数字系统设计实验教学改革探索

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摘要：根据近几年的教学实践，分析了数字系统设计实验教学中存在的主要问题，结合EDA实验教学特点，提出了几点教学改革思路并进行了一些改革实践探索，实践证明， 取得了较好的教学效果。

Abstract： According to the teaching experience in recent years， the main existing problems in the teaching process of digital system design are analyzed. Combined with the characteristics of EDA practical teaching， some ideas for teaching reform are proposed and the reform practice is carried out. The results show that the reform has a better teaching effect.

关键词：可编程逻辑器件；教学改革；实验教学

Key words： programmable logic device；teaching reform；experiment teaching

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）35-0131-03

0 引言

EDA技术凭借自身的优点在教学、科学研究、工程开发方面得到了越来越广泛的应用，广义的EDA技术包含电子系统设计仿真分析、可编程逻辑器件开发应用、专用集成电路开发应用等方面，各方面设计应用具有不同的设计软件和硬件，在教学中各自发挥着不同的作用[1-2]。其中，基于FPGA/CPLD的数字系统设计教学已经成为本科实践动手和创新能力培养必不可少的一个环节，也是目前电子技术类课程教学改革的重要方向。相比于传统数字电路，FPGA/CPLD具有不可替代的优越性。但是在传统的数字电路如何与现代的数字系统设计方法相结合、FPGA/CPLD实验系统建设、数字系统设计课程的大纲建设、数字系统设计教材建设和数字系统设计实验内容设计等方面还有很多工作需要不断的研究与实践探索[2-4]。为了适应社会对创新型和工程性人才的需求，不断进行EDA实践教学改革是必然的趋势。本文将着重介绍数字系统实验教学中存在的问题以及教学改革思路与实践探索。

1 数字系统设计实验教学中存在的问题

西安工业大学对EDA技术很早就开始重视，在电子、通信、生物医学电子类专业开设了数字系统设计理论课程和与之对应的独立设课实验，理论课安排32课时，主要学习数字系统设计方法、可编程逻辑器件概述以及VHDL程序设计语言，独立设课实验安排24课时。实验教学取得了较好效果，学生的动手实践能力得到加强，对理论课程理解更为深刻。但是也暴露出一些问题，有些问题也是各个学校的共性问题，主要存在这几个方面的问题：

①大部分学生习惯于验证性实验的模式，喜欢拿来主义，只按照老师讲解和讲义的实验内容完成实验，没有对其中的实验现象和结果认真思考，在实验报告中也不进行认真总结，应付差事，导致实验教学效果大打折扣。②由于课时限制以及学生基础等方面的原因，综合设计性实验完成效果不很理想。③由于有些专业没有开设EDA相关课程和实验，在毕业设计中用到可编程逻辑器件时，无法上手。④单一的实践教学手段不能很好地调动学生学习的积极性。实验原理内容步骤等固定模式，固定统一的实验箱等限制了一部分优秀学生的发散思维和创新意识。学生开展数字系统设计相关实践的渠道较少，高年级学生在做相关课题时，牵扯到可编程逻辑器件时，表现出能力不足，基础不好的现象。

2 改革思路与实践

数字系统设计涉及面很广，内容较多，从实验教学的要求看，主要应掌握如图1所示5个方面的内容。

针对实验教学中存在的问题，结合数字系统设计实验教学要求，笔者对数字系统设计实验教学环节进行了认真的思考与积极的探索实践，总结了以下四点内容。

2.1 EDA实验与数字电路相结合 随着现代电子设计自动化（EDA）技术的发展，大多数高校将EDA技术设置为一门必不可少的专业基础课。由此产生了传统的数字电路基础教学与现代EDA课程在教学内容和实验安排上的不同的看法。比如现代数字系统设计方法是否可以完全脱离数字电路课程的基础？传统的数字电路课程如何与现代最新的数字系统设计方法相结合？笔者认为数字电路课程的学习是为了更好地掌握现代EDA技术，而EDA实验环节是数字电路学习过程中的提高与升华阶段。

西安工业大学以前的数电实验24学时全部由传统基础数字芯片来完成，计划在卓越班试点将基于FPGA/CPLD的EDA实验引入数电实验，调整为传统数字电路器件12学时+可编程逻辑器件12学时。使学生初步具备硬件设计软件化的理念。初步掌握使用EDA的设计工具完成简单数字电路。条件成熟后先在电信学院所有专业引入基于FPGA/CPLD的EDA实验，然后在全校工科电类相关专业开设。

2.2 建立分层次相互衔接的实验教学体系 整个实验体系分为基础型、提高型、综合设计型3个由浅入深的层次。3个层次组成了一个有机的整体，前面层次是后面层次的基础。在具体的实验内容安排上，遵循由易到难，由模块到系统、任务前后有机衔接的规律。培养学生从基本单元电路到系统电路设计的能力。改变传统实验项目独立与封闭的状况，体现实验学习的层次性和连续性。

基础型实验是提高型实验与研究创新型实验的基础，而提高型实验又是综合设计型实验的基础。比如基础型实验中60进制计数器与24进制计数器是简单数字电子钟设计的核心模块，在进行数字钟设计时可以直接调用前面的模块。

在同一层次内，在所有实验项目中，均设立了基本功能部分和能力拓展部分。对于基本部分，所有学生必须保质保量完成，而能力拓展部分鼓励动手能力强、思维活跃的学生进行拓展与创新。比如在流水灯设计实验完成后，在老师规定实验任务的基础上实现其它花样流水显示，同学们自己动手调试。在数码管扫描显示电路设计完成后，可以对显示数据进行修改或者设计来自A/D采样的数据、来自分时锁入的数据、来自串行方式输入的数据、来自常量兆功能模块或来自单片机等。还有比如译码器设计，一提到译码器，学生就联想到3～8译码器，以为译码器只能完成3～8译码的功能。学生完成实验后对译码器的理解仍然很局限。在此基础上进行了可以适当拓展。学生在完成3～8译码器的设计、仿真与硬件验证后，鼓励学生根据自己的意愿进行译码，可以完成8路花样彩灯电路设计。通过实验学生能够真正理解译码器的本质含义及其应用。

本体系以能力培养为主线，采用分层次、多模块、相互衔接的实验教学体系，符合学生的认知和学习规律，效果良好。

2.3 引入设计性和开放性实验，建设开放性实验室 设计性和开放性实验是指在实验前教师给出实验目的、实验要求，学生拟定实验方案，教师对方案认可后学生自行完成实验，并将实验结果上交教师，最后，学生根据建议完善实验、完成实验报告。这种实验模式由学生自行设计实验方案，可以大大激发学生的兴趣，提高学生动手能力，培养创造性思维。

笔者认为在高校在进行有关实验室建设时，特别是开放实验室建设时，不一定全部购买常规的、高档的实验设备与仪器，而应该购买一定数量的核心开发板，如CPLD开发板、单片机开发板等以及丰富电路模块，比如各位传感器、通信模块、显示模块等。学生在成品实验箱上做实验，难以真正理解设计的原理，无法深刻体会系统设计与工程设计的概念，感受自己设计出电子产品的乐趣。学生可以根据题目和功能分析需求在核心开发板上设计并制作出电路。

学生制作核心板扩展电路的过程是一个极为有效的自我学习与锻炼的过程，因为对刚接触专业基础课的学生而言，除了必须仔细考虑器件的型号、数量、布局、价格、焊接电路板的成本与质量等因素外，还得积极思考诸如：数码管的显示是采用静态扫描方式还是动态扫描方式、电路的限流、按键是采用高电平有效还是采用低电平有效、时钟信号是如何产生的、如何进行信号分频、FPGA/CPLD核心板的引脚排列与各引脚功能等具体技术问题，将理论知识应用于实践中[5]。真正明白所谓的EDA设计究竟是怎么一回事，极大地激发了学生的内在潜能。

对于设计性和开放性实验，严格要求撰写设计报告。学生应按规定的格式编写设计报告。应包括封面、正文、设计小结和参考文献等。正文主要包括：设计任务和要求；系统控制要求和流程；主电路的设计和元器件的选择方法；元器件型号和规格明细表；程序流程图；电路原理图；程序清单及系统调试中出现的问题和解决措施；注意事项；收获体会、存在问题和改进办法等。

对于设计性和开放性实验优化考核方式。建立明确的考核指标：设计方案分析；实际动手能力测试；创新点评价；设计报告的是否规范、正确；分组答辩。在进行设计验收和成绩评定时，要着重考察学生设计方案的正确性和相关知识的掌握情况。在注重结论正确的同时，强调整个设计和方案实施的全过程。即使结论不尽如人意，只要学生能找出其中原因并提出改进措施，仍可以获得较好成绩。

2.4 鼓励教师结合科研和工程课题、积极开发综合设计性实验内容 只有通过综合设计性实验，学生才能真正体会模块到系统的概念，建立工程设计的理念、掌握自顶向下的设计方法，而不是局限在单元和模块这个范围之内[6]。部分综合设计性实验提供设计思路和原理图，以培养学生独立思考问题的能力，充分调动学生的创造性思维。例如，要求学生完成一个模拟数据采集与检测系统，给出实验设计要求和参考原理框图，学生自己独立完成。

①设计要求：设计一个6路模拟信号循环采样电路，要求采样间隔为3s至6s。对采样信号设置上下限。要求采样信号在上下限之间时，经过D/A转换输出模拟量，当采样信号超限时，使D/A转换输出为零，采样一直停留在该路信号上。设计采样通道号显示电路，要求用七段数码管显示当前采样通道。

②原理框图可参考图2所示。

目前电工电子实验中心已建立电子技术开放实验室，并进行网上开放实验预约，每学期全校大约有150人左右选择基于可编程逻辑器件的系统设计题目，约20组团队以FPGA/CPLD为主要器件在开放实验室完成大学生创新训练项目课题。依托数字系统设计开放实验平台，近三年学生积极参与全国各类电子设计大赛并取得丰硕成果，获省部级竞赛奖150多项。目前正在给3个电子技术实验室申报CPLD开发板和微型计算机，等建设完毕可以满足每学年1500人在实验室完成EDA软硬件实验。近三年项目课题组积极开发申报综合设计性实验项目，累计开发综合设计性实验项目15项。这些工作实践为教学改革工作的开展提供了有力的保障。

3 结束语

随着电子技术的飞速发展，数字系统设计课程已成为电子信息类专业的必修课程，然而如何让学生在有限的学时内掌握EDA技术的核心知识，达到学以致用的目的仍是一个难题。结合西安工业大学数字系统设计实验教学的实际情况，提出几点教学改革思路并在教学实践中进行了验证，取得了较好的教学效果。在今后的工作中，应不断地结合实践教学的实际情况，从实验实践教学方式、教学方法及教学手段等方面进行改革。促进学生掌握EDA设计方法、设计流程，改善教学效果。

参考文献：

[1]潘松，黄继业.EDA技术与VHDL（3）[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]梁洪卫，高丙坤，等.“EDA技术与应用”实验与实践教学改革[J].实验技术与管理，2011，28（1）：147-149.

[3]黄卫华，贾历程，等.基于FPGA的EDA实验系统改革与实践[J].实验室研究与探索，2012，31（4）：203-206.

[4]陈莉平，任艳频，等.多层次开展EDA实践教学的探索[J].实验技术与管理，2008，25（10）：92-93.

[5]高圣伟，刘雪莉，等.加强EDA实践教学初探[J].实验室研究与探索，2011，30（3）：369-371.

[6]任爱锋，孙万蓉，石光明.EDA实验与数字电路相结合的教学模式的实践[J].实验技术与管理，2009，26（4）：200-203.