电子设计自动化课程实验教学

分类：应用电子技术论文发表 时间：2020-09-08 09:48 关注：(1)

　　分析了“电子设计自动化”课程实验教学存在的问题，提出在升级教学软件、改革教学内容的基础上，在“电子设计自动化”实验教学中引入翻转课堂模式。通过课前视频学习，课中组队完成综合性实验项目，课后分析巩固，用口袋实验室代替实验箱进行硬件下载，以及考核方式多样化等措施，有效提高了学生的学习兴趣和设计能力，实践证明教学效果良好。

　　【关键词】电子设计自动化；翻转课堂模式；口袋实验室

　　现场可编程门阵列（FPGA）被用作专用芯片（ASIC）的小批量替代品，近年来在微软、百度等企业的数据中心中得以大规模部署，可提供强大的计算能力，并具有足够的灵活性，因此在通信高速接口设计、数字信号处理等领域被广泛应用。为培养学生FPGA开发设计技术，部分高校电子信息类专业开设了“电子设计自动化”课程，讲授时以硬件描述语言（HDL）作为描述语言，以FPGA作为硬件下载芯片，是电子自动化设计的实践类课程，对提升学生设计能力和动手能力具有重要意义。“电子设计自动化”课程是一门实践性很强的课程，安徽大学的“电子设计自动化”实验课程采取单独授课，因课时有限，EDA实验箱一直采用并口的下载方式，然而笔记本计算机一般没有并口，学生只能在实验室完成实验，课后无法做下载验证。因此，学生在有限的时间内往往只能进行一些验证性实验，学习的兴趣不高，工程实践能力无法得到提高[1,2]。

　　1翻转课堂模式

　　翻转课堂起源于美国，是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生，目前在我国高等教育、中小学教育课堂被广泛应用。翻转课堂模式如图1所示。在这种教学模式下，教师不再占用课堂的时间来讲授基础内容。课前，学生通过观看视频、讲座，做练习题，阅读电子书，与其他学生进行交流讨论，查阅资料，最终完成自主学习，并提出所遇到的问题。课中，教师采用直接讲授和师生讨论的形式，提出项目的解决方法，鼓励学生分组合作，组内成员协作讨论，进行个性化学习，教师对学生的学习成果进行评价。课后，学生对所学内容进行巩固和提高。翻转课堂模式是对传统课堂的教学结构与教学流程的彻底颠覆，可以让学生参与度更高[3,4]。

　　2翻转教学设计

　　2.1升级仿真软件和改革实验内容

　　为了有效实施翻转课堂模式，需要对仿真软件做必要的升级。实施翻转教学之前，笔者使用的实验软件是Altera公司的QuartusII，该软件自带仿真功能，不支持Modelsim软件和实验中用到的FPGA芯片CycloneIVEP4CE6E22C8。因此，将软件更新为QuartusII（13.1版本），其中包括Modelsim软件，该软件是一款优秀的HDL语言仿真软件，能提供友好的仿真环境，是单内核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器，仿真速度快；此外，QuartusII支持CycloneIVEP4CE6E22C8。为满足现有翻转课堂模式的需要，笔者对教学内容进行了以下改革。不再保留基于VHDL组合逻辑电路和基于VHDL时序逻辑电路等验证性实验；增加Modelsim软件运用，以及七人表决器、流水灯、频率计等设计或综合性实验；对数字钟等已有的实验内容进行调整，如现有实验设备频率只有50MHz，而数字钟实验涉及的计数时钟和数码管扫描时钟，频率分别为1Hz和1000Hz，需要学生自主设计分频电路。

　　2.2口袋实验室的运用

　　为了方便学生学习，安徽大学与南京锆石公司合作开发了口袋实验室。FPGA开发板在保证功能不减少的情况下，尽量减小实验箱体积，以方便学生随身携带。笔者课前将口袋实验室发给每名学生，学生可随时随地进行实验，打破了传统实验室的时限性和封闭性。安徽大学与南京锆石公司合作开发了时钟、复位、LED、拨码开关、数码管、蜂鸣器、串口、红外、VGA等FPGA开发板，具有配套的实验教学资料，丰富了实验内容，增加了学习的趣味性，激发了学生的创新思维，提高了学生学习的主观能动性。

　　2.3翻转课堂设计

　　通过微信、QQ进行课程前期的导言介绍，将QuartusII（13.1版本）软件的安装、系统硬件的安装、使用流程作为学生课前学习的内容，学生可以观看视频学习，学生之间进行交流讨论，教师对学生安装过程中存在的问题进行答疑。（1）课前，笔者布置预习内容和验证性实验的内容，让学生有针对性地进行视频学习。例如，针对1位二进制全加器的设计，基本组合逻辑电路和时序逻辑的设计都是验证性实验，学生可以课下完成，教师课上验收结果。学生完成自主学习后，针对学习过程中遇到的问题或提出的建议开展讨论。（2）课中，针对学生感兴趣或有疑惑的问题重点解答，在学生先期学习的基础上，有序地提出一些项目设计题目，例如，在学习原理图输入法时，在学生设计的全加器的基础上，要求学生利用设计好的全加器设计一个七人表决器；在验证基本组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计实验的基础上，要求学生完成综合实验计数器设计及其数码显示，如流水灯、数字钟设计等。以数字钟实验为例，数字钟实验中一般需要1Hz的计数时钟，因为FPGA开发板上的数码管是串行的，点亮多个数码管需要扫描时钟（如1000Hz或选择其他频率的扫描时钟），但是FPGA开发板上只有50MHz的时钟信号，因此需要设计两个不同频率的分频器。设计数字钟时，需要设计60进制（秒表或分钟）、24进制、12进制（小时）的计数器，以及译码、数码管分配电路。在预习环节，要求学生先预习教材中60进制的计数器内容并验证，自行设计1Hz、1000Hz的分频器。课上，学生两人为1组，将分频器、计数器、译码器、数码管分配电路组合，进行编译、仿真、引脚定义，并下载到口袋实验室中，下载结果如图2所示。实验完成后，学生对所做的实验进行汇报，讨论存在的问题（如增加新功能、调时或调分、整点报时等）。教师对学生的实验结果进行评价。（3）课后，学生根据课堂存在的问题，可以对自己所设计的数字钟进行修改或增减功能，随时利用口袋实验室验证所设计的电路是否正确。翻转课堂的教学模式极大地提高了学生的设计能力。

　　3考核方式多样化

　　成绩测评是教学的重要手段，是为提高教学质量服务的。改革前，学生的成绩主要以平时成绩和实验报告为主，然而实验报告往往存在内容雷同的现象，不能真实地反映学生的知识水平，笔者对考核方式进行改革[5]。改革后，学生“电子设计自动化”实验成绩主要由3个部分组成：①课前预习情况、课上回答问题情况和考勤情况，这部分成绩占总成绩的30%；②课中设计的创新性和实验报告，这部分成绩占总成绩的50%；③实验考试，这部分成绩占总成绩的20%。“电子设计自动化”课程实验考核以平时表现为主，考试成绩为辅，这样可以避免一考定成绩的不全面的弊端，调动了学生在平日里学习的主动性。

　　4结语

　　安徽大学的“电子设计自动化”课程实验教学效果通过改革实践得到了改善。教学改革极大地激发了学生学习的积极性，促进了对学生实际动手能力的培养。改革后，学生的综合分析处理能力得到提高，分析问题、解决问题及团队协作能力得到了加强，学生的创新意识得到了培养。部分学生积极参加了FPGA电子设计大赛和电子创新设计竞赛，并在比赛中获奖。

　　作者：张芬 程鸿 章权兵 张保华