)計(jì)中去，最終90%的學(xué)生成功完成了8位十進(jìn)制數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。

通過第三階段的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生查閱資料的能力得到了提高，學(xué)生的開發(fā)設(shè)計(jì)、獨(dú)立分析和實(shí)踐創(chuàng)新能力也得到了大幅度提升。另外，通過開展第三階段的實(shí)踐項(xiàng)目，也為EDA愛好者的專業(yè)技能培養(yǎng)提供了良好條件。

4 結(jié)束語

以計(jì)數(shù)器知識點(diǎn)的教學(xué)工作為例，將它分三個(gè)階段展開，并層層推進(jìn)。第一階段，學(xué)生對理論知識還處于被動接受階段，教師通過講解計(jì)數(shù)器知識點(diǎn)引出它在數(shù)字秒表中的應(yīng)用，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生思考，逐步完成設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在講解過程中，把握重點(diǎn)和難點(diǎn)，將知識由抽象化轉(zhuǎn)向具體化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5]。第二階段，通過擴(kuò)展型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)，讓學(xué)生發(fā)散思維，靈活運(yùn)用所學(xué)知識，完成了數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，使能力得到了一定程度的提升。第三階段，學(xué)生利用課余時(shí)間，主動查閱資料，通過獨(dú)立思考，發(fā)揮了自己的創(chuàng)造性。

通過EDA技術(shù)教學(xué)改革，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了有效結(jié)合，產(chǎn)生了互助的效果，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使教學(xué)內(nèi)容更加生動、形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生將學(xué)習(xí)觀念從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。通過開展層次化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加深了學(xué)生對理論知識的理解，在實(shí)踐教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生主動求索，培養(yǎng)了他們在EDA技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)技能，獲得了很好的教學(xué)效果。

[1] 李興山.EDA技術(shù)在電工電子教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007(1):64-66.

[2] 任志平,黨瑞榮.EDA教學(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)踐研究[J].中國電力教育,2011(26):104.

[3] 潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].第3版.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[4] 李升,陳亮.單片機(jī)原理及應(yīng)用課程數(shù)字仿真教學(xué)探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007(11):102-104.

[5] 張利,高晶敏,楊秀媛.EDA技術(shù)課程教學(xué)模式改革探索[J].中國電力教育,2011(14):80-81.