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論文摘要:介紹了電子設計自動化(EDA)實驗環境的建設與管理的經驗,簡要分析了由此給教學產生的實際影響。
由于集成電路技術和計算機技術的高度發展,設計自動化的觀念和EDA工具的使用水平已成為度量工程師能力的一個重要方面。國內各高校都投入了大量的人力物力建立EDA實驗室。EDA實驗環境的硬件、軟件和服務水平在某種程度上已成為衡量該校硬件水平、教學水平和辦學水平的一個重要標志。我校在教育部電工電子教學基地的建設過程中,始終對EDA的教學和實驗環境的建設給予了足夠地重視,專門成立了EDA(實驗)中心,旨在負責全校EDA實驗教學,EDA項目開發和新技術推廣工作。經過近兩年的建設,EDA中心已初具規模,為全校的EDA教學提供了良好的實驗環境,促進了我校電類現代化課程教育的發展。
1EDA實驗環境的建設
EDA(實驗)中心的建設起始于1998年初,學校先后投入資金近百萬元,第一期工程建立起配備有40臺Pentium166MMX微機的多媒體實驗室和硬件實驗室各一個;1999年進行了第二期工程,又建起了一個包含40臺PentiumⅡ400微機和兩臺專用服務器的網絡實驗室和一個管理辦公室。并進行了軟件建設和有關實驗項目的開發。到目前為止已建立起的軟硬件環境如表1。
在EDA中心的建設中,我們遵循以下原則:
(1)創建一流具有EDA特色的實驗環境。EDA的實驗環境的好壞在某種程度上直接影響電類學生對現代化技術的掌握,同時EDA的實驗環境也是一個窗口,代表了一個學校現代化教學的形象。EDA中心的建設不應等同于一般的計算中心或機房的建設,應該具有EDA特色,那就是要有豐富的EDA軟硬件支持,要有得力的指導開發力量。為了建設好一流的EDA實驗環境,我們成立了專家指導小組指導環境的建設,并多次派人到EDA教學較好的學校去參觀學習。為了體現時代的特點,我們將中心80臺機器內部互連,整個內部網絡完全按照Internet技術規范設計,能提供全套Internet服務。中心內部網絡還通過Linux網關與校園網相連。服務器采用WindowsNT4.0、Linux5.0、Net-ware3.12,工作站安裝了DOS6.22、Win-dows98(中、英文)、WindowsNT、Linux等操作系統。
(2)嚴把質量關,高質量完成建設。EDA所有軟硬件設備的引進都經過認真市場調查研究,并嚴格的檢測,對不合格的產品堅決清除。如曾進一批微機,檢測后發現配置與樣機不符,立刻退貨,重新購置。軟件的建設對EDA來說是體現特色的關鍵性建設,盡管EDA軟件投資較大,為保證實驗質量,劃出專項資金,引進許多最新的正版EDA軟件。
(3)加強外聯,尋求多方支持。EDA教學的開展需要許多方面的技術支持,為了做好這方面的工作,我們加強了校際之間的技術交流以及與EDA軟硬件開發商家的聯系,可以從中得到了許多必不可少的幫助,如東南大學贈送給我們不少非常有用的EDA軟件和設備,美國Altera公司通過其大學項目贈送給我們專業版和網絡版的Max+PlasⅡ軟件開發工具等。
(4)鼓勵師生開發EDA教學項目。我校EDA教學項目的開發進行得比較早,并已取得了不少成就,EDA中心成立后更加強了這方面工作的開展,目前已自行開發并用于教學有ISP和FPGA等實驗裝置,全定制的A-SIC實驗環境也正在緊鑼密鼓地準備中。
(5)勤儉節約,變廢為寶。EDA的某些硬件實驗對微機要求并不高并且有可能對微機產生傷害,為此我們從校計算中心等地方找來約20臺淘汰了的386和486微機,建成了硬件機房,很好地解決了這類問題并節約了不少資金。
2EDA實驗環境的管理
我校的EDA實驗環境主要面向電子工程系和自動控制系學生,行政上掛靠電子工程系。為了便于協調管理,兩系分別任命了兼職正副主任負責中心的建設和日常管理。
在EDA(實驗)中心的日常管理中我們努力做到:
(1)全心全意為EDA教學服務。EDA(實驗)中心建立的主要目的之一就是為全校師生的EDA教學實驗提供方便。為了做好服務工作,我們盡力滿足師生的要求。如有教師希望通過網絡授課,我們引進了Lanstar網絡教學系統軟件。有教師需要提供語音教學服務,我們購買了無線話筒。有一些國外引進的EDA軟件需要用英文操作系統,中心工作人員經過多次試驗,使中英文操作系統能夠方便地切換。中心的Internet網及打印機等設備也均向師生開發。
(2)開放式的實驗環境。中心除正常設備維護日外,保持全日制開放。開放時除了安排一般值班人員外,還經常安排對EDA技術熟悉的教師或研究生進行現場指導,學生可以自由地上機實習。
(3)不斷推廣EDA新技術。EDA技術的發展速度非常快,我們利用中心與外界聯系較多的優勢,不斷向師生推薦EDA新技術和新方法。如我們曾請經銷商來介紹最新版本的PADS、EWB等EDA軟件的特點和使用方法,與東南大學EDA實驗中心合作舉辦了兩期全國性的EDA研討班。
3效果分析
(1)EDA中心自投入使用以來,已為電類專業的學生開設了“電路”、“電子線路”、“數字電路”、“信號與系統”等十多門課程的上百個實驗,部分實驗還延伸到非電類專業的“電工學”課程中;每年還有幾十名本專科生和研究生在這里進行畢業設計和課題上機。總上機時數已達4萬機時。
(2)EDA中心的構建,推動了我校多門類課程的教學內容、教學方法的改革。就數字電子課程而言,迫切需要充實現代化的設計思想和設計方法,EDA中心的服務為此創造的必要的條件。由于EDA中心的大量工作,使教師可以在課常上集中精力和時間與學生一起共同體驗前人創造知識的途徑與方法,而把一些繁瑣的計算交給EDA工具,學生通過EDA工具的使用去實踐他們在課堂上學到的方法和思路。對電路分析、模擬電子線路、數字系統設計等課也起到了同樣的作用。
(3)開放式的管理,方便了學生,激發了學生的學習熱情和求知欲。如有一位在給電類提高班講課的教師發現,原擬定通過Lanstar授課系統對學生講授EWB的使用方法,結果在現場卻發現,不少學生已初步學會了EWB的使用,其原因是他們已主動地到EDA中心,通過自學,進入了EDA環境。這是一個學生主動學習的例子。通過這樣的學習客觀上提高了學生的自學能力,反映了他們高度的學習熱情和求知欲,這也為他們將來自行掌握更現代化、更復雜的EDA工具打下了基礎。
(4)EDA中心成為學生第二課堂的場地,培養學生從事科學研究的能力。如數字系統設計的老師利用EDA中心進行電子設計競賽,取得很好的效果,受到了學生的歡迎。
參考文獻:
《電子設計初步》是計算機應用技術專業面向職業崗位所設置的行業通用能力培養課程,是校企合作開發的基于電子產品設計與調試典型工作過程的課程,對學生職業能力的培養起著至關重要的作用。課程定位為專業基礎課,在新生入學的第一學期開設。通過本課程的學習可使學生具備電子電路分析、設計和制作的基礎知識和相關的基本職業技能,為學生就業打下堅實基礎;激發學生的學習興趣,明確專業發展的方向;提高學生的專業素養,培養學生的創新能力,為后續專業課程的學習作好前期準備。
二、課程設計實施
(一)課程的培養目標
通過本門課程的學習,逐步培養學生具備以下四種類型的能力:1、專業核心能力:綜合利用電子技術的基礎知識進行理論設計的能力;具備一定的生產、生活中的電子電路的制作及維修能力。2、社會適應能力:自學創新能力;團隊合作能力;獨立解決問題的能力。3、行業通用能力:熟練應用Multisim仿真軟件。4、崗位專用能力:元器件識別檢測,儀器的使用及保養。知識目標的培養具體包括以下5個方面:1、認識各種電子元器件,掌握電子元器件的特性、參數選擇以及檢測方法。學會常用電子儀器的使用及器件手冊的查閱。2、通過搭建各種典型電子電路,了解元器件在電路中的作用,掌握典型電路的工作原理。3、通過焊接技術的學習,使學生掌握焊接技術機理,掌握合格焊點的質量標準。了解生產企業中電子產品的制造過程。4、熟練掌握Multisim仿真軟件的使用。5、能夠進行一個簡單電路或一個簡單電子產品的設計、焊接、制作與調試。
(二)教學項目的選取
充分利用校內外教學資源,以項目作為教學的載體,采納企業人員的建議,基于工作過程選取典型功能電路作為教學項目。教學項目實施進程表設計如下:企業常用到的一些大型的焊接設備,例如:波峰焊和貼片焊,在校內無法讓學生親身體驗,因此可采取帶領學生去校外的企業參觀學習的形式作為教學的補充。項目一至五為模擬電路,項目六和七為數字電路,模擬電路是數字電路的基礎。電路結構的選取由簡單到復雜,呈遞進關系。教學中以學生為主體,體現了“教學做”一體化的教學模式。
(三)教學項目的具體實施
1、教師給出具體項目后,學生根據電路圖選取并檢測所需的元器件。2、運用Multisim仿真軟件進行電路的仿真實驗,學習掌握電路的工作原路。3、利用面包板搭建實際電路,進行電路的參數調整并調試電路使其符合性能要求。4、將實際搭建電路與仿真電路對比,進行誤差分析。5、通過舉一反三,對所學電路進行拓展。6、運用Multisim仿真軟件仿真拓展電路培養學生的電路設計能力。
(四)課程教學方法及手段
本門課程教學方法的使用大體歸納為三點:1、基于企業實際開發電子產品的設計流程,采用仿真與實踐相結合的項目導向教學方法。根據實際教學需要,將案例教學法、問題教學法、擂臺競賽法等多種教學方法靈活應用。同時,注重人文與專業的結合,重視做人做事的教育,將職業道德、職業規范、職業技能的培養有機結合。2、教育技術的應用:借助現代教育手段,可以使學生了解行業最新的技術信息,開闊學生的眼界,并促進教學內容更新完善。3、體驗性學習的廣泛開展:通過校內實訓室的實際動手操作,校內外企業的參觀學習,使學生親身體驗,產生直觀的感受,通過體味領悟,使學生真正弄懂知識,從而收到良好的教學效果。所使用到的教學手段主要有:1、采用多媒體教學影片。2、準備電子教案,并且采用多媒體課件輔助教學。3、充分利用校園網和互聯網:學生可以根據自己掌握知識的程度有選擇的進行學習,通過校園網隨時進入仿真實驗室進行操作。通過大量互聯網的使用使學生了解最新的行業資訊。教師也會給學生提供一些電子行業相關的網站供學生參考。4、利用真實的實踐教學環境。例如:項目八電子產品的制造過程這一知識目標的學習,通過帶領學生進入校外企業參觀學習以及安排學生觀看多媒體教學影片的形式來實現。在參觀的過程中,由我們頂崗實習的學生給新生做詳細的介紹。一方面,學生直觀了解電子產品制造的全過程,另一方面,親身感受企業真實的工作環境,提前做好心理準備,明確發展的方向。
(五)課程的評價體系
《電子設計初步》課程采用項目實施過程的考核機制,企業參與、教師評定與學生互評相結合。總評成績由實踐表現和項目累積成績兩部分組成。其中,實踐表現部分結合企業用人標準給個人打分,包括出勤率、學習態度、查閱資料質量、電路所測參數、校內、外企業參觀實習表現等。實踐表現占個人總評成績的30%。項目累積成績部分給出的是團隊成績,學生互評推選出優秀作品參加小組間的評比,校內實訓室完成的項目由教師打分給出小組的項目實踐成績;校內企業完成的項目請企業人員參與評分,項目累積成績占個人總評成績的70%。
三、課程設計成果及思考
(1)電子設計實踐能力提高班的課程系列化、模塊化、層次化。(2)以實踐教學為主,突出實踐,實現“玩中學,學中玩”“做中學,學中做”。(3)拓展學生的知識面,補充實踐學時,豐富課余生活,形成學生的特長和個性。(4)培養學生的學習能力,促進學生創新、創業、就業能力的提高。(5)全面培養學生的實踐能力,培養企業需要的電氣信息類拔尖人才。
2教學計劃和內容
電子設計實踐能力提高班的教學計劃分為三個階段,課內總學時數108課時,全年安排36周,每學期18周,周學時數為3課時,教務處教學計劃單列組班。第一階段:電工電子認知階段,完成12學時教學計劃內容(見表1)。第二階段:集中實驗能力訓練階段,完成42學時教學計劃內容。集中實驗能力訓練以AVR單片機為載體,通過編程實現單片機的各種功能。AVR單片機是目前最新的單片機系列之一,擁有豐富的片內硬件資源,功能強大,可靠性高,功耗低,在業界得到迅猛發展和廣泛應用。集中訓練環節以ATMEGA128A芯片構成實驗系統,完成21個實驗項目的訓練(見表2)。第三階段:分組分項目綜合訓練階段,完成54學時教學計劃內容。學生分組,每組2~3人,自由組合,自由選擇項目類別,采用命題作文的形式完成一個典型電子產品的設計、組裝、實驗和調試(見表3)。
3組織方式
學校教務處每年下達單列教學計劃,電子設計實踐能力提高班招生名額為30人,招生工作在大一下學期進行,全校理工類專業一年級本科生各科成績合格者均可報名參加考試。電工電子實驗中心負責組織初試和復試,初試主要考查學生的基本實驗技能,初試通過后,在網上公示名單;對初試合格學生進行復試,復試采用面試形式,主要考查學生的非智力因素及合作溝通能力,確定最終錄取名單并在網上公示。電子設計實踐能力提高班的教學安排在大二上、下兩個學期,上學期完成基礎能力訓練,下學期完成綜合能力培養,總學時數為432課時,其中課內108課時,課外324課時,由電工電子實驗教學團隊分階段分梯度完成。
4運行管理機制
電子設計實踐能力提高班的學生來自學校不同學院、不同專業,為方便教學,同時不影響學生的正常學習,提高班教學時間一般安排在18:00~21:00。要求教師具有良好的敬業態度和較強的奉獻精神;要求學生既有濃厚的電工電子實驗興趣,又有強烈的責任心和擔當力;為了不影響常規教學,提高班的實驗教學設備、實驗元器件、材料需單獨購置和準備,不宜與常規教學設備共用;要求教師深入開展實驗教學改革,采用自主研究式、探索式實驗模式,培養學生玩中學、做中學的能力;引入退出機制,允許不適應這種教學模式的學生退出,學生退出后不能獲得相應的學分;引入新的評價機制,學生的成績由綜合實驗報告和電子作品綜合評定,所得學分與其他選修課學分價值相同。
5實踐效果
2013年5月,經過報名、初試和復試,我們在全校范圍內選拔了40名學生進入電子設計實踐能力提高班。在培養過程中,有4名學生不適應提高班的教學模式和教學方法,申請退出,其余36名學生經過近一年的培養和訓練,從不適應到適應,從被動學習到主動學習,從孤立學習到相互啟發式學習,學生發生了明顯的變化:(1)主動學習意識明顯增強,綜合實踐能力得到提高。(2)團隊合作意識明顯增強,文獻檢索和應用能力得到訓練。(3)學生自主參與、自主選擇、自主設計、自主實踐能力得到充分施展。(4)現代電子產品設計、組裝、調試、綜合實驗能力增強,作品不斷增加。(5)學生參加電子科技創新活動的熱情高漲,對自己的學習提出了更高的目標。
6結束語
在《電子設計自動化》課程教學中,不同的工程有不同的設計方案,所以在課堂上探討同一個案例時,能夠激發學生的潛能,讓學生充分發揮創新思維,想出更多的方案。如在電路實例故障的思考與分析的教學中,學生就能通過案例教學設計出準確的方案,從而提升自身分析問題和解決問題的能力。在教學過程中,教師的作用不僅僅在于傳授知識,更多的是讓學生經歷掌握知識的過程,并且使學生在這個過程中不斷積累學習經驗,啟發創新思維。所以,把案例教學法引入《電子設計自動化》課程的教學,能夠使教學更加符合教學改革的要求,有效解決電子設計內容課多時少的矛盾,充分調動學生學習的積極性,提高學生動手實踐的能力。
二、在《電子設計自動化》課程教學中引入案例教學法的方法
《電子設計自動化》是一門實踐性很強的課程,但傳統教學僅僅局限于課堂,學生只能學到理論知識,使得教學效果大打折扣。將案例教學法引入《電子設計自動化》課程的教學中,利用案例來解決難懂的理論知識,不僅能夠讓學生深刻地了解案例,而且能加深學生對理論知識的理解。如在學習電子設計自動化中的555定時器電路課程時,因為555定時器的電路結構包括了觸發器、晶體管、分壓器與電壓比較器等,如果教師只通過理論教學來解釋555定時器,學生無法分清單穩態、脈沖寬度等相關的概念,也不能理解定時時間的算法。于是,筆者把555定時器的概念滲透到案例中,將555定時器設計成一個閃光燈的電路,其電路需要接程典型的無穩態多諧振蕩器的形式,通過EWB仿真軟件,在OUT端口高電平的時候,燈1滅,燈2亮;相反,在OUT端口低電平的時候,燈1亮,燈2滅。這個案例能有效解決這個教學難點。在課堂上,學生還可以結合電路圖動手實踐,親自完成通過調節滑動變阻器來改變閃光燈頻率時間的實驗。這樣不僅可以讓學生直觀地了解多諧振蕩器的原理,而且能使學生從本質上理解脈沖寬帶的含義,并掌握555定時器定時的計算方式。
三、結束語
目前,為了快速實現工業生產的自動化,我國的自動化技術在工業生產中被廣泛的應用,這也預示也我國工業迎來了現代化發展的重要階段。但是,由于我國自動化技術興起時間較短,其各項技術還不是完全的成熟,在工業生產中也只是應用了CAD、CAM以及OA技術,完成了計算機輔助設計與制造,以及綜合辦公管理的自動化控制等三個方面的自動化建設[1]。雖然僅僅只有三個方面,但是卻在極大的程度上幫助我國的工業生產實現了智能化與自動化,這也是自動化技術能在短時間內就被應用在石油、化工、冶金以及輕、重工業等其他工業領域的原因,并且這些領域也隨著自動化技術的應用而提高了自身的生產技術。另外,自動化技術在工業生產自動化的應用,不但實現了工業生產的自動化,還實現了行文、事務處理的自動化,以及輔助決策的自動化,使得工業生產中對于生產設備和流程的管理與控制能力不斷提高,增強了工業生產效率。
2將自動化技術引入到電子信息工程設計中的重要作用
2.1使電子信息工程的設計一體化與機械化得以實現
誠如人們知道的,所謂自動化技術,就是全面解放發展生產力,用機械運作來代替人工操作,最大化的節約人力資源成本,提高工作效率,這也是自動化技術被廣泛的應用到實際的生產生活中的原因。以從事電子信息工程的設計工作的人員角度來看,要想更好的工作,不僅需要全面的掌握電子設計的原理,還需要了解一切與信息工程設計有關的計算機應用理論。從電子信息工程本身具有的特色來看,其本質就是將計算機、信息以及電子技術相融合產生的一項事物,這就使得其設計工作不論是對機械化的程度,還是自動化程度,都有十分高的要求。所以,將自動化技術引入到當前電子信息工程的設計中,不僅能夠促進設計工作的機電一體化,有效的轉變當前電子信息工程的設計情況,提高設計工作的效率,還可以最大化的發揮電子信息工程在設計工作上的優勢,準確的反映出設計工作的多元化以及功能的標準化。
2.2推進電子信息工程的設計智能化快速實現
在傳統的電子信息工程的設計中,主要是依靠人力來處理信息,并對這些信息進行開發、設計、集成與應用的,工作效率十分緩慢,根本無法滿足當前工業化發展對于信息的需求。將自動化技術應用于電子信息工程的設計之中,能夠從根本上變革當前工業生產對于信息的處理、開發、設計、集成與應用的方式,極大的提高電子信息工程在設計方面的智能化水平[2]。通過將計算機、信息以及網絡等自動化技術的融合,能夠為處理和應用大批量、高頻率和密度的信息提供一條更加便捷的途徑,從而提高電子信息工程的整體設計水平,促進電子信息工程的設計智能化建設,提高其工作效率和準確度。
2.3推動電子信息工程設計整體的進步
首先,自動化技術本身就是一種集多項現代化先進科學技術為一身的,具有較高優勢的現代技術,這種優勢不僅是其他各種單一類型的技術或者技巧無法到達的境界,也是當前電子信息工程在設計時需要依靠自動化技術的主要原因。電子信息工程的設計,對于對信息的處理、運用以及控制技術的精確度要求極高,這一要求是無法依靠人力資源來實現的,所以就需要自動化技術來輔助完成。例如:在設計信號與系統時,設計師必須要全面的掌握信號的分解與信息系統的分析等相關技術,這就需要設計工作必須具備極高的精度,此時,設計師就必須要以自動化技術來提高設計整體的水平,提高精確度[3]。由此不難看出,自動化技術對電子信息工程的整體設計以及精確度水平的提高,具有的重要作用。
3自動化技術應用于電子信息工程設計的表現
將自動化技術應用于電子信息工程的設計工作的重要作用,使其在該領域的應用范圍被不斷的擴大,應用效果也不斷提高。總體來看,自動化技術在當前電子信息的設計中,主要別用于以下幾大方面:一是,電路分析的設計和計算機的控制領域,這也是整個電子信息工程設計的核心所在。將自動化技術應用于此領域,可以提高其三相電路、雙口網絡以及含有點感電路等方面的工作效率,促進設計整體的自動化和智能化[4]。二是,計算機的輔助設計領域,所謂的計算機輔助設計,主要就是通過綜合的應用計算機的硬件、軟件和網絡等,促進設計整體的有效完成。將自動化技術引入其中后,設計這只需要將相關數據輸入其中,計算機就可以自行分析計算,極大的提高了工作的效率和設計的精確度。
4結語