劉德方，鄧明，宋有才

EDA技術(shù)分層立體化教學(xué)模式創(chuàng)新研究

劉德方，鄧明，宋有才

摘要:針對(duì)普通高校EDA技術(shù)課程教學(xué)普遍存在的學(xué)生的實(shí)踐能力欠缺，不能滿足社會(huì)對(duì)EDA技術(shù)人才需求這一突出問題，提出了EDA技術(shù)課程分層立體化教學(xué)模式。對(duì)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、考核方式做相應(yīng)調(diào)整。實(shí)踐證明，分層立體化教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞:EDA技術(shù)；分層立體化；教學(xué)模式

1引言

EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)被稱為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)中的一支奇葩，是目前嵌入式專業(yè)的一門新興課程，涵蓋的內(nèi)容非常多，主要是以 FPGA 等可編程邏輯器件為基礎(chǔ)，在EDA技術(shù)平臺(tái)上，根據(jù)原理圖或Verilog HDL、VHDL 等硬件描述語言編輯的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真、目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作[1-3]。所涉及到的知識(shí)難度很大，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，普遍出現(xiàn)了聽不懂、學(xué)不明白、對(duì)課程的關(guān)鍵知識(shí)缺乏深刻理解等問題。究其原因，關(guān)鍵是在開設(shè)EDA 技術(shù)課程的時(shí)候，沒有很好的對(duì)基礎(chǔ)條件進(jìn)行分析，更沒有對(duì)EDA 技術(shù)課程的授課內(nèi)容以及授課方法進(jìn)行研究，所傳授的知識(shí)都是參考當(dāng)前EDA 教材和 FPGA 項(xiàng)目開發(fā)指導(dǎo)書等參考書作為指導(dǎo)。所采用的教學(xué)方法大部分都是照搬教材上的知識(shí)，既沒有考慮知識(shí)與知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)和相互聯(lián)系性，也缺乏對(duì)知識(shí)的應(yīng)用融合，教學(xué)手段非常單一，不能有效提高學(xué)生對(duì)EDA 技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐能力。

改革和整合目前的EDA技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容，將新技術(shù)、新方法引入教學(xué)中，形成新的分層立體化的課程教學(xué)體系，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和適應(yīng)社會(huì)對(duì)高層次電路設(shè)計(jì)人員需求是十分必要的。

2EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容

EDA是一門多學(xué)科融合的新技術(shù)[4-7]。在課程群建設(shè)中，起承上啟下的作用。其先導(dǎo)課程是“數(shù)字電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“組成原理”；后續(xù)課程是“編碼技術(shù)”、“智能技術(shù)”、“DSP原理及應(yīng)用”、“總線技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”等課程。學(xué)生對(duì)EDA技術(shù)課程的學(xué)習(xí)效果直接影響其對(duì)后續(xù)課程的掌握、應(yīng)用及開發(fā)能力。因此，結(jié)合應(yīng)用型本科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)、信息工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案及目前社會(huì)對(duì)EDA技術(shù)人才的需求，EDA技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容分層情況如圖1所示：

圖1　EDA技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容分層框圖

2.1　通過基礎(chǔ)層教學(xué)，使學(xué)生掌握EDA技術(shù)概況

基礎(chǔ)層[8-10]是EDA技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的講授，包括EDA技術(shù)的基本特征、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、ASIC設(shè)計(jì)、常用的EDA工具、EDA工程設(shè)計(jì)流程、硬件描述語言及集成開發(fā)環(huán)境的使用。選擇具有代表性的集成開發(fā)環(huán)境QuartusII9.0和典型的FPGA芯片，以Altera公司生產(chǎn)的Cyclone II系列中的高性能FPGA芯片EP2C35F672C8為例，結(jié)合EDA設(shè)計(jì)實(shí)例，如3-8譯碼器，進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、管腳分配、仿真及下載驗(yàn)證，使學(xué)生初步了解和掌握EDA技術(shù)的原理圖設(shè)計(jì)的基本知識(shí)及設(shè)計(jì)方法。

2.2　通過應(yīng)用層教學(xué)，使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣

在應(yīng)用層[11-13]，首先介紹FPGA芯片EP2C35F672C8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，然后結(jié)合“數(shù)字電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“組成原理”等專業(yè)課程內(nèi)容，利用EDA技術(shù)，設(shè)計(jì)電子應(yīng)用系統(tǒng)，如數(shù)控分頻器、高速A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示控制等，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，通過層次化設(shè)計(jì)方法，合理劃分功能模塊，進(jìn)行電子系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。

2.3　通過系統(tǒng)層教學(xué)，提升學(xué)生內(nèi)心的成就感

在系統(tǒng)層[14-15]，根據(jù)課程群中EDA技術(shù)課程后續(xù)課“DSP原理及應(yīng)用”、“嵌入式系統(tǒng)”等專業(yè)拓展課的內(nèi)容，以Altera公司推出的高效靈活的SOPC片上可編程系統(tǒng)為例，結(jié)合設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將處理器、存儲(chǔ)器、I/O口等功能模塊集成到一個(gè)可編程邏輯器件上，設(shè)計(jì)一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。通過片上系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，學(xué)生可以很好的掌握基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論知識(shí)和設(shè)計(jì)方法。為后續(xù)課程“DSP”、“嵌入式系統(tǒng)”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)課改革

在傳統(tǒng)的EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容中，通常安排了兩大類實(shí)驗(yàn)，即基礎(chǔ)類和應(yīng)用類。基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)有編碼器、加法計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示、分頻器、觸發(fā)器、乘法器、矩陣鍵盤顯示、可控脈沖發(fā)生器、正負(fù)脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器等；應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)有表決器、搶答器、序列檢測(cè)器、出租車計(jì)費(fèi)器、數(shù)字鐘、字符型液晶顯示、DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)等。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)，針對(duì)EDA技術(shù)課程分層教學(xué)，缺少系統(tǒng)層的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)果學(xué)生學(xué)完這門課程后，知識(shí)點(diǎn)依然處于零散的狀態(tài)，不能滿足社會(huì)對(duì)EDA技術(shù)人才的SOPC設(shè)計(jì)和開發(fā)的需求。因此，增設(shè)系統(tǒng)層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)EDA技術(shù)人才的培養(yǎng)和學(xué)科的發(fā)展以及整個(gè)課程群的建設(shè)起著關(guān)鍵性的作用。

在學(xué)生前期所做的基礎(chǔ)層和應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)之上，逐漸深入開展系統(tǒng)層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如使用NIOS II嵌入式處理器、SOPC Builder軟件工具，實(shí)現(xiàn)定時(shí)器設(shè)計(jì)、UART通信、串行ADC和DAC、IIC EEPROM、SDRAM、NandFlash讀寫操作、以太網(wǎng)通信、視頻讀寫及回放等系統(tǒng)層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過這些系統(tǒng)層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的EDA技術(shù)的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思想、方法及設(shè)計(jì)流程，大大提升了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，為將來從事EDA技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4考核方式和考核手段改革

為了激發(fā)學(xué)生對(duì)EDA技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，考核方式和考核手段也要轉(zhuǎn)變，主要遵循以下幾個(gè)原則：

4.1　將激勵(lì)機(jī)制引入到考核工作中

EDA技術(shù)課程，內(nèi)容多，難度比較大，是一門多學(xué)科相融合的新興課程。學(xué)生前期的知識(shí)儲(chǔ)備情況若比較薄弱，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不高，很難產(chǎn)生對(duì)這門課的學(xué)習(xí)興趣。因此，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是引領(lǐng)學(xué)生入門的關(guān)鍵。老師要根據(jù)學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)狀態(tài)和心理特點(diǎn)采用激勵(lì)手段使學(xué)生逐步喜歡上EDA技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，比如，學(xué)生有一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步，老師就及時(shí)給予表揚(yáng)和較好的實(shí)時(shí)成績，即老師的認(rèn)可和激勵(lì)成績能有效的改善學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

4.2　課堂提問和課堂練習(xí)計(jì)入平時(shí)成績

傳統(tǒng)的EDA技術(shù)課程教學(xué)，通常是老師在上面講，學(xué)生在下面聽，表面上老師講很多內(nèi)容，學(xué)生也聽了很多知識(shí)，但是一走出教室，學(xué)生有可能把剛剛聽到的知識(shí)忘記的差不多，即課堂內(nèi)容不能給學(xué)生留下深刻的印象。因此，在理論課上，加強(qiáng)師生互動(dòng)，采取提問和課堂練習(xí)的方式，及時(shí)計(jì)分，該分值作為平時(shí)成績的一部分，促使學(xué)生認(rèn)真聽講并及時(shí)消化所學(xué)內(nèi)容，并且能有效的活躍課堂氣氛，使學(xué)生被動(dòng)聽課的狀態(tài)有所改善，達(dá)到授課目的和要求。

4.3　合理劃分理論課和實(shí)驗(yàn)課的考核分值比例

傳統(tǒng)的EDA技術(shù)課程教學(xué)考核方案中理論課和實(shí)驗(yàn)課的考核分值比例是6:4，顯然是重理論輕實(shí)踐，教學(xué)效果不理想；行之有效的方法是將此比值顛倒過來，將實(shí)驗(yàn)課的考核分值提到主要位置，即理論課和實(shí)驗(yàn)課的考核分值比例應(yīng)該是4∶6。針對(duì)EDA技術(shù)及應(yīng)用課程，應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，通過深入實(shí)踐，對(duì)理論知識(shí)有深刻的印象，在做項(xiàng)目的時(shí)候才能夠正確的應(yīng)用。實(shí)踐能力的提升是對(duì)理論知識(shí)的升華和應(yīng)用，理論知識(shí)才能真正發(fā)揮其基礎(chǔ)性作用，真正做到“學(xué)以致用”；才能使學(xué)生感到EDA技術(shù)的學(xué)習(xí)不再枯燥；對(duì)未來開發(fā)應(yīng)用工作不再懼怕。同時(shí)，也能夠發(fā)揮老師的引領(lǐng)作用。

4.4　加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)課成績

通常的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)情況是，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的實(shí)驗(yàn)步驟，比葫蘆畫瓢，驗(yàn)證一下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，然后機(jī)械的抄寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。結(jié)果一個(gè)學(xué)期下來，實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫了厚厚的一本，但是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)依然沒有掌握。要改變這種不科學(xué)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方式，老師必須針對(duì)每一個(gè)同學(xué)，通過提問實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的相關(guān)問題考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的掌握情況：從源文件設(shè)計(jì)(原理圖和VHDL程序設(shè)計(jì))、管腳分配、仿真波形文件的設(shè)置到通過功能仿真、時(shí)序仿真后目標(biāo)文件的生成，以及對(duì)仿真報(bào)告的數(shù)據(jù)分析，最后下載到目標(biāo)器件FPGA芯片的實(shí)現(xiàn)，這一過程中要應(yīng)用許許多多的知識(shí)點(diǎn)，老師針對(duì)不同的學(xué)生，根據(jù)其所做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目情況，提問不同的問題，并實(shí)時(shí)記錄成績，這樣使得每一位同學(xué)對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的任何一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都掌握的很透徹，能夠真正掌握其所做的內(nèi)容。

4.5　合理安排自選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和普選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考評(píng)分值

傳統(tǒng)的EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是統(tǒng)一安排，即所有同學(xué)都在相同的時(shí)間做相同的實(shí)驗(yàn)，顯得死板單一，不夠靈活?，F(xiàn)在，為順應(yīng)社會(huì)對(duì)EDA技術(shù)人才培養(yǎng)的需求，本著尊重知識(shí)尊重人才尊重學(xué)生個(gè)性發(fā)展的原則，將基礎(chǔ)層、應(yīng)用層、系統(tǒng)層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列出清單。按照指定的考核標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自選一部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，普選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是各層次結(jié)構(gòu)中必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中自選與普選的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比例為6:4，這樣使學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中能更好的發(fā)揮其主體作用。

5結(jié)束語

EDA技術(shù)及應(yīng)用在電子技術(shù)類專業(yè)的整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系中占有重要地位，對(duì)后續(xù)專業(yè)課乃至研究生階段的學(xué)習(xí)具有直接影響，在全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力這一背景下，進(jìn)一步優(yōu)化課程知識(shí)結(jié)構(gòu)和探索更具成效的教學(xué)模式具有非同尋常的教改意義。筆者結(jié)合多年來的教學(xué)實(shí)踐，根據(jù)本課程的特點(diǎn)，探討了EDA技術(shù)課程分層立體化教學(xué)模式優(yōu)化措施，實(shí)際理論課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)情況表明，本文提出的分層立體化模式教學(xué)探索，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)成績，同行的認(rèn)可程度較高，在一定程度上為更深層次的教學(xué)改革起到了推進(jìn)作用。

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責(zé)任編輯：李應(yīng)青

收稿日期：2015-01-23

基金項(xiàng)目：安徽省高校質(zhì)量工程一般項(xiàng)目(2012jyxm346)；阜陽師范學(xué)院質(zhì)量工程一般項(xiàng)目(2014JYXM35)

作者簡介：劉德方，阜陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院講師，碩士，研究方向：嵌入式應(yīng)用；鄧明，宋有才，阜陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院(安徽 阜陽 236037)。

中圖分類號(hào):G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1794(2015)02-0127-04