引入EDA技术分层次改革电子类课程教学体系

王　帅，　　高吉祥，　　万莉莉，　　周　妮

(怀化学院 电气与信息工程学院，湖南 怀化　418008)



引入EDA技术分层次改革电子类课程教学体系

王帅，高吉祥，万莉莉，周妮

(怀化学院 电气与信息工程学院，湖南 怀化418008)

摘要：根据现代电子技术发展对人才知识结构需求的新特点，提出利用电子设计工具EDA技术辅助理论教学、实验教学和课外实践，分层次构建EDA支持下的电子课程教学体系的新思路.详细分析了电子类课程各个教学环节对EDA技术的不同需求，以实际教学案例介绍了EDA应用于教学各个环节的具体操作方法，最后对EDA技术在实际教学应用中尚待解决的问题进行了归纳.

关键词：EDA；电子设计自动化；虚拟实验；教学体系

1引言

EDA即电子设计自动化(Electronic Design Automation)，是以计算机为基础，综合了电路与系统、数据库、图形学、图论、计算数学及优化理论等多学科的最新科技成果而形成的一门新技术，是当代推动电子技术发展的核心动力.EDA技术不仅为现代电子系统设计提供了有效的工具，同时也为当前高校电子类课程教学改革开辟了新途径.依托现代计算机强大的软硬件处理能力，采用EDA技术可以快速、直观、低成本地建立虚拟实验平台，有效弥补传统教学理论与实践脱节的不足，为传统教学注入了新的活力.国外发达国家电子高等教育早已将EDA技术融入教学，在辅助课堂教学、扩展实验手段、提高电子设计能力等方面发挥着重要作用.国内很多高校也在EDA技术应用于教学方面开展了广泛的探索，如杨莲红等[1]阐述了EDA仿真技术在模拟电子技术教学中的应用，王彩凤[2]在数字电子技术实验中引入EDA技术以丰富实验手段，徐彦凯等[3]研究了EDA技术应用于课程设计的具体方式，孙燕莲[4]等探讨了基于计算机网络的虚拟实验教学模式，周鹏[5]等设计了面向远程教育的数字电子技术虚拟实验系统.目前的研究多侧重于EDA技术在电子类课程教学某一方面的应用，尚少见到将EDA技术贯穿整个教学体系，根据不同教学环节的特点予以灵活应用的完整探索.我们在省级课题《引入虚拟实验改革电子类基础课程教学》的研究中，对EDA技术在教学中的应用做了有益的尝试，将EDA技术从辅助理论教学扩展到实验教学、课程设计、毕业设计和电子设计竞赛等多个教学环节，分层次构建EDA支持下的电子课程教学体系，取得了良好的教学效果.

2EDA技术辅助电子类课程教学的必要性及思路

2.1EDA技术辅助教学的必要性

将EDA技术引入教学，既是电子课程教学手段顺应现代电子技术发展之必然，同时也是适应电子技术人才知识结构需求，将先进的设计思想、设计方法和良好习惯融于人才培养诸环节的重要措施.EDA仿真软件应用于电子技术的教学，可以有效的解决教学中的难点问题，更好的实现理论与实践的结合，从而大大提高教学效果；学生掌握了这种现代电子设计方法，可以随时进行实验，拓展了实验空间，对培养学生综合分析能力和创新能力有重要意义；更为重要的是，学生在校学习期间通过这些训练可以熟练掌握业内主流设计工具的使用，其所练就的开发技能和积累的设计经验完全可以与日后所从事的相关工作无缝对接，真正达到学以致用的目的.另外，由于仿真软件在教学和产品设计开发中没有元器件损耗问题，与硬件实验相比有明显的成本优势，可以在确定方案、参数选择和功能验证阶段以零成本的代价反复实验，能有效降低实验成本.因此无论从教学效果、成本考虑，还是从学生培养的角度考虑，EDA仿真技术应用于教学都具有很大的推广和应用价值.

2.2EDA技术辅助教学的基本思路

2.2.1EDA技术应用于理论教学

电子技术的很多内容本身比较抽象，不易理解，传统的以板书和幻灯片为主的教学模式存在很大的局限性.将EDA仿真软件应用于课堂教学，教师可以在计算机上建立虚拟实验环境，增强教学的直观性和灵活性，激发学生的学习兴趣.EDA技术用于理论教学，将一改传统教学单调、枯燥和抽象的现状.教师运用该技术可以快速搭建虚拟实验场景，所授理论可以在第一时间得到实验验证，消除传统教学中的认识盲点和误区，有效解决理论与实践脱节的问题.

2.2.2EDA技术应用于实验教学

传统的电子技术实验大多都是验证性的，很大程度上束缚了学生想象力和创造力的发挥.尽管很多学校通过购置功能较强的实验设备，开设了一些创新性实验，但受到设备数量、场地容量、开放时间等多方面限制，实际使用效果并不理想.将EDA仿真软件应用于课堂教学，使教师可以根据教学需要灵活设计实验内容，摆脱固定实验电路板的限制；学生可以根据自己的想法，随时设计、更改仿真电路，观察实验效果，进行探索性学习，提高分析与设计电子电路实践能力.EDA技术引入实验教学，实现了“虚实结合”的新型实验教学模式.虚拟实验与真实实验优势互补，提高了实验效率，学生想象力和创造力得到充分发挥，为学生自主和创新型学习搭建了理想平台.

2.2.3EDA技术应用于实践教学

课程设计与毕业设计等实践教学是专业学习非常重要的环节，其目的是让学生综合运用所学知识完成电子电路的设计，提高实践技能.但具体实施时往往受到实验设备、师资力量、配套经费等条件的限制，多数学生实际上难以真正独立完成设计要求，教学效果距离预期甚远，导致这些实践教学流于形式.将EDA仿真软件应用于实践教学，按照现代电子设计理念规划教学流程，使学生充分发挥能动性，运用先进的电子设计手段进行初步设计和仿真调试，在仿真成功的前提下进行实际电路制作、安装与调试，提高电子作品制作成功率，增强学习兴趣和信心.EDA技术在现代电子设计领域占据着重要地位，电子工程师设计思想的实现和工作效率的提升很大程度上取决于其掌握EDA工具的熟练程度.将EDA技术引入实践教学，学生不仅可以利用仿真手段提高设计效率，更重要的是接受了先进的设计思想，掌握了先进的设计方法，对日后从事技术工作打下良好的基础.

3EDA技术辅助教学的改革实践

3.1引入EDA技术改革理论课教学

电子类专业的很多理论课之所以学生感到抽象难懂，一个重要原因在于每门理论都脱胎于特定的工程背景，每个公式都有实际的约束和适用范围，传统理论课教学限于条件无法及时地向学生传递相关的背景知识和现实约束，学生更缺少相关的实践经验，致使教师难教学生难学的矛盾长期存在.将EDA技术引入理论课教学，通过合理的教学设计，可以在一定程度上起到再现应用场景的功能，通过实时仿真得到的动态数据、波形图、变化曲线可以直观地将公式、定理的物理意义、适用条件、典型应用等展示给学生，大大提高课堂教学效果.利用EDA技术辅助课堂教学，需要重点研究仿真内容的选择、实验设计、教学互动设计等，以有效配合理论教学达到最佳效果.

如图1，在讲授滤波器设计课程时，介绍完基本原理后，教师运行Multisim软件，调出设计好的电路图.图中既有滤波器电路，又有幅频特性分析仪和示波器用于观察电路性能.调节阻容值，同时观察幅频曲线和波形，可以十分直观地看到不同位置的器件对输出的影响大小，各个器件对滤波器性能的影响一目了然，学生对滤波器获得了较强的感性认识.在课堂教学中适当安排EDA实验，可以使抽象的理论及时得到验证，既有助于学生对基本原理的理解，又激发了学习兴趣和求知热情，有效提高了教学质量.

图1　低通滤波器

3.2引入EDA技术改革实验课教学

面向应用型人才培养的电子实验教学，压缩验证性实验，提高综合性和设计性实验的比重已经成为各高校的共识.但综合设计性实验需要较大的成本投入，实验过程中还会产生大量耗材支出和管理费用，对多数地方高校来负担较为沉重.在实验教学中开设EDA仿真实验，除电脑外无需额外投入，而且不存在设备老化、耗材、管理等附加问题.引入EDA技术，教师可以根据教学需要灵活设置实验内容，学生可以充分发挥创意采用不同方案达到实验目的，不受设备、器材、环境的约束，可以说是教学两利的解决方案.

图2是功率放大器的仿真图.功率放大器是模拟电子实验的重要内容，由于电路工作在大电流状态，经验不足的学生在实物实验中极易操作不当烧坏器件，不仅增加了实验成本，还容易使遭受挫折的学生对调试功率电路产生恐惧感.应用Multisim仿真软件调试可以有效避免这个问题.电路静态工作点是调试中的难点，很多学生因不得要领而卡在这里一筹莫展，因调节不当烧坏器件的情况也时有发生.教师首先指导学生通过Multisim仿真调好此电路的静态工作点，观察虚拟电压电流表，不断调整输入偏置元件值，直至静态工作点达到预期数值.借助虚拟仪器Multisim，很多学生在很短时间就做出了实物，并且效果十分理想.使用EDA技术，打消了学生在调试复杂电路时的畏难情绪，使其可以将精力完全专注于电路本身，大幅提高了实验成功率，不少学生由此建立了自信并对电子设计产生了浓厚兴趣.

图2　功率放大电路

图3　可控增益

3.3引入EDA技术改革实践教学

实践教学包括课程设计、实习、毕业设计等环节，目的是提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，即学以致用的能力.目前几乎多数实践内容都要求学生独立完整地完成某个项目的设计和开发，但实际效果并不理想.实践教学效果不佳除了一些客观原因外，不容忽视的一个主要原因是项目开发缺少规范的开发流程和高效的开发工具.对于设计过程中遇到的问题，学生因无法准确定位问题来源常常是毫无头绪地做无用功，极易丧失信心和动力.规范设计流程、查找设计缺陷、提高设计效率正是EDA技术独具的优势，训练学生使用先进的设计工具高效完成项目开发完全符合“授人以渔”的教学理念.EDA技术在实践教学中的应用，其意义不仅在于为学生提供了先进的开发工具，更重要的是使学生意识到项目管理和开发工具在产品高效开发中的巨大作用，从而自觉地养成良好的设计习惯，激发其学习使用新工具的动力.

图3是我系电子设计竞赛学生使用Multisim制作的高频宽带放大器.这个电路的重点是增益的控制和频带的调节.在模拟仿真中学生通过输入一个直流电压控制压控放大器的放大倍数.不断调节图3中的C3，C4，C11，C12，C16，C17的容值大小以得到所需要的带宽范围.如果省略仿真这个环节，直接做出实物，在实物上调节参数，将是非常繁琐和乏味的工作，需要耗费很长的时间才能找到合适的元件值.通过Multisim仿真软件，在实物制作之前就能确定各种元件的数值后，做完实物后一般只要稍加调整就能达到最佳工作状态，大大提高电路设计成功率和工作效率.现在我系创新实验室的学生基本上都能熟练操作常用的EDA软件，这些软件已经成为他们设计电路不可缺少的必备工具.EDA软件设计的电路还有一个额外的优点，每届学生调试成功的电路都可以以软件的形式保存下来形成资料库，后继者可以很方便地查找所需电路，经过理解吸收后应用到自己的设计中，学生在设计的灵感和精华得以长久地保存和传承下来.

4有待解决的主要问题

4.1EDA实验的设计和管理.EDA技术具有独特的优势，但用于实验教学仍需符合教学规律，规范化管理和精心设计必不可少.设置EDA实验需要对实验目的、实验内容、实验步骤、实验注意事项等进行综合考虑，方能达到预期效果.

4.2EDA实验与实物实验的差异.这是仿真实验无法回避的问题，仿真实验的结果是在理想条件下得出的，而真实实验由于实验环境、各种干扰、制作工艺等因素影响，实验结果总是包含着误差，如何对这些误差在仿真实验中给予定性或定量的分析和模拟，是需要解决的关键问题.

4.3EDA实验的指导和考核手段.与传统实验相比，仿真实验比较灵活，操作也较便利，但同时也带来了易抄袭性的缺点.仿真实验中的教师指导方式和考核手段是后续要研究的重要问题.

4.4EDA支持下的教学改革需要教师充分发挥主观能动性.首先是教师要加强自身学习和总结，根据教学实践中的各种反馈信息，改进教学设计的导学功能，提高学习指导的有效性.同时，不断改进和充实现有的学习资源库，为学生进行个性化学习提供尽可能多的内容选择和形式选择，提高学习环境的适应性.

4.5其他非技术层面的问题.其他还涉及到思想观念问题、保障管理的问题以及教学应用和效果评估的问题等等，需要教改实施单位和各级教学管理部门统一思想，相互配合，重视研究和及时解决好实践中可能遇到的各种实际问题，尤其要在制度和政策上给予必要的扶持和鼓励，加快教学改革的步伐.

5结语

近年课题组紧密跟踪现代电子技术设计方法的发展趋势，根据有关课程的特点和需求，大胆实践，逐步将EDA技术应用于电子类课程各个教学环节，取得了良好的效果.在教学实践中将传统教学方法与虚拟实验相结合，以立体化视角揭示知识的内在联系和本质规律，学生不仅吸收了知识，通过掌握EDA工具更具备了无限发展的可能.课题研究成果受益面大，应用于电信、通信、广电、光信息四个专业的基础课教学，每年受益学生数达300人.

参考文献：

[1]杨莲红.EDA技术在模拟电子技术教学中的应用[J].高师理科学刊，2010(1)：93-96

[2]王彩凤.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011(1)：4-6

[3]徐彦凯.EDA课程设计课题的开发和体会[J].实验室研究与探索，2011(2)：114-116

[4]孙燕莲.虚拟实验教学的探索与实践[J].现代教育技术,2009(4):131-132.

[5]周鹏.数字电子技术虚拟实验系统的建设与应用[J].现代教育技术,2009(2):121-123.

Application of EDA in Hierarchical Electronic Class System

WANG Shuai,GAO Ji-xiang,WAN Li-li,ZHOU Ni

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,HuaihuaUniversity,Huaihua,Hunan418008)

Abstract：According to the new features of the demands for the knowledge structure with the development of modern Electronic technology,a new method is put forward which applies EDA(Electronic Design Automation)technology in class,experiment and practice to build a hierarchical EDA Electronic class system.Detailed analysis is given for the various demands of electronics class when using EDA.Some examples for the actual EDA application procedure are exhibited.Finally,a list of problems about the EDA technology application in practical teaching is summarized.

Key words：EDA；electronic design automation；virtual experiment；teaching system

收稿日期：2015-10-05

基金项目：湖南省教育厅教研项目“引入EDA技术分层次改革电子类课程教学体系”.

作者简介：王帅，1974年生，男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，研究方向：无线通信.

中图分类号：G423.07

文献标识码：A

文章编号：1671-9743(2016)05-0086-04