EDA技术与数字电子技术课程的教学改革
中图分类号：G715 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0185-02
数字电子技术是高职院校电子信息类专业的一门专业基础课，主要研究的是基于卡诺图的传统的数字系统的设计，课程的教学以理论为主。随着电子设计自动化的出现，以可编程逻辑器件为载体、硬件描述语言为编程语言、QuartusII为设计工具的自顶向下的设计方法已成为数字系统设计方面的主流。通过多方了解大多数学校还是将数字电子技术和EDA技术两门课程单独开设，学生在学习EDA课程时早已忘了相关的数电知识，在上EDA课程时还要重复讲解数电知识，学生觉得EDA技术的设计方法比较容易掌握，但是经常被一些理论知识困扰。为了满足企业对学生在工程应用能力和工程素养方面的需求，应该将原先的《数字电子技术》课程和《EDA技术》课程进行了整合，统筹安排教学内容，合理整合教学资源，对于加快提高学生的专业应用能力有着重要的意义。
1 课程改革实践
1.1 编写《数字电子与EDA技术》教材
在编写教材的时候以数字电子技术的基本理论和基本技能为引导，以EDA平台和硬件描述语言为主要设计手段，以工程能力培养为宗旨。在编写教材的时候原来《EDA技术》教材中的QuartusII软件的使用和VHDL硬件描述语言仍然单独设为两章，而其余一些设计性的内容就融合到《数字电子技术》教材的各部分内容中，在理论讲解完后就进行EDA技术的相关设计与仿真。比如，在介绍完集成计数器设计的一些理论内容后，就可以让学生用QuartusII软件以原理图方式输入的方法进行设计、仿真和下载。原先在数字电子技术的教学中一般是在课堂上进行讲解、画波形分析，然后学生模仿着进行设计，这种学习方法学生学完就容易忘记，而在EDA平台中进行设计，可以利用仿真器仿真计数器的波形图，对于计数器的每一个状态都能清楚的显示出来，然后可以将设计下载到开发板，能够直观地观察计数器的各计数状态，这样的设计既节省了时间，又比较直观，不仅培养了学生的设计能力，还能激发学生学习数字系统设计的兴趣。
1.2 设计《数字电子与EDA技术》的实训项目
设计符合新的教学体系下的实训项目，包含一些基本的设计和综合设计的项目，设计的基本项目有表决器、加法器、编码器、译码器、计数器、寄存器等，综合的项目有抢答器、数字钟、电子密码锁、信号发生器等，综合项目可以用于该课程的课程设计，也可以用于学生作为课后的拓展项目。在数字电子技术的实践课程的教学过程中以QuartusII为设计的工具软件，实践内容进行深度改革，使学生能够形象、直观地理解电路的工作原理和工作过程，还可以通过修改电路或者程序来讨论一些错误情况，找出解决问题的方法。这样可以活跃课堂气氛，提高学生的学习兴趣，同时理论和实践紧密的结合，可以发挥学生的积极性和创造性。因此，在设计实践项目时内容要丰富，可操作性和扩展能力要强。
1.3 课程改革实例
以3-8译码器为例介绍课程的整合，如图1将3-8译码器的设计项目安排在理论内容之后，这样学生学习完3-8译码器的理论内容，就可以进行设计，一般我们对于译码器采用VHDL程序设计，对于3-8译码器的理论内容比较熟悉，也便于设计程序的理解，尤其在波形分析的时候就是对照真值表来检测波形是否正确，从而判定设计的程序是否正确，然后下载到开发板中观察现象，有些学生对于实验的现象都不会分析，这些原因都是因为学生的理论知识掌握不好。比如原来没有整合之前，要介绍3-8译码器，首先要讲译码器的概念，什么是3-8译码器，以及3-8译码器是如何工作的，下面是3-8译码器的VHDL程序：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITY decoder3_8 IS
PORT（a，b，c：IN STD_LOGIC；
g1，g2a，g2b：IN STD_LOGIC；
Y：OUT STD_LOGIC_VECTOR（7 DOWNTO 0））；
END decoder3_8；
ARCHITECTURE behv1 OF decoder3_8 IS
SIGNAL indata：STD_LOGIC_VECTOR（2 DOWNTO 0）；
BEGIN
indata<=c&b&a；
PROCESS（indata，g1，g2a，g2b）
BEGIN
IF （g1='1'AND g2a='0'AND g2b='0'）THEN
CASE indata IS
WHEN "000"=>Y<="11111110"；
WHEN "001"=>Y<="11111101"；
WHEN "010"=>Y<="11111011"；
WHEN "011"=>Y<="11110111"；
WHEN "100"=>Y<="11101111"；
WHEN "101"=>Y<="11011111"； WHEN "110"=>Y<="10111111"；
WHEN "111"=>Y<="01111111"；
WHEN OTHERS=>Y<="XXXXXXXX"；
END CASE；
ELSE
y<="11111111"；
END IF；
END PROCESS；
END behv1；
上面的程序主要介绍了3-8译码器有3个输入，8个输出，三个使能端，当使能信号g1g2ag2b=100时对输入信号实现译码，否则输出y=11111111，如果直接讲这个程序，学生不能理解为何各种输入情况下是这样的输出，所以要花费和设计过程差不多的时间介绍3-8译码器的理论知识，讲完程序，我们进行设计，利用QuartusII可以仿真出下面的波形图：
在理解了译码规律后学生能够自行分析上面的波形图，再进行下载后也能很好地理解实验现象。以往没有进行整合的时候，学生不理解为何大部分时间的使能信号要设置成100，然后再设置一点其他的情况，其实我们主要是要把每一种输入下的译码情况仿真出来，还会出现译码情况下的输入信号abc的设置不全，仿真出来的波形不知道是否正确，整个设计过程中只掌握了QuartusII软件的操作，这样的设计是毫无意义的。经过了课程的整合，学生能够更好地用理论知识来指导实践操作，能够独立分析仿真波形的正确性，从而对QuartusII设计数字系统更加感兴趣，而且设计的时候不需要考虑硬件设备，可以设计一些复杂的项目。
2 课程改革效果
课程改革后经过几轮的教学实践，总体感觉学生的学习积极性和实践能力提高了，效果也非常好，主要体现在以下几个方面：一是可以使学生提前参加实践创新项目和学科竞赛。传统的教学，由于EDA技术和单片机技术一般都安排在二年级下学期，因此只能等学生二年级后再参加一些实践创新项目和竞赛，这时学生已完成在校的学习，即使能够通过这些实践项目激发学生在专业上的学习兴趣，学生也离开了学校的学习环境。在校学习期间只停留在一些基础电路的学习与应用，不能形成主动学习和应用的兴趣。改革后，学生在一年级后就能参加实践项目与竞赛，增加了在校期间的锻炼机会，不断锻炼了学生应具备的工程应用能力。二是可以激发学生学习数字电子技术的兴趣，提高教学效果。改革前，数字电子技术的一些分析都是纸上谈兵，而且还要花很多时间画电路和波形图，都是以教师为主进行分析，学生缺乏主动性，仅有的几个实验也是验证性的。改革后，增加了实践项目，一些电路都可以让学生自己设计和分析，提高学生的主动性，在实践中来学习数字电子技术的一些基本知识和基本原理，便于学生理解和掌握。三是可以提高数字电子技术课程设计的水平。过去数字电子技术的课程设计都是紧随课程之后，一般都是用一些中小规模集成电路在面包板上实现，考虑到实际数字电路的复杂和综合性差，往往选用一些单元电路进行设计。改革后，在EDA平台上进行课程设计，不需要考虑硬件，设计的速度快，而且采用层次化的设计，对于设计的各模块都能单独进行仿真和验证，不至于一个项目设计完出现问题都无从解决。这种设计方法同时也教会了学生用软件和硬件相结合的设计方法来设计现代的电子系统。
3 结语
要想对数字电子技术和EDA技术课程进行教学改革，关键在于统筹安排教学内容，合理整合教学资源。采用以学生为主、自顶向下的电子设计方法可以激发学生的学习兴趣，提高学生的实践能力，提升课程的教学效果。
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