一种“数电”与“EDA”共享的移动实验平台

2018-05-23杨杰班琼

大学教育 2018年3期

杨杰班琼

[摘要]在 “数字电子技术”及“EDA”课程的教改中，将已有的自制数电实验箱升级为与EDA共享的实验平台，并配发给每位学生自由携带，从而彻底打破了传统实验室空间、时间的限制，实现了实验的全方位开放。两年来的教学实践证明，这种方法可以显著提高整体教学效果，有效拓展学生创新能力。

[关键词]教学改革；实验开放；平台共享

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）03-0011-03

“数字电子技术”（以下简称“数电”）和后续的“EDA”，是工科电类各专业两门重要的技术课程。近年来，我们结合学校精品课程以及省级、校级教改项目的建设，将“数电”与“EDA”进行了有效整合，通过给学生配发自制实验箱的方式，配合一套精心设计的实验方案，在自主性开放实验方面进行了有益的尝试，取得了较好的教学效果。

一、课程背景

为了适应电子技术的高速发展，大量新型的学科纷纷出现在大学课堂，如DSP技术、SOC技术、EDA技术、数字通信、嵌入式系统等，其中许多被列为当今的核心科技学科，引领着未来电子技术的发展方向。作为这些相关学科的共同基础，数字电子技术的进步也是日新月异，因而对课程的教学内容、实验模式也提出了更多的挑战[1]。

但就目前而言，国内许多高校依然按照传统的培养模式，将“数电”和“EDA”课程分别设置，其中“数电”还是以20世纪80年代的手工数字设计技术为核心展开教学，其基本内容和实验模式几乎都停留在30～40年前。应该说，这些都是在计算机软硬件技术还不发达的时代的无奈之举，工程师只能靠“十年磨一剑”，通过长期实践积累经验来弥补此技术的不足。

现如今，半导体技术、计算机技术高速发展，EDA（电子设计自动化）技术也已非常成熟并得到广泛应用。传统数字电子技术所介绍的包含若干个逻辑门的器件早已变成了现在特征尺寸仅数十纳米的SOC系统；过去靠手工设计技术将74系列器件组合成“板上系统”的时代也脱胎成为基于EDA技术实现的“片上系统”的时代。在这种大环境下，高校的教学必须做出相应的调整，才能适应新形势的需求。对“数电”与其后续课程“EDA”进行有效整合，就是这种调整的具体举措。

我们认为，就“数电”及“EDA”课程而言，以实验环节为突破口进行教学改革，具备“天时”“地利”“人和”的优势：

（一）“天时”

当今时代，计算机技术高度发达，造就了便捷的网络世界，缔造了高效、逼真的虚拟仿真环境，半导体芯片技术的飞速发展，这些都为“数电”和“EDA”的实验开放提供了极为有利的外部条件。

使用Multisim、Quartus II等软件仿真，可以得到与实际电路几乎完全相同的运行结果。这就为学生自主创新设计提供了一个理想的辅助实验平台。学生在创新构思时，可以随意选择使用仿真软件中的虚拟元件库所提供的全系列器件，或利用CPLD/FPGA芯片的大量资源，几乎不受元器件种类、数量和测试仪器仪表资源的限制，且修改设计极其便捷。EDA的功能仿真、时序仿真以及便捷的下载特性，使得学习更加灵活高效。学生可以从烦琐的接线中解放出来，完全不受芯片资源的约束，且充分发挥了现有实验箱的余热，可谓如虎添翼，相得益彰。

四通八达的网络为师生交流提供了良好的交互平台。利用校园网提供的条件，可以把学生喜爱泡在网上这个特点，转化成了方便师生沟通的优势。借助于网络，学生可以把设计仿真文件上传至老师，并就遇到的问题请教老师，老师也可了解学生的进展，修改学生的设计，保证实验的成效。

（二）“地利”

“数电”及“EDA”课程的实验内容，大部分对实验硬件的要求非常简单，只要有直流电源，简易的方波信号源，最普通的测试手段如LED灯、万用表等，即可完成许多电路设计与调试。所用器件大多为标准化的系列产品，价廉、易得，且可重复使用，这些是制作便携式数电实验箱的前提。而笔记本电脑的普及、EDA芯片的高度集成、EDA开发环境（低版本）的免费普及均为新一轮实验改革提供了基本保证。

“数电”这门课程所讲授的内容是电子技术的一个重要分支，介绍的是现代计算机工作最底层的硬件基础；作为电子、通信、计算机、自动化等专业的最主要的核心基础课程和考研课程，也易受到学生的普遍重视。“EDA”课程所介绍的内容，紧跟技术时代的发展，为学生今后的就业奠定了基础。“数电”及“EDA”课程的实验内容，经过精心组织后，可以紧密结合实际，容易引发学生高度兴趣。

（三）“人和”

“数电”及“EDA”课程的学习对象，一般是大学一年级下半学期或二年级的学生。从学习态度上讲，他们已从最初考上大学的喜悦中平静下来，许多人开始着手进行人生的规划，开始关心就业、考研等问题。从学习能力上讲，他们已基本完成了高等数学、大学物理等基础课程的学习，正逐步开始进入专业课程的学习，应该说经过最初低年级的磨合，已适应了大学阶段的学习环境，知识面得到了一定的拓展，也已初步掌握了一些专业基础知识，具备了一定的自主学习能力。

二、方法思路

实验是工科专业教学的重要环节，其地位作用不言而喻。为提高实验教学效果，学生需要尽可能多地主动参与进来，同时需要开放的实验室作为支撑。然而，受制于诸多不易解决的实际问题，如教师的人手、报酬、仪器设备安全，等等，通常学校的实验室开放程度有限，事实上已成为实验教学改革的瓶颈。

为了避开这个难点，我们另辟蹊径，采用了新的办法。我们发现，就“数电”而言，其实验对硬件条件相对要求较低，常規实验并不需要复杂设备，只需提供相应的输入、输出条件即可，甚至一般的调试使用LED小灯即可完成。基于此，我们精心规划设计了“数电”实验的内容，并量身自制了一批便携式实验箱，配套若干芯片后发放给学生。该实验箱体积小巧、方便好用，学生借助于仿真、网络，可以在宿舍、图书馆、教室等处随时进行实验，完全突破了传统实验室的时空限制，实现了实验的全方位开放，取得了很好的实际效果[2]。

“EDA”作为“数电”的后续课程，也可视为数电的高级阶段。虽然实验室中配备了高档实验箱，但无法做到对所有学生全方位开放。然而我们观察后发现，其实“EDA”实验与“数电”实验相比，仅实验硬件对象由诸多小规模数字芯片变成了单独的FPGA/CPLD芯片，实验所需的输入输出条件与“数电”实验基本相同，完全可以在前期“数电”实验全方位成功开放的基础上，借助于现有的“数电”实验平台，把“EDA”实验也从传统实验室中解放出来。

我们在原有的自制实验箱上，通过增加FPGA扩展板的方法升级实验箱，把“EDA”设计手段“嫁接”到传统的“数电”实验平台上来。这样，原本“数电”实验箱具备的高低电平信号、脉冲信号等同样可以给“EDA”实验提供所需的输入条件；各个“EDA”实验的结果也同样可以用实验箱上的各种发光、发声器件“显而易见”地展现出来。

传统实验手段具备方便直观的输入、输出条件，但用传统方法设计复杂电路则会遇到芯片数量多、接线麻烦、调试困难等瓶颈；而用现代自动化设计可轻易且灵活地实现复杂的电路功能，但需要外部提供输入输出条件才能完成实验。本实验平台将现代自动化设计手段“嫁接”到现有的传统实验平台上，两者合二为一，真正做到了长短互补、珠联璧合，取得了1+1>2的实际效果。学生在同一个小巧的实验箱上，可以从在“数电”实验中指挥十余个小芯片的“小班长”，一下上升到了在“EDA”实验中指挥千军万马的 “大将军”。

三、配套措施

为适应“数电”与“EDA”的整合，我们采取了如下措施：

（一）精心设计实验内容

我们把整个“数电”实验的内容分成几個模块，每个模块的任务灵活有变，分基本内容和拓展内容两大部分，由简单到复杂；学生根据自己的能力、兴趣选择实验内容，从而实现了分层次教学。这样做，既可以让有能力的学生吃得饱，又不至于让部分基础差的学生因无法完成自主设计而产生抵触。这种方式，为开放型实验的成功实施提供了保障。

在实验内容的组织上，结合实验箱的功能，整体规划、前后呼应。在实验手法上，尽量求新、求好。如逻辑门的特性测试改用示波器的“X-Y”方式显示，既一目了然，又方便用现代手段记录实验结果，同时也复习了示波器的用法。在实验内容上，注意从现实应用中提取素材，提高学生参与兴趣。如对触发器的功能验证，结合学生熟悉的竞赛抢答器进行；计数器的实验内容也与电子表的星期、日（月）历结合起来。这些做法不仅提升了实际效果，而且也为后续的综合性实验、课程设计做了相应的铺垫。

新增的“EDA”实验，经过精心策划组织，由浅入深、循序渐进。每个实验均有重点，又前后呼应。所有内容均为依据实验箱量身定制，既涵盖了“EDA”教学的主要内容，又充分发挥了实验箱的硬件作用，大大提升了实验箱的使用效率。

（二）编写详尽的实验指导

以相对熟悉的数电知识为起点，为整个“数电”及“EDA”实验提供了详尽的指导。尤其是“EDA”部分，从开发软件的安装到芯片的选择、管脚的定位，以及所有实验内容的各段代码，都提供了详细的实际范例。所有程序，都已实际运行通过，学生只要按照指导说明书，不但可以亦步亦趋的完成各种实验，而且可以在完成各个实验目标的过程中，学到现代电子设计的基本方法、步骤。

（三）合理配备实验材料

我们根据实验要求，精心选择了20多个型号的传统数电芯片配发给每个学生。由于芯片的逻辑功能在一定条件下可以互相代用，因此这些芯片只要合理使用，足以覆盖全部实验内容，且可设计出不同的电路方案。

（四）项目式的实验模式

每个实验设计了直观的结果，并追求所谓“快速穿越”，即用尽可能少的步骤尽快看到最终实验结果，以提升学生参与设计的兴趣；凡可介绍可不介绍的知识点，都留到后续实验中去完成（比如有意把仿真推后）；每个实验都有新增的知识点，又有意调用前面实验的内容，并结合实验内容讲解关键语句。这样通过前后呼应，不断迎新、重复，最终实现初步了解EDA设计技术的目标。

（五）开放式的实验管理

我们采取“教师指定实验内容，学生自主实现”的办法，取消了实验指导书，改为下达实验任务书。“组合逻辑”、“时序逻辑”等重点实验内容全部是自主设计的，不提供现成的电路，学生必须自己研究、设计方能完成实验。其他的实验，包括综合性实验都包含学生参与设计的内容。由于实验箱是配发给学生的，学生可以在任何时间、任何场地自主完成实验内容。在进实验室之前，学生可以借助网络，把设计仿真文件上传至老师，并就遇到的问题请教老师；老师也可及时了解学生的进展，修改学生的设计，保证实验的成效。因此，我们通常真正进实验室“做”实验时，学生都已根据自己的能力及兴趣选择并完成了实验内容，老师只是逐个检查学生完成情况而已。

（六）引入良性竞争机制

全开放模式的实验，因每个学生自己设计的电路不同，肯定有好坏之分，而争强好胜是年轻学生的本性。据此，我们引入了竞争机制，在一些关键环节，先提出一种电路方案，要求学生进行改良，进而在学生提出的方案中评选最佳。学生有了具体的目标，兴趣大增，同学之间也会有比拼。这样，学生不仅开阔了思路，也借机真正搞清了什么是最优设计，达到了事半功倍的效果，同时也为日后参与社会竞争做了铺垫。

我们还通过举办“数字电路设计大赛”的方式，活跃了学习气氛，促进了学生的良性竞争。

四、实际成效

经过升级的实验平台，兼顾传统手工设计方式和现代设计方式，可以完成数十种“数电”及“EDA”实验；实验箱同样采用积木式结构，体积小巧、功能齐全、使用简单、维护方便。两年来多个班级实际使用的效果表明，该实验箱完全可以同时满足这两门课的实验需求，在课程设计甚至毕业设计中也可发挥作用，真正做到了“好用”“ 够用”“ 实用”。其亮点为：

（1）极大地拓宽了实验内容

所有实验不受传统意义上的芯片类型、数量的限制，所能实现的功能也将大大提升。

（2）解放了学生的手脚

学生可以把原先大量用于接线、调试的时间、精力，转移到“随心所欲”地在电脑上构建新的创意上，在此过程中可以激发出更多的灵感，进而培养其创新的精神。

（3）充分挖掘了数电实验箱的“潜能”

在几乎不增加学校财政负担的情况下，进一步拓展了实验室的时空，把全方位的实验方式从“数电”延伸到了“EDA”。

为了检查实验改革的实际成效，我们在课程结束时，连续4次面向学生进行了问卷调查。调查结果统计表明，学生普遍认為实验改革对提高动手能力有很大帮助，对此绝大多数学生的整体评价很好，实验改革得到了学生的普遍认可。在学校组织的“课堂教学质量评价”中，每届学生都对相关课程给予了很高评价，在全院众多课程的得分排名中，一直名列前茅；由学校资深教授组成的教学督导老师也多次随访听课，也都给予了很高的评价。

经历了“数电”及“EDA”等课程自主创新性的实验后，许多学生对电子技术产生了浓厚的兴趣，不少学生对本专业从最初的“排斥、怀疑”转变成了后来的“接受、喜爱”。许多人报名参加了创新小组，在课余时间结合小的课题，继续开展有针对性的学习活动。这些学生的举措，在目前高校学风普遍不尽如人意的现实环境下，犹如一股清风，有效地提升了学校的学习氛围。