数字电子EDA的混合式教学实践.pdf

130 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Applications创新应用在现有56学时中，删减了门电路中对TTL、CMOS逻辑电路内容结构的内容；压缩了传统公式化简法；在组合、时序逻辑电路教学内容中，简单介绍工作原理，重点掌握集成电路的应用。增加了6学时补充EDA方面的知识。包括大规模可编程逻辑器件的基础知识，硬件描述语言Verilog HDL及编程软件Quartus II平台等相关内容。2 EDA技术的教学设计便于理解抽象概念。数字电子技术课程概念较多，概念抽象。例如“同步”“异步”等，仅通过课堂讲授，学生难以深刻理解。融入EDA设计方法后，讲解抽象的概念时结合仿真电路实例就具体化、形象化、简单化。把课程的重点难点说透、说明白，这样在课后学生就不会有疑问，完成练习作业无障碍。例如，在讲解典型数字集成电路译码器时，教师在多媒体教室中使用仿真软件Quartus II中，调用自带的集成电路模型，编译、仿真3线-8线译码器的功能。加上输入端、使能端的信号，让学生观察输出结果。从而使学生直观掌握最小项、使能端、优先权等重要知识点。再例如触发器讲述中，有CLK、异步置零、异步置1，还有同步等概念。通过触发器仿真波形分析，加深学生对重要概念的理解。验证典型逻辑电路功能，掌握分析设计方法。在数字电子技术中，常用的集成电路种类繁多，0 引言随着集成电路的飞速发展，数字集成电路已从中小规模，发展到超大、甚大规模。相应地，现代数字系统的设计方法也从传统手工设计发展到以大规模可编程逻辑器件为载体，以硬件描述语言为方法、以仿真软件作为开发环境的现代电子系统设计方法，即电子设计自动化（Electronics Design Automation,EDA）。这对“数字电子技术”课程的教学内容、教学方法和教学手段提出了新的要求。1 研究背景我校“数字电子技术”课程建设情况。“数字电子技术”课程是从2004年开设的专业基础课程。为了适应电子科学技术的发展以及对人才培养的要求，不断对教学内容进行了调整和改进,新版教学计划将64理论学时精简为56学时，实验16学时，共72学时。实验环节增加设计性综合性项目，提高学生实际动手能力和分析、设计能力。同时加强现代化教学方法和手段，建成了线上教学平台，各项的教学资源丰富，如课件、视频、作业、考试、动画、讨论等，为学生在线上学习提供了便利的条件。逐步提高学生学习兴趣和积极性。通过混合式教学实施，不仅改革课堂教学模式，有效调动学生学习积极性、提升课堂的教学效果。在课程内容方面也做了较大的改革，理论教学和实验教学中引入了EDA技术。根据实际需要对教材内容进行了精选、优化。基金项目：郑州西亚斯教改基金资助项目（2020JGYB15），2020年河南省线上线下混合式一流课程建设项目（豫教202013411）。作者简介：海洁，郑州西亚斯学院；研究方向：数字电子技术。收稿日期：2022-05-09；修回日期：2023-05-19。摘要：阐述融合EDA技术的数字电子技术课程混合式教学实践方法，EDA技术的教学设计、验证典型逻辑电路功能、混合式教学互动、EDA技术与实验教学的融合。关键词：电子设计自动化，数字电子技术，逻辑电路，Verilog HDL语言，实验教学。中图分类号：TN79-4 文章编号：1674-2583(2023)06-0130-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.054文献引用格式：海洁，庞学民.数字电子EDA的混合式教学实践J.集成电路应用,2023,40(06):130-131.数字电子EDA的混合式教学实践海洁，庞学民（郑州西亚斯学院，河南 451100）Abstract This paper expounds the blended teaching practice method of digital electronic technology course integrating EDA technology,teaching design of EDA technology,verification of typical logic circuit functions,blended teaching interaction,and integration of EDA technology and experimental teaching.Index Terms electronic design automation,digital electronic technology,logic circuit,Verilog HDL language,experimental teaching.Practice of Blended Teaching Digital Electronic EDAHAI Jie,PANG Xuemin(Zhengzhou Sias University,Henan 451100,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 131使用方式也很灵多，数字电路的分析、设计方法又多种多样，教师只对着电路原理图分析逻辑功能，学生在短时间内很难理解和掌握。而Quartus II提供了丰富的逻辑功能模型库，包括常用74系列的器件，这就为课堂讲解这些器件的逻辑功能提供了便利。例如，讲解利用74160/74161设计任意进制计数器时，教师在仿真软件中调用集成计算器74161，并实现十进制计数器。和单纯讲解设计方法相比，学生更直观看到过程、验证结果，能快速掌握设计方法。再例如555定时器设计门铃、报警器等电路，使学生把枯燥抽象的电路和日常生活中的电路建立直观的联系。整个过程中，强调学生的参与，有利于培养学生的积极性。重应用、重方法，对深奥晦涩的理论不做重点讲解，而是通过演示出来，让学生可以看到结果。混合式教学互动。学生课前在课程泛雅平台了解本次课程的主要内容，并有针对性的预习。课上教师对重点知识点讲解、利用EDA技术进行电路功能演示、答疑，并通过“学习通”发起各自活动。学生以小组共同讨论方式完成教师布置的任务。小组按要求进行成员演讲或演示，并将结果发布到学习通平台上。教师在小组讨论过程中，会进行旁听指导，帮助学生理解，从而调动学生学习的积极性、提高课堂学习效率和效果。例如在讲解译码器的设计方法时，利用Verilog HDL语言编程，快速建立电路、由学生分析仿真结果。教师通过小组任务、主题讨论、学生提问等方式与学生互动，进行混合式教学。再例如，教师课堂演示利用硬件描述语言搭建4选1数据选择器。由学生观察电路运行的过程和结果。学生完成小组任务时，举一反三、轻松修改参数，实现8选1数据选择器。3 EDA技术与实验教学的融合提升学习兴趣。传统实验教学是基于实验箱的“芯片+连线”式实验内容。学生必须在对所做实验项目有一定的理解后才可顺利完成。实验时学生花费较多时间在机械地接线上，缺乏主动思考，实验效率低。通过Verilog HDL语言编程和QuartusII软件的简单学习，熟悉器件引脚和下载配置方法。学生就可以在实验箱上对逻辑电路的硬件测试，还可以利用Verilog HDL语言上机编程，即使学生不熟悉FPGA等大规模集成电路的具体内部结构，通过编程依然可以实现简单逻辑电路，例如加法器、译码器和触发器。这种“所见即所得”的方式，大大提高了实验效率，学生通过动手编程实现了电路功能，极大地激发了学生的兴趣。提高学生实践动手能力。传统实验内容以验证性项目为主，综合性设计性项目过少，缺乏对学生创新意识和实践能力的培养。应用EDA技术开展数字电子技术综合性实验，可以将传统的硬件设计与调试编程一个“软件”问题。有了上机编程实验基础和QuartusII软件，学生就可以进行综合性实验项目的训练。从触发器、译码器、计数器转变到抢答器、数字钟、流水灯等这样系统性的实验项目上。而且不受现有实验条件的限制，大大简化调试过程。学生可以把主要精力集中在设计实验方案、选择仪器设备、器件、调试分析、处理实验数据等方面。对充分调动学生的想象力、创造力，培养学生创新精神和实践能力具有重要意义。同时学生利用实验室的基于FPGA的最小系统板进行外围电路，避免因焊接技术问题导致成功率不高的问题，充分体现了EDA的优势。学生在设计实验过程中，需要自主查阅文献资料，了解芯片和外围电路的结构知识，实现了学中做、做中学。学生有新的想法或者方案，可以快速修改设计、加以验证，这也是实验箱模式难以实现的。4 结语数字电子技术课程教学融入EDA技术，克服传统教学和实验的不足，使理论知识的教学展示更加透彻和形象，提高学生学习积极性，提升实验效率。更重要的是帮助学生尽早建立起现代电子系统设计的思维模式，启发学生使用模块化的思想进行数字系统的设计，让学生提早适应现代数字电子系统的设计过程和方法。参考文献1 李宏杰,段德功.基于FPGA的“数字电子技术”教学改革研究J.无线互联科技,2019,16(12):75-77.2 肖永江,胡庭辉,薛玥婷,陆柳婷.EDA在“数字电子技术”课程中的应用探讨J.萍乡学院学报,2018,35(06):100-103.3 朱明达.融合EDA的数字电子技术翻转课堂教学J.电子世界,2016(17):72.4 苏明敏.基于新工科的电子设计自动化EDA课程教学实践J.电子技术,2022,51(09):224-225.5 卢增辉.电子设计自动化EDA在电子电路中的应用研究J.华东科技,2022(03):69-71.6 吉强,马海燕.电子设计自动化EDA在电子电路中的应用J.电子技术,2020,49(08):58-59.7 丁红,王萍.翻转课堂教学模式在高职电子设计自动化EDA课程中的实践探索J.新疆职业教育研究,2014,5(01):32-35.8 王彩凤.应用型本科院校电子设计自动化课程实践教学改革J.高师理科学刊,2019,39(03):89-92.9 李文杰,赵明富,雷建军,包明.电子设计自动化(EDA)技术及其应用J.重庆工学院学报,2002(02):68-70+86.