单片机与EDA综合实验教学整合的探索与实践

唐 续， 赵芳斌， 刘 曦， 蒲晓蓉

(电子科技大学 a.电子工程学院；b.英才实验学院， 四川 成都 611731)

0 引 言

如何提高学生的实验水平和实践能力是我校的国家实验教学示范中心的重要任务[1-2]。

中心为全校电类专业(约2 500人/年)开设了专业基础必修课“电子技术综合实验”，担负着现代电子技术实验教学体系结构由基础到创新过程的承上启下的重要作用[3]。该课程以EDA应用[4]和单片机(MCU)应用[5]为技术核心，要求学生完成一个功能完整的电子小系统。该课程经前期局部的开放式教学尝试[6]，目前开始了大面积的开放模式教学。在让学生自主学习，主动观察、思考和发现新问题，独立分析和解决问题，逐步培养创新综合素质、团队协作和奉献精神[7-10]等方面，取得良好的教学效果。同时，面对如此众多的学生，也出现一些新问题。

本文讨论了在开放教学中出现的问题，并提出“实验整合”的改革思路和尝试，与大家共同探讨。

1 当前开放实验教学的问题

(1) 实验内容不统一。开放式的综合实验课程优选了原有的实验内容，典型实验项目如表1所示。各项目明显地区分为EDA 技术类和单片机技术类实验。并且，两类实验并行设立，学生只能参与到一类题目及其技术训练中。基础好的同学时有反映对更丰富训练内容的渴求。

表1 综合实验项目

(2) 实验设备不统一。由于实验设备的用量相当大，在实验开设中，对EDA类实验采用了自制的FPGA实验平台；对单片机类实验采用了外购的单片机实验平台。而且，受场地限制，分别配置于多个实验房间，不能换用。这从空间上限制了实验内容的选择。学生只能在相同配置的房间做实验。常出现某时段的一类房间空置，而另一类房间容纳不下的困境。没有真正实现空间开放。

(3) 教学资料不统一。分别针对EDA实验和单片机实验，中心有独立的实验指导讲义和丰富的教学资料。但因二者基于不同的平台，不能共用，学生选课后确定一本讲义使用。缺少统一的教材，造成教学管理等多方面的不规范。

(4) 教学方式和评价不统一。该实验课和教学计划内的其他理论课同期开设。因此，同一学院的所有学生将同一时段来进行实验，需要开放所有的两类实验室来应对。同时，为了平衡实验室工作负荷及实验指导教师的工作量，采用行政班方式选课，使得同一学院的班将被分到两类实验中。既使某些学院学生对不同实验技术有所偏重，如机电学院学生偏重单片机技术，通信学院学生偏重EDA技术，也只能服从教学管理的选择。

其结果是，学生不能自主选择实验，没有真正实现内容开放。同时，由于两类实验内容的完成过程不同，最终作品的评价标准难以一致，学生成绩的公平性时常受到诟病。

3 实验整合的改革与实践

分析上述问题，可以发现其本质在于缺乏统一。解决之道在于对当前实验教学的各方面进行整合。

3.1 整合实验平台

实验教学的整合，首先对实验平台提出了更高要求。同时支持EDA和单片机类型的实验平台有两种。一种并置两种核心电路，共用外围功能模块[11]。其主要问题是，体积大，成本高，且维护麻烦。另一种则在配置共用外围功能模块的同时，提供不同的可替换式核心板[12]。其主要问题是，分离的多个核心电路板增大了开放实验室管理的难度。

我们研制了一套可完成EDA和单片机实验的电子技术综合实验教学平台。该平台布局紧凑、便于维护且性价比高。平台硬件以Xilinx Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S250E-144为核心，提供多种外围功能模块，硬件结构如图1所示。

图1 综合实验平台的系统组成结构

该平台的突出特点在于其软件系统。除了支持EDA应用，还可基于SOPC技术[13-14]，采用流行的8051单片机软核MC8051[15]，在FPGA内部构建一个兼容的8051单片机。并得益于MC8051的开源特性，对该软核进行了如下改进：

(1) 考虑到学生从基本原理课程过渡的适应性，进行了标准封装，如图2所示。对实验者来说，这时的FPGA就是一块具有完整功能的8051单片机。可与平台中的各硬件模块构建多种单片机应用系统。

图2 MC8051封装

(2) 考虑到学生在实验中需对应用代码反复修改和调试，定制了该软核基于Monitor-51工具[16]的用户程序在线仿真功能(具体过程已另文讨论)。该功能有效解决了当前51单片机IP核用于实验教学时，缺乏在线调试能力的瓶颈问题。

各实验室配置相同的实验平台，既方便了实验设备的管理与维护，更有效缓解了学生找机位难和设备利用率低的矛盾。可真正实现时间和空间的开放。

3.2 实验内容的整合

基于实验平台提供的软硬件系统资源，综合实验内容得到极大的丰富。如图3所示，基于所提供的功能电路模块及单片机内部模块，可实现单片机类的基础训练及其综合设计实验；基于所提供的功能电路模块及FPGA内部逻辑资源，可实现EDA类的基础训练及其综合设计实验。学生在实验平台上采用积木式实现结构，灵活组合，循序渐进地完成综合实验题目。

图3 综合实验平台的实验项目

指导教师不用再受实验设备类型的限制来安排学生的实验项目，而可根据不同专业方向和学习层次的学生特点，遴选相关的重点题目进行讲解，同时提供备选实验项目。由此，可真正体现教学内容的开放。

3.3 实验教学方式的整合

实验平台和实验内容的整合都是形式上的。必须要配合教学本身的整合，才能达到实质的效果。对此，针对学生的学习特点，采用三阶段的教学方式：

(1) 任务安排与方案分析。该部分为讲授，可以利用容纳百人的大型阶梯教室进行整体教学。

(2) 基础训练。学生根据自选题目的技术要求，结合实验平台提供的丰富示例，自主开展基本技术和功能模块的应用训练。教师则轮流值班指导。

(3) 综合与创新。学生综合各功能模块完成基本任务，并可从功能扩展和多方案实现等方面进行创新设计。教师则根据公开的难度标准和作品完成量及其效果作评价。

整合的教学方式可极大地提高教学效率，并为学生的设计作品提供更大的发挥空间。同时，学生难再找到作品雷同的借口，从而约束更多的学生真正投入到实验课的过程中去，也为指导教师做出有效、客观和统一公正的评价提供了技术保障。

3.4 实验教学资料的整合

在上述实验教学方式下，学生有了更加开阔的实验场景，同时也要求更多的知识点，特别是关于两类实验的基础理论知识和基本实验技能的掌握。为此，整合本课程的两本实验讲义，撰写了统一的实验指导书，并已立项本校“十二五规划教材”建设进行完善。其中包括三个层次的内容：

(1) 基础原理层。包括为完成EDA实验和单片机实验所必备和最常用基础知识，供学生自学查阅。

(2) 应用实践层。包括在实验平台上完成EDA实验和单片机实验的开发和仿真工具介绍，并给出两种技术各自驱动各功能模块的范例供学生模仿学习。

(3) 综合设计层。包括对典型综合实验题目的方案对比和关键技术分析，并给出多个练习题目。

学生可以独立自主和由浅入深地参与实验过程，既在基础问题上有所凭借，又在发挥问题上有所引导，增强了过程中的自信心和完成后的成就感，真正达到实践能力锻炼的目标。

4 结 语

电子技术综合实验的大规模开放性教学在国内尚属少有。面对多方面的新问题，根据本校实际，提出整合EDA和单片机实验的改进思路和实施手段。该教学改革已对英才实验学院学生进行了一学期的实践，获得了良好的效果。希望能对高校同行有所参考。

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