工程教育專業(yè)認(rèn)證在《EDA技術(shù)》課程思政教學(xué)中的研究

彭琛

摘要：傳統(tǒng)的EDA技術(shù)教學(xué)已不能滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證對本科人才的需求，在明確教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出“引、教、學(xué)”3個(gè)重點(diǎn)為主的教學(xué)模式，重構(gòu)EDA課程的線上線下教學(xué)時(shí)間安排，把思政教學(xué)內(nèi)容合理融入課堂，加強(qiáng)設(shè)計(jì)類項(xiàng)目的安排，把整個(gè)教學(xué)過程的考核方式進(jìn)行細(xì)分，把形成性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)結(jié)合起來評分，切實(shí)提高工程教育專業(yè)認(rèn)證環(huán)境下EDA技術(shù)課程的教學(xué)效果和對畢業(yè)人才培養(yǎng)成效。

關(guān)鍵詞：工程教育;專業(yè)認(rèn)證;思政課程;EDA技術(shù)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0152-03

隨著應(yīng)用型本科的提出和國際工程專業(yè)認(rèn)證的普及，自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式急需改變，從整體來求改變，具體到每門課程的課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、考核過程和預(yù)期目標(biāo)都必須改變，切實(shí)做到以學(xué)生為主，以就業(yè)為目標(biāo)，精準(zhǔn)確定人才培養(yǎng)方案，制定恰當(dāng)?shù)恼n程教學(xué)大綱，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的人才。

EDA技術(shù)是自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)的技術(shù)性基礎(chǔ)課程。本課程是培養(yǎng)學(xué)生面對數(shù)字電子系統(tǒng)課題的分析能力，以及利用VHDL硬件描述語言的編程能力和解決實(shí)際問題的綜合能力。以大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)模可編程邏輯器件的開發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，通過相關(guān)開發(fā)軟件，自動(dòng)完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，初步具備以軟件方式開發(fā)數(shù)字電子系統(tǒng)硬件的技能。課程具體內(nèi)容包括：大規(guī)模可編程邏輯器件、VHDL語言、開發(fā)軟件、實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)等。自動(dòng)化專業(yè)的畢業(yè)要求對本課程提出的達(dá)成目標(biāo)：能夠?qū)SIC（專用集成電路）設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析和提煉，設(shè)計(jì)解決方案;根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的情況，綜合分析解決復(fù)雜工程問題。針對實(shí)際的問題，確定合理的方案，選用合理的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并體現(xiàn)創(chuàng)新意識。選擇和應(yīng)用恰當(dāng)?shù)男酒蛙浖?，針對?shù)字系統(tǒng)工藝問題進(jìn)行分析。本課程從解決復(fù)雜工程問題能力的總需求出發(fā)，圍繞課程支撐的四個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，按照CDIO工程教育范式，基于OBE理念，以培養(yǎng)新時(shí)代ASIC工程師的綜合設(shè)計(jì)能力為核心目標(biāo)。打破專業(yè)間壁壘，構(gòu)建了三個(gè)層面的能力要求，即器件選擇能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力及仿真診斷能力;培養(yǎng)學(xué)生的溝通協(xié)作能力，工匠精神、擔(dān)當(dāng)精神和創(chuàng)新、探索精神。

針對工程專業(yè)認(rèn)證要求，課程在教學(xué)內(nèi)容改革中主要解決了“引、教、學(xué)”等3個(gè)重點(diǎn)問題：

1 思政育人（引）

按照黨的育人方針，開展課程思政。有意識、有計(jì)劃地，以“春風(fēng)化雨、潤物無聲”的方式，融入思政元素，涵蓋“智造強(qiáng)國”、大國“工匠精神”“求真求實(shí)求是”“矛盾論”等思政理念，向?qū)W生傳遞正確的價(jià)值觀、人生觀。本次課程改革的難點(diǎn)就是融入愛國主義教育和新時(shí)代創(chuàng)新精神教學(xué)短視頻的制作，所以首先就是設(shè)置教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)思政教育融入點(diǎn)的教學(xué)流程，部分案例教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)思政教學(xué)安排見表1所示。然后確定要教授的視頻內(nèi)容，教師要把確定好的教學(xué)內(nèi)容按知識模塊錄制成視頻，通過網(wǎng)絡(luò)將課件和視頻上傳到智慧樹等國家級平臺。

2 資源育人（教）

以學(xué)生為中心，選擇教學(xué)資源。本校建成的線上資源，根據(jù)工程專業(yè)認(rèn)證對本科畢業(yè)人才的要求，結(jié)合當(dāng)下社會(huì)熱點(diǎn)和行業(yè)發(fā)展，整合課程內(nèi)容將知識點(diǎn)碎片化處理，在不影響整個(gè)課程構(gòu)架的情況下，使課程脈絡(luò)更加清晰和順暢，方便學(xué)生更快地梳理學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)，以適用于應(yīng)用型本科人才的崗位需求;教師將生產(chǎn)一線的實(shí)用技術(shù)引入課堂，這樣的應(yīng)用型課程彌合了學(xué)校課堂與生產(chǎn)實(shí)踐之間的鴻溝。要求教師將工程應(yīng)用的最新動(dòng)態(tài)反映在EDA教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)教學(xué)中的師生互動(dòng)，“以學(xué)生為中心”，發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題并持續(xù)改進(jìn)，積極強(qiáng)化工程教育理念，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際工程問題的能力為教學(xué)目標(biāo)[1]。

本課程知識點(diǎn)多、技術(shù)性強(qiáng)、內(nèi)容抽象是一門既有理論，實(shí)踐性又很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方式，在時(shí)間和空間上就將“學(xué)”和“做”分離了，學(xué)生入門難度大，學(xué)習(xí)后動(dòng)手能力差，能力培養(yǎng)的效果不佳。本課程運(yùn)用了多種信息化手段，以開放式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“理實(shí)一體”，解決了傳統(tǒng)教學(xué)的難題，使學(xué)生真正掌握FPGA軟硬件設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)三位一體的教學(xué)目標(biāo)，課程知識體系開放，打破了傳統(tǒng)章節(jié)的限制，把知識體系分為導(dǎo)學(xué)篇、工具篇、基礎(chǔ)篇、應(yīng)用篇，跟隨技術(shù)的發(fā)展變化動(dòng)態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容。尤其是應(yīng)用篇，加入了學(xué)生參加各種大賽的題目分解設(shè)計(jì)，持續(xù)更新中。能滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)、分層次學(xué)習(xí)的需求，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。課程既可以線上學(xué)習(xí)、也適用于翻轉(zhuǎn)課堂和混合式教學(xué)。課程采用了多元化的評價(jià)體系，課前測試、單元測試、期末考試、討論、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)等形成性評價(jià)和結(jié)果性評價(jià)的內(nèi)容可以自由設(shè)置，多達(dá)十幾項(xiàng)，可供師生自主選擇，老師可根據(jù)課程平臺上的大數(shù)據(jù)進(jìn)行線上督學(xué)，線上答疑等互動(dòng)，實(shí)時(shí)督促學(xué)習(xí)過程，確保以學(xué)生為主體的教學(xué)的實(shí)現(xiàn)。

3 學(xué)以致用（學(xué)）

依據(jù)學(xué)情分析，選擇教學(xué)方法。發(fā)揮混合式教學(xué)在數(shù)字化與個(gè)性化結(jié)合的優(yōu)勢，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，表揚(yáng)優(yōu)秀學(xué)生、鼓勵(lì)后進(jìn)學(xué)生，做到“一個(gè)也不能少”;將見面課做成“展示學(xué)習(xí)效能的發(fā)布臺”“師生/生生互動(dòng)的訓(xùn)練場”。

3.1 見面課

見面課的要求是形式豐富多樣，案例吸引眼球，內(nèi)容貼近實(shí)踐，思想作為引領(lǐng)，6次見面課主題如下：“EDA技術(shù)在中國的發(fā)展現(xiàn)狀——了解EDA技術(shù)在專用集成電路開發(fā)、設(shè)備技術(shù)改造等的應(yīng)用，傳遞工匠精神培養(yǎng)的重要性”;“FPGA和CPLD生產(chǎn)廠家及選型——通過對現(xiàn)場可編程門陣列發(fā)展歷程的學(xué)習(xí)，探討硬件的發(fā)展對國家復(fù)興之路的帶動(dòng)力”;“組合邏輯電路—數(shù)據(jù)分配器的實(shí)現(xiàn)”;“時(shí)序邏輯電路——計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)”;“了解三大主流公司的器件和仿真軟件的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析原因”;“智能交通燈的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)——通過EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)與日常生活需求接軌”。根據(jù)學(xué)生課堂回答問題和小組討論課上表現(xiàn)評分，每次課堂通過小型答辯完成;匯報(bào)小組按照學(xué)號輪流方式進(jìn)行，采用組內(nèi)推薦方式確定具體匯報(bào)人。評分按查閱文獻(xiàn)情況、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、素材準(zhǔn)備、問題分析、現(xiàn)場敘述交流和回答問題情況等進(jìn)行評價(jià)。

3.2 設(shè)計(jì)項(xiàng)目

根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，征集學(xué)生意見分組，每組學(xué)生 3～5 人為宜[2]。通過積極主動(dòng)地參與到活動(dòng)中來提高學(xué)生理解問題、解決問題的能力[3]。課程共開發(fā)7個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，分別為智能交通燈控制、數(shù)據(jù)分配器、綜合計(jì)時(shí)器、基于USB的人機(jī)接口、嵌入式ADC轉(zhuǎn)換、嵌入式DAC轉(zhuǎn)換、基于Simulink的函數(shù)發(fā)生器，各專業(yè)的學(xué)生可根據(jù)興趣選擇3個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成項(xiàng)目報(bào)告和答辯。下面以綜合計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)為例講解設(shè)計(jì)過程。首先了解綜合計(jì)時(shí)系統(tǒng)的功能，要求能實(shí)現(xiàn)年、月、日、時(shí)、分、秒及星期的計(jì)數(shù)等綜合計(jì)時(shí)功能，同時(shí)將計(jì)時(shí)結(jié)果通過15個(gè)七段數(shù)碼管顯示，并且可通過兩個(gè)設(shè)置鍵，對計(jì)時(shí)系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。然后根據(jù)要求用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)頂層實(shí)體，最后仿真。

由圖2看出，在調(diào)整模式下，相應(yīng)的模式燈會(huì)亮，而且，在調(diào)秒模式下，時(shí)間設(shè)為1;在調(diào)分模式下，時(shí)間設(shè)為2;在調(diào)時(shí)模式下，時(shí)間設(shè)為3;在調(diào)日模式下，時(shí)間設(shè)為1;在調(diào)月模式下，時(shí)間設(shè)為1;在調(diào)年低位模式下，時(shí)間設(shè)為22;在調(diào)年高位模式下，時(shí)間設(shè)為20;在調(diào)星期模式下，時(shí)間設(shè)為1，最后轉(zhuǎn)為正常計(jì)時(shí)模式。即輸入的時(shí)間為2022年1月1日3點(diǎn)2分1秒，星期1。

3.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

依靠項(xiàng)目化教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生掌握EDA開發(fā)的方法和技巧，讓學(xué)生獲得較好的項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐能力[4]。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共開發(fā)8個(gè)，分別為譯碼器設(shè)計(jì)、編碼器設(shè)計(jì)、1位全加器設(shè)計(jì)、基本觸發(fā)器的設(shè)計(jì)、選擇器設(shè)計(jì)、序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)、序列檢測器的設(shè)計(jì)、加法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，各專業(yè)的學(xué)生可根據(jù)興趣選擇5個(gè)項(xiàng)目。每次評分施行百分制，評分內(nèi)容包括到課情況、課堂表現(xiàn)、實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.4 小組討論

根據(jù)學(xué)生課堂回答問題和小組討論課上表現(xiàn)評分，每次課堂通過小型答辯完成;匯報(bào)小組按照學(xué)號輪流方式進(jìn)行，采用組內(nèi)推薦方式確定具體匯報(bào)人。評分按查閱文獻(xiàn)情況、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、素材準(zhǔn)備、問題分析、現(xiàn)場敘述交流和回答問題情況等進(jìn)行評價(jià)。能夠基本形成使用 FPGA 開發(fā)基礎(chǔ)電路的設(shè)計(jì)思想，為后期嵌入式、DSP、EDA 技術(shù)課程的深度學(xué)習(xí)奠定扎實(shí)理論基礎(chǔ)，學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競賽的人數(shù)明顯增多，實(shí)現(xiàn)動(dòng)手能力的有效提高[5]。

4 課程改革完成情況

本課程選課人數(shù)100人，參加期末考試100人，學(xué)生平均成績（課程目標(biāo)、作業(yè)、課堂測試、小組討論） 統(tǒng)計(jì)見圖3所示。

以期末考試為例，期末測試是綜合設(shè)計(jì)考核方式，課前準(zhǔn)備設(shè)計(jì)案例50個(gè)供學(xué)生選擇，確保在同一個(gè)班級內(nèi)考試題目不出現(xiàn)雷同，每個(gè)項(xiàng)目都提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，最后通過上機(jī)考核進(jìn)行現(xiàn)場展示，主要展示仿真軟件操作過程和仿真結(jié)果，考試時(shí)間是120分鐘;上機(jī)考試結(jié)束后需提交項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告，最后的測試成績由操作成績和報(bào)告成績組成，成績采用百分制，期末考試總分100分，考試范圍涵蓋整個(gè)課程內(nèi)容，考試時(shí)間安排在理論課程結(jié)束后一周。其算分法直接評價(jià)平均值為86.76（個(gè)體達(dá)成情況散點(diǎn)圖如圖4所示，橫、縱坐標(biāo)代表學(xué)生人數(shù)、學(xué)生分?jǐn)?shù)） ，100名學(xué)生中共有4人達(dá)成評價(jià)值小于70。

5 結(jié)論

本次關(guān)于EDA技術(shù)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和考核的改革，在明確工程教育專業(yè)認(rèn)證教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出“引、教、學(xué)”3個(gè)重點(diǎn)為主的教學(xué)模式，重構(gòu)EDA課程的線上線下教學(xué)時(shí)間安排，把思政教學(xué)內(nèi)容合理融入課堂，加強(qiáng)設(shè)計(jì)類項(xiàng)目的安排，把整個(gè)教學(xué)過程的考核方式進(jìn)行細(xì)分，把形成性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)結(jié)合起來評分。為了切實(shí)提高工程教育專業(yè)認(rèn)證環(huán)境下EDA技術(shù)課程的教學(xué)效果和對畢業(yè)人才培養(yǎng)成效，需要相應(yīng)的措施加以保證，通過此次改革也得出了很多結(jié)論，比如在見面課和項(xiàng)目設(shè)計(jì)課評分中是按照小組來進(jìn)行打分，這樣就會(huì)出現(xiàn)部分學(xué)生沒有參與但是分?jǐn)?shù)一樣，基于這種情況在接下來幾輪的考核中，教師把分?jǐn)?shù)分配的權(quán)限下放到每個(gè)小組，由各小組根據(jù)小組協(xié)作時(shí)的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行給分，這樣既保證了評分的公平性，又激勵(lì)了學(xué)生的積極性。

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【通聯(lián)編輯：梁書】