EDA技术课程教学改革探索

王志国 赵忠盖

江南大学物联网工程学院 江苏无锡 214122

EDA是伴随微电子技术和计算机技术的快速发展而兴起的一种现代电子系统设计方法。基于EDA的电子电路设计以计算机及专业软件开发系统为平台，以硬件描述语言为表示工具，以可编程逻辑器件为载体，设计并实现各种电子系统[1]。

EDA技术涉及自动控制、信号处理、机械制造以及汽车等多个领域。EDA技术课程是一门综合性和实践性很强的专业课程，EDA技术的熟练应用需要扎实的基础知识和丰富的经验积累。EDA技术作为高校的一门课程在国内最早开设于20世纪90年代，经过多年的发展，已基本覆盖国内大部分高校。基于目前多数高校课程的学时设置，EDA教学的主要目标是使学生了解可编程逻辑器件的基本原理，掌握硬件描述语言，并能使用EDA软件工具进行基于FPGA和CPLD芯片的电子系统设计。为适应EDA技术以及高校课程改革的发展情况，特别是“感知中国中心”在无锡的设立，我院决定以物联网技术研究为未来主要方向之一，这对EDA技术课程教学提出了新的要求。笔者总结了现有教学方法存在的不足，并结合自身教学经验和感悟，对EDA技术课程的教学提出了建议。

1 存在问题

EDA技术课程在我院是专业选修课，安排40学时，其中课堂教学24学时，实验教学16学时。课堂教学内容主要包括可编程器件基础、硬件描述语言以及软件开发平台使用三大部分，其中硬件描述语言为课堂教学的主要部分。实验教学以现有FPGA实验箱为平台，以验证性实验和单元电路设计为对象，在实验室完成程序编写和调试。课程考核成绩由理论成绩和实验成绩两部分构成，各占50%。经过多年的实践观察，现有教学方法暴露出一些不足。

1.1 课堂气氛沉闷

在硬件描述语言的教学中，编程方法和语法的学习本身比较枯燥，学生在基本掌握各种语句后，对编程技巧的进一步提高难以通过课堂学习完成，导致学生学习兴趣下降，上课积极性不高。同时，现有EDA技术课程一般采用多媒体教学，课堂上播放大量的程序文稿，师生间的交流和互动较少，致使课堂气氛沉闷，教学效果差。

1.2 教学模式层次不明确

EDA技术课程教学包括课堂教学和实验教学。受学时限制，学生课堂学习以掌握硬件编程语言为主，对可编程逻辑器件硬件结构以及软件平台使用流程只能基本了解。实验学习主要包括，熟悉EDA软件平台使用，常用语法和语句的验证性实验和简单的电子电路设计。本课程教学难度整体偏低，学习方法以理解性学习为主，创新性不够，不能进一步发挥学生的主观能动性。

1.3 考核成绩拉不开档次

在本课程考核中，课堂考核的签到和作业方式难以精确区别学生的学习效果；而实验教学由于内容比较简单，大部分学生能正常完成实验，实验成绩拉不开档次。许多教师在评分环节加入学习态度、实验报告整洁度等主观性比较强的判断因素，这导致最终的考核成绩不够合理。有些学生感到，自己平时在这门课程花费的时间和精力明显比另外一名学生多，可考核成绩却基本相同，这使他们感到不公平。

2 教改思路

针对以上问题，我们在不增加学时的情况下，将课程教学调整为课堂教学、实验教学和实践教学三个部分。课堂教学14学时，实验教学16学时，实践教学10学时。

课堂教学以掌握基本的概念、硬件描述语言以及熟悉EDA设计流程为目标。实验教学增加可编程逻辑器件的认识实验和EDA软件平台认识实验，然后以单元电路的验证性实验为主，实验题目要预先安排和合理设置，以使各单元电路可以组合成一个电子系统，最后一个实验为综合性实验，学生可在前面单元电路实验的基础上，使用层次化的EDA设计方法完成一个简单电路系统的设计。实践环节以学生为中心，以3～5人为一个小组，完成具体的实践任务。任课教师布置完任务后，学生在开放性实验室自主完成，期间任课教师负责答疑指导。

上述三个环节层次分明，课堂教学和实验教学为基础知识学习环节，通过前两个环节的学习，学生可以基本掌握EDA技术的基础知识以及基于大规模可编程逻辑芯片的电子电路开发流程。实践环节以综合提高为目标，要求学生查阅各种参考资料，制订系统设计方案，培养发现问题、分析问题以及解决问题的能力，掌握EDA实际开发技能。

EDA技术课程的最终考核成绩由上述三个环节的考核成绩构成，其占比分别为40%，30%和30%。课堂学习成绩通过考勤和专题小报告进行评价；实验环节通过实验报告进行评价；实践环节以小组答辩形式进行评价，小组各成员要说明其在整个系统设计过程中负责的任务，现场演示系统工作原理，教师对其提问以判断其掌握程度。

3 教改方法

上述三个教学环节逐步递进，环环相扣。为顺利实施并取得好的教学效果，我们应从以下几个方面改进教学方法。

3.1 上好第一堂课，激发学生学习兴趣

兴趣是学生学好一门课程的重要前提[2]。美国著名教育学家杰罗姆·布鲁纳提出，学习是学习者主动形成认知的一个过程。心理学对兴趣作了界定：兴趣是指一个人经常趋向于认识掌握某种事物，并且有积极情绪色彩的心理趋向，是一种强大的内趋力。因此，学习本身是一个主动的过程，没有兴趣的学习过程称不上是真正的学习。我国宋朝张载有一句名言：“人若志趣不远，心不在焉，虽学无成。”

在EDA技术课堂教学中，上好第一节课对培养学生的学习兴趣至关重要。作为一门应用性很强的课程，教师应注重理论联系实际，启发学生积极思考，认识所学新知识的应用环境，并举一反三，建立新知识和学生已具备的知识的联系纽带。例如：对于单片机技术、电气控制与PLC应用以及EDA技术这三门课程，多数学生的第一感觉是，它们的主要内容是编程，至于其在具体环境下如何选择应用并不清楚。我们以曲柄连杆机构的控制为例，让学生充分认识基于FPGA芯片的控制器在高速运算方面的优势。曲柄连杆机构把旋转运动转变为直线运动[3]，为使直线运动速度恒定，必须控制每个旋转角度下的转速。把360度圆周分得越密，要求控制器的运算速度就越快，从毫秒提高到微秒，再到纳秒，这时PLC和单片机的运算速度就达不到要求了，而FPGA的优势就显而易见。通过这个例子，学生对EDA技术这门课程有了深刻的认识，并期望进一步探究，亲自验证所设计的电路系统是不是果真如此，这大大增强了学习者的学习兴趣，提高了学习信心，对后续课程的学习有积极的促进作用。

3.2 采用实例教学法，开展硬件描述语言讲授

硬件描述语言与汇编语言、C语言等虽存在本质上的不同，但其学习内容都包括文字规则、数据类型、编程语句以及函数等多个部分。在学生已经学过某种语言后，如果按照传统的顺序逐步讲解硬件描述语言的各个部分，多数学生的第一感觉是炒冷饭，因而不重视此部分的学习。

采用实例教学法结合任务思想讲解硬件描述语言知识，可以有效改善上述不足。实例教学法是教师依据教材内容和教学要求选取合适的题材，把关键的知识点融合在一起，形成典型实例，通过对实例的讲解，使学生掌握其中的知识点[4]。如在文献[1]中，三种不同的编程方法实现了相同的数据选择器功能。学生通过电路设计，掌握了并行语句和顺序语句的用法，学习了WHEN_ELSE结构语句、IF语句、赋值语句以及进程语句的基本用法。另外，学生通过实例进一步了解到硬件描述语言使用的灵活性，即不同的语句可以实现相同的目的，使用最简单及综合效率最高的语句进行编程将是学习的目标。以此为例，教师可以归纳总结，设计多个典型实例，每个实例需包含EDA设计输入、综合、适配、仿真、编程下载和硬件测试的全过程，使学生通过这些实例的学习，基本掌握EDA硬件描述语言的用法。同时，这种教学方法也是前述课堂教学环节学时压缩的必要手段。

3.3 积极利用网络资源，紧跟学科发展前沿

EDA技术的发展基于微电子技术和计算机技术的发展，而这两种技术是当今世界发展最快的两个。课堂教学中使用的教材的更新速度远远滞后于新技术和新工具的发展速度。利用网络教学资源，及时关注国内外电子元器件和电子技术应用知识，跟踪学科发展进程，对及时更新和补充教学内容是一种重要的辅助手段。这不仅可以使学生实时掌握先进的电子电路设计方法，及时了解本学科最新发展动态和应用热点，还对培养学生的创新思维和创新能力有积极作用。

网络教学资源为EDA技术课程学习提供了大量的资源。目前关于EDA技术的网站非常多，但基本上可分为三种。第一种是各主流芯片厂商的公司网站，如Xilinx公司和Altera公司的网站，其中文网址分别是：china.xilinx.com和www.altera.com.cn。这两家公司占据了FPGA芯片80%以上的市场份额，其网站提供了最新的元器件和开发工具信息。第二类是一些电子技术学习网站，如www.21ic.com，www.eda-china.com和www.edabbs.com等。这些网站不仅包含了芯片、技术论文和应用实例等大量学习资料，还设有专业的技术论坛，给学习者提供互相交流的学习平台。第三类网站是实验设备开发公司的网站，如杭州康芯电子有限公司网站www.kx-soc.com，该网站不仅包含相关实验系统的使用说明，还包含国内一些经典教材的教学课件，可为学生和教师提供大量的学习资源。

3.4 进行学习投资，购买FPGA开发板

丰富的学习环境和真实的学习材料，不仅能帮助学生更好地掌握知识和技能，还能加深其对所学知识和技能的认识与应用。对于EDA技术这类“软件”和“硬件”紧密结合的课程，实践环节的训练是理论知识和实际操作融会贯通的重要渠道。随着可编程器件的广泛应用，学习用开发板的价格已经降到大部分学生能够负担得起的程度。我们建议学生在经济条件允许的情况下，购买一块属于自己的FPGA开发板，它可以降低学生对EDA技术课程的陌生感，并且可以成为学生学好该课程的重要工具[5]。

目前FPGA开发板的种类繁多，价格从几百元到上千元不等。学习用开发板的选购可从以下几个方面考虑。(1)核心板芯片类型。主流公司Xilinx和Altera的芯片种类多，涵盖从低端到高端多个档次的芯片，学习者可根据价格和功能进行选择。(2)使用方向。学习者可根据主要是用于控制器设计、通信算法，还是图像处理等不同方向，结合芯片说明书进行选择。(3)开发板所附学习资料丰富程度。作为初学者，多看一些典型电路的程序实例、调试验证，并和自己的设计进行比较，是快速提高EDA技术的一条捷径。另外，我们还可以从电路板外设类型、元器件质量、外观精细度和售后服务等多方面考虑。

3.5 制定公平有效的考核方法

EDA技术作为一门选修课，同时又具有非常强的实际应用性，传统教学模式中的试卷加实验报告的考核形式，难以公平有效地评价学生的学习状况[6]。在新的教改思路下，我们制定了新的评价机制。专题小报告成绩是课堂评价的一部分，报告题目由任课教师拟定。由于EDA技术应用十分广泛，教师可以根据学生人数拟定对应数目的题目，让每个学生都有自己独一无二的题目。另外，教师要对题目合理设置，注意锻炼学生查资料、整理提炼思路、组织文字以及论文排版格式等多项能力。实验环节和实践环节的评价以督促学生端正态度、学以致用以及完成教师布置的任务为目的。为做到尽量公平、公开地对学生的劳动成果进行评价，教师可根据学生设计制作成功与否、完成的程度进行评分。例如：学生基本完成任务书所提要求，成绩可评为合格；在此基础上积极思考和比较，发现不足并提出建议，可评为良好；进行硬件和软件电路修改，改进不足并调试通过，可评为优秀。在这样一种无形引导与激励下，学生慢慢学会了关注自己、关注他人、尊重劳动，也深化了师生沟通。学生会主动找教师讨论调试中遇到的问题，积极思考解决办法。多数学生在成功调试出所设计的电路系统后，体验到了成功的喜悦，进一步激发他们的实验兴趣、学习热情和创造热情。

4 结束语

笔者在自己所教班级中进行了两个学期的试验，实施新教学方法后，最明显的改变是，学生对EDA技术课程的学习兴趣大大提高，课堂气氛活跃，学生能主动结合自己身边的电子产品进行思考。特别是在实践环节中，学生的想象力和创新能力得以施展，笔者经常被学生提出的具有挑战性的问题难倒，深刻感受到教学相长的含义。另外，随着学生掌握的EDA技术知识的增加，部分学生已积极参与到教师的科研活动中，为今后进一步学习打下了坚实的基础。

[1]潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2013.

[2]陈晓华,崔琳.培养大学生学习兴趣,提高本科教学质量[J].教育探索,2010(3):94-96.

[3]郑文纬,吴克坚.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2012.

[4]阚玲玲,张秀艳,梁洪卫.“EDA技术与应用”课程教学内容的定位和改革[J].电气电子教学学报,2010,32(3):27-28.

[5]王媛媛.浅谈FPGA应用与设计实践教学与改革[J].高校实验室工作研究,2012(3):52-53.

[6]胡赛纯.高校教师课程教学考核定量计算方法初探[J].中国电力教育,2013(23):112-115.