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摘要：基于成果导向的理念，对《EDA技术》的课程教学改革进行针对性研究。首先，介绍了EDA技术课程教学中普遍存在的一些问题；其次，以OBE理念为线索，将其贯穿于《EDA技术》课程设计中，讨论如何把这门课程设计得更接近成果为导向的模式、更有目的去设计接近工程应用的实验课程，将理论授课与实验环节穿插交替进行，设计了具体化的课程目标、开放交互式的教学模式和递进式的实验环节，提倡团队沟通协作完成难度较高的综合设计，致力于提高学生的学习热情、能力培养的达成程度。
关键词：EDA技术；OBE理念；开放交互式；递进式的实验
本文引用格式：陈志坤，等.基于OBE理念的《EDA技术》课程教学实践研究[J].教育现代化,2019,6(48):168-170.
电子设计自动化技术（EDA，electronic design automation）是高等学校工科专业中培养学生数字系统设计能力和创新能力的一门主干专业课程，实现对设计方案进行仿真模拟及评估，设计检验和流程优化等工作。该课程是培养学生学习专业课程和从事电子类产品设计的必备基础课程[1-3]。随着电子设计技术日新月异的快速发展，传统的EDA技术的理论授课和实验环节均存在诸多弊端[4，5]。由于要兼顾数字电路基础知识和硬件描述语言两个方面的知识、学生的接受能力以及受课时限制等因素，大部分主讲教师往往选择知识介绍式的传授，对实验环节简化设计，使之易于上手。然而这也带来一系列问题：无法体现出EDA技术在现今电子设计活动中的重要性和先进性，学生对课程培养目标的理解逐渐趋于模糊。甚至，对于非专业必修课的学生（例如自动化专业）而言，对实验的恐惧导致其选课热情和课堂参与度不高，相互之间抄袭作业的现象也经常出现。由此可见，传统的教学模式，制约了在新形势下学生能力培养的达成度，与现有工程教育认证过程中所强调的OBE理念不相符合。
OBE理念（Outcomes-based Education）是华盛顿协议工程教育认证的核心理念[6，7]，其核心要素主要有三点：1）以学生为中心；2）以学习产出为导向；3）持续改进。OBE理念是当前工程教育认证的核心要求，也是目前的教学改革过程的衡量标准。本文将其贯穿于《EDA技术》的课堂教学设计中，选择开放教室作为授课地点，通过开放交互式的课程教学方式，优化设计课时安排及实验环节，并以学生自组项目团队的方式完成难度较高的综合设计选题，使得这门课程达到更好的学习效果，进而提高课程目标的达成程度。
一《EDA技术》教学中存在的问题
EDA技术课程是一门实践性和理论性均很强的工具类专业课，需要紧跟当前的技术潮流，使学生具备开发与时俱进的电子产品的基本能力。以下分析《EDA技术》课程教学中目前存在的一些共性问题。
（一）课程目标设置过于笼统，学生难以理解
课程目标在教学过程中占据很重要的地位。课程教学进行改革的前提是要设计出科学合理的课程目标。原有的课程目标为“通过传授EDA技术的原理、工具、器件、VHDL语言开发以及行为仿真技术等的理论知识，并开展相关实验课程，达到本课程的课程目标””，再细分为四个子目标，即：①能树立正确的设计思想，培养基本设计能力，开发创造性思维和创新能力，了解现代数字系统设计技术与验证技术，能描述和分析现代数字系统；②在理解EDA技术一般概念的基础上，能运用硬件描述语言的数字系统EDA设计的基本方法与流程；③能使用EDA工具及配套FPGA硬件开发系统，具备独立设计实现较复杂数字电路与系统的能力；④能掌握基本实验技能，培养学生根据设计指标，确定电路和系统的设计方案的能力。其中，“现代数字系统”对于学生而言过于笼统，并未言及该系统如何应用，与当前学生所普遍关心的人工智能或者电子竞赛无法挂钩。事实上，本门课程是人工智能领域中硬件加速器设计和电子设计竞赛必备的一门基础实践课程。由此可见，原有课程目标设置过为老套，未体现本门课程的重要性，也无法触发学生的兴趣点。
（二）受限课时分配，理论授课往往点到即止
EDA技术虽是一门实践课程，其内容不仅包括EDA工具的使用方法，芯片的发展历史，还要涉及到硬件描述语言VHDL/Verilog DHL的语言使用以及数字逻辑门电路的相关知识点。若非有数字逻辑基础和硬件描述语言的先修课程，本课程则很难开展，但又考虑到大部分学生的先修课程基础并不是很好，教师又需要对课程所涉及的知识点进行详细讲解，否则学生会一头雾水。大部分学校和专业的《EDA技术》课程课时为32学时-48个学时，实验环节一般要12个学时以上，留给理论授课时仅30个学时左右。分散的知识点与有限的课时存在一个平衡矛盾。多数教师虽然采取理论与实验并重的传统教学方式，但却将重点放在VHDL语言的介绍。如果缺乏背景，学生反而会觉得枯燥单调。整个学期下来，学生往往半知半懂，不知道自己是在学数字逻辑电路还是VHDL语言，体现在课堂上表现为积极性不够。
（三）实验环节设计过于简单，与当前技术潮流脱节
目前很多学校和专业开设的《EDA技术》实验都是沿用多年的实验例程，例如模数可控计数器，流水灯，正弦信号发生器。虽然这些实验例程都是对基础知识进行巩固和实践，增强学生课程知识的理解深度，却脱离了当前的人工智能以及大学生电子设计竞赛。学生按部就班完成实验，却不知道这些实验的实际用处，往往完成之后就都忘记，无法进行深入的思考。
（四）传统的教学模式，学生课堂参与程度不高
正如前文所言，考虑到本门课程的知识点分散的特点，大部分教师首先介绍数字逻辑基础、可编程逻辑器件的工艺与结构等背景知识，其次再介绍软件的开发环境和VHDL语言规范，基本逻辑单元和数字系统的VHDL语言描述，最后才介绍数字系统设计方法和调试。这样的一个流程，导致结果是学生听完背景介绍和语言介绍，课程学时已经过了大半，实验环节的学时集中在一起，学生无法做到边学边练的效果，往往半知半懂。目前，《EDA技术》除了实验环节之外，很少有作业的布置，这与大部分专业的课程性质（专业选修）有关系。在理论授课时，如果缺乏作业练习，学生往往不会去复习课本，因此对知识点的记忆理解程度不深，也不能提高学生应用所学知识的能力。
（五）课程缺乏团队合作和技术沟通能力锻炼
很多课程都在强调如何培养学生团队协作能力，本门课程作为一门实践性的课程，更应该多注重这方面能力的培养。事实上，一旦进入实际操作，团队沟通协作的方式往往很难进行。这是因为教师怕学生偷懒，会互相抄袭作业，再者又怕太难，学生难以完成，故综合设计报告还是各做各的，并未有体现团队协作沟通的过程。
二《EDA技术》课程教学方法的改进
《EDA技术》有两个知识面：硬件描述语言VHDL和数字电路基础。包括四个实验环节和一个综合设计。在OBE理念的内涵中，一方面教育者对课程教学的目标（学生学习效果）有清晰的构想和合适的设计，另一方面，也使学生明白自己如何完成课程目标，需要获得何种能力，如此开放交互式的过程将有效改变学习目标导向转变，将会以教师为中心转向以学生为中心，注重培养学生的实践能力、创新能力、提出和解决问题的能力。综合以上，下面对《EDA技术》课程教学方法提出几点建议。
（一）课程目标的具体化修订
OBE模式下，课程改革首先要确立合理的课程目标，表达了学习成果导向的中心思想。合理的课程目标要充分考虑高校本身的定位和时代的要求，以及教育实施者对学生培养的期望。本文强调课程目标的具体化，对课程大纲进行修订，设置课程目标如下：“通过传授EDA技术的原理、工具、器件、VHDL语言开发以及行为仿真技术等的理论知识，并开展相关实验课程，达到本课程的课程目标：课程目标⑴：培养学生综合运用所学理论与技术，能够使用EDA设计方法及开发工具分析，并解决实际工程问题的基本能力。课程目标⑵：掌握EDA技术开发相关知识，包括FPGA开发环境的搭建，新工程的建立，以Xilinx Vivado为代表的EDA工具及配套FPGA硬件开发系统的使用，用VHDL语言的数字系统EDA设计基本方法与流程，具备独立设计实现较复杂数字电路与系统的能力。课程目标⑶：掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识，具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，同时培养学生的团队合作能力以及语言表达能力。课程目标⑷：培养学生自习能力及适应能力，为后续课程的学习、各类电子竞赛以及人工智能技术的发展提供硬件架构设计的基础。
通过课程目标的具体化，使得教师与学生均能明确在本门课程需要培养哪些能力，需要完成哪些知识学习以及课程的近期目标。如课程目标（4）则说明了本门课程是各类电子竞赛的必备基础，为人工智能技术落地提供硬件基础等等，进而引发学生选课和课堂参与的热情。
（二）理论实践的一体化设计
在OBE理念下，课程改革提倡理论授课和实践环节进行融合，对不同知识点采用理论教学、实践操作、理论实践一体化等多种手段并行。因此，本门课程将理论章节与实验环节穿插进行，用较少的课时介绍了数字逻辑基础和VHDL语言的结构和语法，在介绍数字逻辑门电路则结合VHDL表达进行讲解，以数字逻辑器件基础知识为脉络，以VHDL语言为表达形式，串联起所有的内容，以启发式、案例仿真、分析式和研讨式教学方法为主，针对相关重点/难点内容，分组组织学生开展自主学习，通过课后作业、提问讨论、实验验证等途径，帮助学生掌握EDA实践环节的设计、开发、调试和仿真方法，并了解FPGA在自动化、电子技术领域的应用，具备设计和实施工程实验的能力，能够对实验结果进行分析。
（三）开放交互式的课堂教学模式
在OBE理念下，课程改革提倡反馈式教学方法，通过成果导向的逆向设计和正面实施，在教学过程中进行阶段反馈和及时修正的形式，对教学方法进行完善。因此，本课程教学地点选择为开放式教室，学生围绕于教师的周围组成半圆圈。教师通过初始阶段的知识背景介绍，抛出多个问题，面对学生的提问组织探讨，引发讨论与师生交流，并动手实践编程验证结果，这样的有效教学模式，将使得学生无法“光明正大”干其他的事情，例如看手机或者打瞌睡等。在课堂教学过程中，教师可根据进度和学生的认知程度，采用探索式的教学，引导学生主动提问，获取知识和探索新知，勇于创新的主题意识，充分发挥学生的主观能动性。这里，课堂表现及作业将作为平时成绩列入期末成绩的绩点，作为考核的重要依据之一，占比10%。
（四）递进式的实验环节设计，以产出为导向
在OBE理念下，课程改革提高实验环节的比重，结合实验案例进行讲解，对于学生来说更直观，学生的参与性更高。本课程改革将课程实验分为基础性、设计性和综合性3个递进式的内容。基础性实验为：流水灯（计数器），分频器（时钟信号）。设计性实验为：VGA显示控制电路，串口控制器（通信协议）。综合性设计有三个内容（任选其中一个）：蓝牙远程控制，嵌入式软核CPU，XADC实验（使用VHDL和C言语，实现AD和DA功能）。通过基础实验保障学生基本实验技能训练，通过设计强化学生实验设计、实施与分析能力，通过实验结果演示及验收答辩，监督和检查实践学习效果，综合性设计实验较难，接近日常应用的实验例程，有学生两两组建项目团队，相互沟通协作完成实验设计。以上实验要求学生掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识，具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，并初步具备产品开发的能力。其中，基础性实验和设计性实验在期末考核中占比70%，作为考核的最终重要依据，综合性设计则占比20%，由于难度较高强调团队沟通协作完成。
（五）提倡团队沟通协作，注重锻炼技术沟通的能力
针对难度较高的综合设计实验，在开放式课堂的基础上，课程改革提倡学生自组团队，通过沟通协作的方式完成任务。一方面适当降低学生的工作量，通过分工自由分配工作环节，另一方面发挥学生实验自主性，由学生之间的讨论，师生之间讨论，进一步发挥他们的主观能动性，提高团队沟通协作的能力，为该门课程在实际工程中运用创造背景。
三 结束语
针对《EDA》课程在教学过程中面临的问题，以工程教育认证的OBE理念为导向，提高学生学习产出和解决复杂工程问题的能力，并结合开放课堂的授课模式，在原有课时之内改善教学效果，提高课程目标的达成程度。本文强调在教学过程中交互式探讨的方式，将硬件编程语言与数字电路基础的知识点相互印衬、知识点之间相互关联，并配备相应实验环节进行实践，促进学有所用，反哺理论教学。
参考文献
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[6]李志义，朱泓，刘志军.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究,2014,2:29-34.
[7]海莺.基于OBE模式的地方工科院校课程改革探析[J].当代教育理论与实践，2015,7(4):37-39.
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