電子教學(xué)改革

電子教學(xué)改革2023/12/27電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景集成電路的發(fā)展趨勢(shì)

集成化小型化模塊化將原來(lái)使用分立元器件實(shí)現(xiàn)的功能,集成到一個(gè)芯片上器件工藝的改進(jìn),將器件內(nèi)按照不同功能劃分版圖,電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景未來(lái)電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)“電路板”級(jí)“芯片”級(jí)電路板上搭“積木”芯片上搭“積木”平臺(tái)的變化，要求未來(lái)設(shè)計(jì)者能產(chǎn)生個(gè)性化的、差異化的設(shè)計(jì)基于“芯片”級(jí)的“系統(tǒng)級(jí)”設(shè)計(jì)能力，是對(duì)未來(lái)電子設(shè)計(jì)人員的要求嵌入式系統(tǒng)單芯片上實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景片上系統(tǒng)(System-on-Chip,SOC)技術(shù)的不斷發(fā)展,也反映了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展潮流。片上系統(tǒng)絕對(duì)不是一個(gè)IP核在單芯片內(nèi)的集成，而是在更高層次上考察了“系統(tǒng)級(jí)”設(shè)計(jì)的能力，設(shè)計(jì)的“智慧”，這個(gè)智慧就是“從扎實(shí)的理論和工程實(shí)踐知識(shí)”，在單芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)意性的設(shè)計(jì)。電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景美國(guó)Xilinx公司推出的ZyNQ-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)EPP,將ARM硬核處理器、可編程門陣列、ADC轉(zhuǎn)換器等集成在單芯片上實(shí)現(xiàn)。為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的“革命”。推動(dòng)了未來(lái)在培養(yǎng)“創(chuàng)新人才”方法上的改革。電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景-值得期待電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景-值得期待電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景比如:美國(guó)Cypress公司推出的可編程片上系統(tǒng)PSoC1/3/5,將M8C/8051/Cortex-M3硬核處理器、可編程模擬陣列、可編程數(shù)字陣列等集成在單芯片上實(shí)現(xiàn)。為國(guó)內(nèi)大學(xué)進(jìn)行電子教學(xué)改革提供了前所未有的機(jī)遇。

電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景

-操作系統(tǒng)對(duì)PSoC的支持μC/OS-III

PSOC5PSOC3RTX51Tiny

電子教學(xué)改革創(chuàng)新平臺(tái)的背景對(duì)未來(lái)電子專業(yè)的學(xué)生的要求“重基礎(chǔ)”–要求扎實(shí)的理論知識(shí)“寬專業(yè)”–要求能系統(tǒng)的運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題。

電子信息類專業(yè)最重要和最基礎(chǔ)課程：電路原理模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電子綜合課程設(shè)計(jì)電子教學(xué)改革電子課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀模擬電子技術(shù)-抽象的理論知識(shí),難于理解(放大器、濾波器、振蕩器等知識(shí)點(diǎn))

解決：要通過(guò)做大量的驗(yàn)證和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，才能讓學(xué)生掌握這些抽象的知識(shí)。解決的難點(diǎn)：教學(xué)資源有限（硬件平臺(tái)有限，硬件器件有限）授課時(shí)數(shù)有限（壓縮整個(gè)課時(shí)）教師精力有限（很難實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的進(jìn)行輔導(dǎo)）遇到難點(diǎn)：怎么能讓學(xué)生掌握？大量的分析和習(xí)題解答，學(xué)生仍不能理解。還抱怨難學(xué)，直接影響后續(xù)電路課程學(xué)習(xí)。電子教學(xué)改革電子課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀數(shù)字電子技術(shù)-抽象的邏輯理論知識(shí),建立邏輯模型(邏輯代數(shù),時(shí)序電路,狀態(tài)機(jī)最難理解)

解決：親自熟悉真值表、卡諾圖、最小表達(dá)式、門電路的實(shí)現(xiàn)、仿真的過(guò)程。解決的難點(diǎn)：教學(xué)資源有限（提供大量分立邏輯LSI電路很繁瑣）授課時(shí)數(shù)有限（壓縮整個(gè)課時(shí)）教師精力有限（設(shè)計(jì)所有的邏輯電路）遇到難點(diǎn)：都是離散的邏輯分析，和模擬電路根本不是一回事情，導(dǎo)致模擬和數(shù)字都弄不明白。電子教學(xué)改革電子課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀電子綜合課程設(shè)計(jì)-模擬電路、數(shù)字電路、ADC、DAC的綜合設(shè)計(jì)。

解決：花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間一個(gè)一個(gè)的模塊重新的講解，學(xué)生根本沒(méi)有精力進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)描述。最后的結(jié)果：模擬和數(shù)字電路實(shí)踐教學(xué)沒(méi)有起到應(yīng)有的作用。綜合課程設(shè)計(jì)所要求“系統(tǒng)級(jí)”設(shè)計(jì)目標(biāo)，無(wú)從談起。惡性循環(huán)出現(xiàn)了（學(xué)生的厭惡、無(wú)奈和恐懼）遇到難點(diǎn)：由于模擬和數(shù)字電路的基礎(chǔ)掌握不扎實(shí)，根本無(wú)法進(jìn)行小規(guī)模電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電子教學(xué)改革嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的教學(xué)現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該是如何使得學(xué)生真正能掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，而不是僅僅教會(huì)“一個(gè)CPU、一個(gè)指令集、一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用”。嵌入式系統(tǒng)實(shí)際上是軟件和硬件的高級(jí)集成和綜合的應(yīng)用，對(duì)未來(lái)的設(shè)計(jì)者的要求，能不能從“系統(tǒng)級(jí)”的角度，把握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)律和設(shè)計(jì)方法。難點(diǎn)：學(xué)生感覺(jué)學(xué)完了沒(méi)有什么大的收獲，似懂非懂。老師也覺(jué)得非常吃力。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的思考

思考1：從傳統(tǒng)的基于面板板上搭電路。

轉(zhuǎn)向在單個(gè)芯片里搭電路。

思考2：電子實(shí)踐教學(xué)中，不消耗大量的芯片，而實(shí)現(xiàn)中等復(fù)雜模擬電路、數(shù)字電路和模擬/數(shù)字混合電路。

思考3：讓學(xué)生有充分實(shí)踐的機(jī)會(huì)，親自將模擬電路和數(shù)字電路中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)通過(guò)實(shí)踐來(lái)掌握。充分的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的思考

思考4：充分利用電子綜合課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，以學(xué)生所掌握的知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，以小的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，充分培養(yǎng)學(xué)生“系統(tǒng)級(jí)”的設(shè)計(jì)能力。即“搭積木的能力”，這個(gè)過(guò)程是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)考核和分析能力提高的過(guò)程。思考5：通過(guò)電子課程的實(shí)踐教學(xué)，為后續(xù)課程的銜接打好基礎(chǔ)。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的思考思考6：教師在實(shí)踐教學(xué)中的角色是幫助學(xué)生答疑解惑，將實(shí)踐教學(xué)的主角變成學(xué)生，教師是輔助的作用。想法是好，但是如何實(shí)現(xiàn)？找到破解上述難題的方法？思考7：實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的一個(gè)場(chǎng)所，但不是唯一的場(chǎng)所，學(xué)生可以隨時(shí)隨地的完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室是完成最后的調(diào)試任務(wù)。思考8：借助廠商的力量，使得學(xué)生能充分的利用廠商的“生態(tài)系統(tǒng)”。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段

所有的電子課程實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該圍繞下面的大目標(biāo)：讓學(xué)生通過(guò)電子課程實(shí)踐環(huán)節(jié)掌握電子課程的基礎(chǔ)知識(shí)。讓學(xué)生通過(guò)電子課程綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)初步具有“設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的能力。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段

讓學(xué)生擁有一塊廉價(jià)便宜的硬件平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字電路課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。學(xué)生可以隨時(shí)隨地的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。教師可以根據(jù)時(shí)間靈活的準(zhǔn)備實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的實(shí)踐教學(xué)案例（項(xiàng)目）。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所從實(shí)驗(yàn)室，擴(kuò)展到任何安全的場(chǎng)所。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段實(shí)例1：北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院在教授XilinxFPGA相關(guān)課程時(shí)，將開(kāi)發(fā)板借給學(xué)生使用，學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的課程時(shí)，有很好的自由度，教師起的作用是集中解答問(wèn)題。把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。實(shí)例2：北京化工大學(xué)信息學(xué)院在教授XilinxFPGA相關(guān)本科和研究生課程時(shí)，將開(kāi)發(fā)板借給學(xué)生使用，學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的課程時(shí)，有很好的自由度，教師起的作用是集中解答問(wèn)題。把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段實(shí)例3：Xilinx在國(guó)內(nèi)多個(gè)省市承辦的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽采用將該省多個(gè)學(xué)校的教師集中在一所大學(xué)，進(jìn)行相關(guān)的輔導(dǎo)。采用的方法就是編講理論邊實(shí)踐的方法，參加培訓(xùn)的教師對(duì)這種方式非常贊同。數(shù)字電路基礎(chǔ)和后續(xù)課程銜接。真值表化簡(jiǎn)卡諾圖最簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式門極電路設(shè)計(jì)門級(jí)仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)序仿真測(cè)試和驗(yàn)證HDL高層次描述綜合電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段實(shí)例4：北京化工大學(xué)信息學(xué)院在近期準(zhǔn)備啟動(dòng)電子課程實(shí)踐教學(xué)改革，打通模擬電子、數(shù)字電子和電子課程綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，專門分配一定的課時(shí)，在美國(guó)Cypress公司提供的CY8CKIT-030開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，完成模擬電子和數(shù)字電子課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。并且在電子信息專業(yè)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)時(shí)，引入該設(shè)計(jì)平臺(tái)。另外在國(guó)內(nèi)其它一些高校，也開(kāi)始進(jìn)行類似的實(shí)踐教學(xué)改革。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段

實(shí)例5：2012年6月-7月，天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院大學(xué)二年級(jí)的學(xué)生，在Xilinx和天津市大學(xué)軟件學(xué)院合作的實(shí)訓(xùn)基地，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5個(gè)星期的高強(qiáng)度實(shí)訓(xùn)，我全程參與學(xué)生的實(shí)訓(xùn)過(guò)程，主要內(nèi)容有：1）數(shù)字邏輯（主要是時(shí)序電路）2）硬件描述語(yǔ)言HDL3）使用HDL，對(duì)基本數(shù)字邏輯單元的抽象描述4）設(shè)計(jì)典型的接口及控制器，包括：VGA、LCD、LED、RS-232。5）使用Xilinx提供的8位CPU，編寫匯編語(yǔ)言，最終實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，采用了下面的教學(xué)方法：1.循序漸進(jìn)的教學(xué)方法2.充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新能力3.摒棄“填鴨式的”教學(xué)方法。4.以項(xiàng)目為導(dǎo)向，以創(chuàng)新平臺(tái)為載體，將所學(xué)的理論知識(shí)和最新的數(shù)字電子技術(shù)密切結(jié)合。5.改革對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)方式，重點(diǎn)考察學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過(guò)合理的評(píng)價(jià)方式，激發(fā)學(xué)生刻苦鉆研的精神和團(tuán)隊(duì)合作的精神。

事實(shí)證明，在教學(xué)的主要過(guò)程，應(yīng)該從“以教師的被動(dòng)教學(xué)為中心”,轉(zhuǎn)向“以學(xué)生主動(dòng)思考為中心”的新的教學(xué)思路和教學(xué)方法。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段

實(shí)例6：Cypress最近在國(guó)內(nèi)陸續(xù)舉辦了PSoC技術(shù)的集中輔導(dǎo)，采用將多個(gè)學(xué)校的教師集中在一所大學(xué)，進(jìn)行相關(guān)的輔導(dǎo)（目前，由清華大學(xué)教學(xué)儀器廠承擔(dān)了這個(gè)任務(wù)）。采用的方法就是編講理論邊實(shí)踐和循序漸進(jìn)的方法，先模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、數(shù)模混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)和單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，將PSoC技術(shù)和目前國(guó)內(nèi)電子類課程的教學(xué)緊密的結(jié)合，破解目前電子課程理論和實(shí)踐教學(xué)的所面臨的“困惑”。電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段CY8CKIT-001開(kāi)發(fā)板外觀電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段CY8CKIT-030開(kāi)發(fā)板外觀電子教學(xué)改革改革電子課程實(shí)踐教學(xué)的具體手段CY8CKIT-050開(kāi)發(fā)板外觀電子教學(xué)改革開(kāi)放式電子實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)參考書(shū)CypressPSoC設(shè)計(jì)指南系列參考書(shū)籍（化工出版社出版）可編程片上系統(tǒng)PSoC設(shè)計(jì)指南（已經(jīng)出版）

目標(biāo)：針對(duì)PSoC3/5的單片機(jī)/嵌入式8051片上可編程系統(tǒng)原理及應(yīng)用（已經(jīng)出版）

目標(biāo)：針對(duì)PSoC3的單片機(jī)設(shè)計(jì)（RTX51Tiny操作系統(tǒng)）PSoC模擬與數(shù)字電路設(shè)計(jì)指南（已經(jīng)出版）

目標(biāo)：針對(duì)本科/高職電子課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，手把手學(xué)習(xí)混合嵌入式、信號(hào)設(shè)計(jì)（8月出版）

目標(biāo)：針對(duì)PSoC1的嵌入式設(shè)計(jì)Cortex-M3片上可編程系統(tǒng)原理及應(yīng)用（8月出版）

目標(biāo)：針對(duì)PSoC5的嵌入式設(shè)計(jì)（μC/OS-III操作系統(tǒng)）電子教學(xué)改革開(kāi)放式電子實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)參考書(shū)電子教學(xué)改革開(kāi)放式電子實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)參考設(shè)計(jì)

全書(shū)包含本科/高職模擬/數(shù)字電子課程教學(xué)所需要的設(shè)計(jì)實(shí)例。

模擬電路設(shè)計(jì)部分：簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)同相放大器的設(shè)計(jì)反相放大器的設(shè)計(jì)儀表放大器的設(shè)計(jì)積分器和微分器的設(shè)計(jì)一階有源濾波器的設(shè)計(jì)二階有源濾波器的設(shè)計(jì)基于非線性元件的電路設(shè)計(jì)波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)電子教學(xué)改革開(kāi)放式電子實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)參考設(shè)計(jì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分：

SIO特性測(cè)試及應(yīng)用邏輯表達(dá)式及最小化實(shí)現(xiàn)編碼器和譯碼器的設(shè)計(jì)碼轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)多路復(fù)用器的設(shè)計(jì)多位數(shù)字比較器的設(shè)計(jì)算術(shù)運(yùn)算單元的設(shè)計(jì)鎖存器和觸發(fā)器的設(shè)計(jì)寄存器的設(shè)計(jì)有限自動(dòng)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)基于查找表的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多諧振蕩器的設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的高層次描述電子教學(xué)改革開(kāi)放式電子實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)參考設(shè)計(jì)好處表現(xiàn)在：學(xué)生人手一塊；隨時(shí)隨地就可以搭電路，不要在為教學(xué)資源的不足發(fā)愁；在芯片里通過(guò)搭積木（IP）的方式，組成最終的模擬和數(shù)字混合系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室只需提供測(cè)試儀器（信號(hào)源、示波器，再提供點(diǎn)電阻和電容器件）老師從困惑中解脫出來(lái)，只要制定好每個(gè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和評(píng)價(jià)的方法，剩下的讓學(xué)生自己實(shí)現(xiàn)，老師只負(fù)責(zé)答疑和檢查結(jié)果。由于采用的是基于原理圖的設(shè)計(jì)方法，學(xué)生也能知道很多設(shè)計(jì)電路圖的過(guò)程，真正的了解什么是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA；由于模擬和數(shù)字電路都是從頭一點(diǎn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，而不是簡(jiǎn)單