基于EDA的数字电子技术基础教改实践

摘 "要 "把项目驱动式教学法引入数字电子技术基础课程，增加电子设计自动化（EDA）设计方法，将传统数字电路的内容与EDA设计相关内容融合，课堂理论教学与实践教学融入同一教学过程，在夯实学生知识基础的同时，适应学生的就业需求，落实现代高校以学生为本的教学理念，取得良好的教学效果。

关键词 "数字电子技术基础；EDA；项目驱动式教学；混合式教学；翻转课堂；创新实验

中图分类号：G642.0 " 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）11-0039-04

0 "引言

数字电子技术基础课程是自动化、计算机、电气电子、通信、机械等专业重要的专业基础课程。该课程以逻辑代数为基础，逻辑性强，内容丰富且较抽象，理论与实践紧密结合，实践性非常强，工程应用广，与现代电子技术发展紧密相连[1]。EDA（electronic design automatic，电子设计自动化）是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，从而实现硬件设计软件化的新技术。很多学校把EDA的设计思路引入数字电路的教学中[2-7]。

基于EDA技术，引入项目驱动方式，采用线上线下相结合的混合式教学模式，在北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院设置校级本科一流课程。项目式教学法以项目作为切入点，将课堂理论教学与实践教学融入同一教学过程中。教师把知识点融于项目中，再把项目分配给学生，学生在教师指导下完成项目。通过项目教学法，学生主动学习元器件的工作原理及其使用方法，在实践中加深对元器件的认知。与传统教学方法相比，学生学习的过程不再仅仅是枯燥乏味的听课过程，而是学做一体的实践过程，有助于学生理解和掌握抽象的知识与技能，还有助于培养分析、解决问题的能力，更有助于培养协作能力和团队精神。

1 "教改思路

以学生为中心，从“高阶性、创新性、挑战度”的标准审视课程建设的一系列教学活动，引入项目驱动式教学模式，在北京航空航天大学自动化学院的数字电子技术基础课程中采取图1所示多位一体的线上线下混合式教学方案进行授课。

1.1 "创新实验内容设计

项目驱动过程教学环节以及创新实验环节是学做一体实践过程的关键。从系统性思维和能力培养出发，设计项目驱动过程教学的创新实验内容，实验分为两类。

1）基于中小规模集成电路的实验项目。电子钟、电子秤、计费器、模型计算机、乒乓球游戏机等电路的设计，要求学生采用中小规模的集成电路完成电路的设计及仿真。

2）基于FPGA的大规模集成电路的实验项目。要求学生采用Verilog硬件描述语言，基于FPGA完成四类模块的设计，即门电路模块设计、常见组合逻辑模块设计（译码器、编码器等）、常见时序电路模块设计（触发器、寄存器、计数器等）、综合电路模块设计（串口收发模块）。除需要完成设计与仿真外，还要求学生在FPGA开发板上完成实验验证。

1.2 "学时安排及匹配

数字电子技术基础课程一共48学时，受学时限制，没法将创新实验环节安排在翻转课堂上进行。将课程中创新实验相关内容与自动化科学与电气工程学院的电子技术综合实验（1）、电子技术综合实验（2）两门综合实验课程（共32学时）相结合，打通两门课的实验内容，在数字电子技术基础课程中布置创新实验内容，在翻转课堂上进行任务分配，学生利用课余时间以及32学时的综合实验课程完成创新实验的任务。

1.3 "创新实验实施方案

在课程教学中后期，教师公布创新实验设计项目，学生自由组合成立项目小组，每个小组人数不超过四人。每个小组从基于中小规模的设计项目中选择一个作为团队项目，从基于FPGA的大规模集成电路的四个模块中各选择一个作为设计任务。学生根据课程设计项目要求，通过查阅资料、讨论等多种方式确定项目方案，利用课余时间在MOOC平台上自学课程团队所录制的Proteus软件使用方法以及Verilog HDL基础知识的教学视频，掌握创新实验中所要用到的设计及仿真软件的使用方法，运用所学课程知识完成电路的设计、仿真及验证。

2 "基于EDA的教学模式实施方案

以时序逻辑电路的工程时序逻辑电路设计为例，阐述基于EDA的项目驱动式教学方案实施过程。该部分的内容处于“时序逻辑电路”这一章的中间部分，是承上启下的重要环节，涉及时序逻辑电路分析与设计，在此基础上采用逻辑问题解决方法教学，为后续章节的教学奠定基础。

2.1 "教学目标

在知识层面，理解逻辑控制设计问题的逻辑抽象内涵，掌握逻辑抽象的要领、方法和步骤，正确描述逻辑状态和输入输出设定；在能力层面，掌握状态分配要领，正确描述状态转换，掌握求取状态方程和输出方程方法，掌握电路自启动设计方法；在应用层面，理解仿真技术的意义目的，初步掌握Proteus逻辑电路仿真方法、Verilog HDL的硬件描述语言编程，并通过创新综合实验实现电路设计方案。

2.2 "教学方法与策略

为了更好地体现学生主体和教师主导地位，基于线上线下混合式教学模式，从线上和翻转课堂两条主线进行教学方法设计，方案如图2所示。首先，在翻转课堂之前，将教学内容中相对容易掌握的内容安排为线上学习任务；其次，翻转课堂上，以专业背景的工程设计实例为引导，激发学生的学习兴趣，教学过程采用启发式教学方法。教师采用多媒体和板书相结合的授课方式，在课堂上直观地展示电路仿真电路验证过程，分析仿真结果，强化仿真实验手段的必要性和思想方法，演示基于Verilog的典型时序电路设计过程及代码，线下项目研究与线上、线下课堂和创新综合实验紧密结合，多位一体组合安排，综合达成课程目标。

2.3 "教学流程设计

针对时序电路第二节的教学内容，基于EDA的项目驱动式教学流程具体设计如下。

1）布置线上学习内容：时序逻辑电路与组合逻辑电路的区别、时序逻辑电路的分析方法、Proteus仿真软件及Verilog教学视频。教师线上学习指导，并在线上讨论区与学生交流，让学生准确理解线上学习的要求。

2）线上视频学习。学生自主选择线上学习的时间，完成所布置的线上学习任务。教师线上与学生互动讨论，通过微信群等方式收集学生的疑惑和问题。学生通过这个环节掌握时序逻辑电路的分析和设计基本方法。

3）作业和互评。教师布置对应作业题，组织学生互评，有助于学生理解知识点，掌握时序电路分析和设计的基本方法。

4）翻转课堂内容设计。教师根据教学目标设计翻转课堂内容，引入研究性教学，所设计的线下翻转内容可以启发学生思考，激发学生学习兴趣。同时，针对每届学生学习能力可能存在的差异，对翻转课堂的内容进行相应调整。教师主要依据线上学习过程中作业及互评时出现的问题，以及利用微信群等方式收集的学生的疑问，对所设计的翻转课堂内容进行修正。

5）翻转课堂授课。教师根据设计的翻转课堂内容进行线下教学（2学时）。首先，对布置的线上内容进行简单复习和总结，加深学生对线上知识的理解。其次，基于工程中常见的时序控制电路引出翻转课堂的主要内容——实际复杂工程时序电路设计的解决方法。以工程项目中常见的奇偶校验电路、数据检测器电路、自动售货机控制电路等的设计需求为例，在线上课程内容基础上，对状态化简方法、电路的自启动设计方法等内容进行进一步扩展，培养学生分析、解决问题的能力。最后，将自动售货机的设计电路在Proteus中的仿真过程在课堂上展示出来，对设计进行验证分析。图3为采用Proteus软件实现的自动售货机的控制电路，图4为在Proteus仿真中添加虚拟示波器所观察到的输入输出波形，通过输出仿真分析，学生能够更加生动直观地学习。

为了让学生体验到“跳一跳才能够得着”的学习挑战目的，在翻转课堂中增加具有一定挑战度的内容。课堂中加入基于硬件描述语言Verilog HDL的自动售货机控制电路设计，给出实现该电路功能的Verilog HDL程序代码，将时序电路中的状态转换图与基于Verilog HDL的有限状态机描述方法相结合，对程序代码进行解释，学生能够更加容易理解基于Verilog HDL的设计思想。同时，基于Quartus II软件，完成设计及仿真，并在FPGA开发板上进行验证。通过这种方法，学生可以初步了解可编程逻辑器件设计方法，掌握基于Verilog"HDL的数字电路设计的基本流程。图5为运用Quar-tus II综合设计的自动售货机控制电路RTL原理图，图6为自动售货机控制电路时序仿真图。通过这种方式，能够呈现真实电路工作状态，也可以在软件上调整参数，与学生互动，加深学生的理解，充分发挥演示功能在教学中的作用，提高学生对复杂数字电路的逻辑设计能力。

6）创新实验。在课程教学中后期，教师公布创新实验设计项目，学生自由组合成立项目小组，每个小组人数不超过四人。每个小组从基于中小规模的设计项目中选择一个作为团队项目，同时需要从基于FPGA的大规模集成电路的四个模块中各选择一个作为设计任务。学生根据课程设计项目要求，通过查阅资料、讨论等多种方式确定项目方案，运用所学课程知识完成电路的设计、仿真及验证。设计过程中，学生可以通过翻转课堂或者其他线上线下的交流方式获得教师团队的指导，在电子技术综合实验（1）和（2）的线下实验课中完成综合实验。最后，实验课教师通过检查设计原理图、程序源代码、仿真结果以及现场答辩等方式，给出创新实验环节的成绩。图7为学生在创新实验环节所设计的电子时钟显示部分原理图实例。

2.4 "考核方案

课程考核是检验教学效果、提高教学质量的关键环节。传统的以卷面分数为标准的考核方式存在重分数轻能力、重讲授轻实践的问题。建立图8所示多元化、过程化、能力化课程考核体系，该考核体系更加重视过程考核，考核评价贯穿教学过程，在课前、课中、课后各个环节给予适时、恰当的评价。创新综合实验从电路设计、功能仿真结果、设计答辩过程等多方面进行考核，充分考虑过程性考核。综合性考核方式实现对学生从基础知识、概念、实践能力和创新能力等多个角度的综合考查，教学实践效果表明其更为合理有效。

3 "教改效果

在北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院近两年的教学中，基于EDA技术，引入项目式驱动线上线下混合式教学方式，获得良好的教学效果，绝大部分学生不仅在期末考试中获得良好的笔试成绩，而且顺利完成创新实验。借助这一教学模式，学生不仅掌握了教学大纲所规定的内容，还具备了一定的解决复杂工程问题的能力。创新实验环节的锻炼，让学生能够基于EDA技术，掌握数字系统的设计、仿真和调试流程。这种学做一体的实践过程不仅有助于学生理解和掌握抽象的知识与技能，还为培养具有创新精神、工匠精神的求真务实、全面发展的创新型人才奠定基础。

4 "结束语

基于EDA技术，将项目驱动教学法应用到数字电子技术基础课程教学实践中，取得很好的实施效果。该教学法有效激发了学生的学习兴趣和能动性，具有将教学理论与实践融为一体、学生主动参与的突出优点，充分发掘学生的创造潜能，实现“高阶性、创新性、挑战度”的教学目标。

参考文献

[1] 徐东，胡晓光，刘敬猛，等.浅谈在数字电路教学中

培养工程能力[J].教育教学论坛，2019，10（40）：225-226.

[2] 吴俞憬，张祎，许一男.EDA技术在“数字电路”课

程教学中的应用[J].中国电力教育，2021（8）：72-73.

[3] 艾伟清，陈景波，王伟，等.基于FPGA的“数字电路”

教学改革探索[J].电气电子教学学报，2021，43（2）：49-51.

[4] 周佳晖，杜世民，杨润萍，等.基于Proteus和FPGA

的“虚实结合”的数字电路综合实验研究[J].无线

通信技术，2020，29（1）：15-20.

[5] 朱敦忠，刘洁，周红锴.项目驱动教学法在《数字电

路与EDA设计》课程教学中的应用[J].装备制造技

术，2019（7）：150-152，159.

[6] 王红航，刘凯，邓春健，等.数字电路和EDA课程融

合实践与探讨[J].实验科学与技术，2018，16（2）：162-165.

[7] 倪德克，师亚莉，朱旭花.EDA技术在数字电路课程

设计教学改革中的探索与实践[J].大学教育，2016（4）："118-119.