电子教学改革

电子教学改革2023/12/27电子教学改革创新平台的背景集成电路的发展趋势

集成化小型化模块化将原来使用分立元器件实现的功能,集成到一个芯片上器件工艺的改进,将器件内按照不同功能划分版图,电子教学改革创新平台的背景未来电子系统的发展趋势“电路板”级“芯片”级电路板上搭“积木”芯片上搭“积木”平台的变化，要求未来设计者能产生个性化的、差异化的设计基于“芯片”级的“系统级”设计能力，是对未来电子设计人员的要求嵌入式系统单芯片上实现嵌入式系统的典型应用电子教学改革创新平台的背景片上系统(System-on-Chip,SOC)技术的不断发展,也反映了半导体技术的发展潮流。片上系统绝对不是一个IP核在单芯片内的集成，而是在更高层次上考察了“系统级”设计的能力，设计的“智慧”，这个智慧就是“从扎实的理论和工程实践知识”，在单芯片内实现“创意性的设计。电子教学改革创新平台的背景美国Xilinx公司推出的ZyNQ-7000可扩展处理平台EPP,将ARM硬核处理器、可编程门阵列、ADC转换器等集成在单芯片上实现。为数字系统设计和嵌入式系统的传统设计方法，带来了一场深刻的“革命”。推动了未来在培养“创新人才”方法上的改革。电子教学改革创新平台的背景电子教学改革创新平台的背景-值得期待电子教学改革创新平台的背景-值得期待电子教学改革创新平台的背景比如:美国Cypress公司推出的可编程片上系统PSoC1/3/5,将M8C/8051/Cortex-M3硬核处理器、可编程模拟阵列、可编程数字阵列等集成在单芯片上实现。为国内大学进行电子教学改革提供了前所未有的机遇。

电子教学改革创新平台的背景电子教学改革创新平台的背景

-操作系统对PSoC的支持µC/OS-III

PSOC5PSOC3RTX51Tiny

电子教学改革创新平台的背景对未来电子专业的学生的要求“重基础”–要求扎实的理论知识“宽专业”–要求能系统的运用理论知识解决实际工程问题。

电子信息类专业最重要和最基础课程：电路原理模拟电子技术数字电子技术电子综合课程设计电子教学改革电子课程实践教学现状模拟电子技术-抽象的理论知识,难于理解(放大器、滤波器、振荡器等知识点)

解决：要通过做大量的验证和设计性实验，才能让学生掌握这些抽象的知识。解决的难点：教学资源有限（硬件平台有限，硬件器件有限）授课时数有限（压缩整个课时）教师精力有限（很难实现一对一的进行辅导）遇到难点：怎么能让学生掌握？大量的分析和习题解答，学生仍不能理解。还抱怨难学，直接影响后续电路课程学习。电子教学改革电子课程实践教学现状数字电子技术-抽象的逻辑理论知识,建立逻辑模型(逻辑代数,时序电路,状态机最难理解)

解决：亲自熟悉真值表、卡诺图、最小表达式、门电路的实现、仿真的过程。解决的难点：教学资源有限（提供大量分立逻辑LSI电路很繁琐）授课时数有限（压缩整个课时）教师精力有限（设计所有的逻辑电路）遇到难点：都是离散的逻辑分析，和模拟电路根本不是一回事情，导致模拟和数字都弄不明白。电子教学改革电子课程实践教学现状电子综合课程设计-模拟电路、数字电路、ADC、DAC的综合设计。

解决：花费很长的时间一个一个的模块重新的讲解，学生根本没有精力进行系统级描述。最后的结果：模拟和数字电路实践教学没有起到应有的作用。综合课程设计所要求“系统级”设计目标，无从谈起。恶性循环出现了（学生的厌恶、无奈和恐惧）遇到难点：由于模拟和数字电路的基础掌握不扎实，根本无法进行小规模电子系统的设计。电子教学改革嵌入式系统相关课程的教学现状嵌入式系统的教学，侧重点应该是如何使得学生真正能掌握嵌入式系统的设计方法，而不是仅仅教会“一个CPU、一个指令集、一个简单的应用”。嵌入式系统实际上是软件和硬件的高级集成和综合的应用，对未来的设计者的要求，能不能从“系统级”的角度，把握嵌入式系统的设计规律和设计方法。难点：学生感觉学完了没有什么大的收获，似懂非懂。老师也觉得非常吃力。电子教学改革改革电子课程实践教学的思考

思考1：从传统的基于面板板上搭电路。

转向在单个芯片里搭电路。

思考2：电子实践教学中，不消耗大量的芯片，而实现中等复杂模拟电路、数字电路和模拟/数字混合电路。

思考3：让学生有充分实践的机会，亲自将模拟电路和数字电路中的关键知识点通过实践来掌握。充分的发挥学生的主观能动性。电子教学改革改革电子课程实践教学的思考

思考4：充分利用电子综合课程设计的环节，以学生所掌握的知识点为基础，以小的项目实现为导向，充分培养学生“系统级”的设计能力。即“搭积木的能力”，这个过程是对基础知识考核和分析能力提高的过程。思考5：通过电子课程的实践教学，为后续课程的衔接打好基础。电子教学改革改革电子课程实践教学的思考思考6：教师在实践教学中的角色是帮助学生答疑解惑，将实践教学的主角变成学生，教师是辅助的作用。想法是好，但是如何实现？找到破解上述难题的方法？思考7：实验室是学生完成实验的一个场所，但不是唯一的场所，学生可以随时随地的完成实验环节，他们在实验室是完成最后的调试任务。思考8：借助厂商的力量，使得学生能充分的利用厂商的“生态系统”。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段

所有的电子课程实践教学应该围绕下面的大目标：让学生通过电子课程实践环节掌握电子课程的基础知识。让学生通过电子课程综合设计环节初步具有“设计系统”的能力。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段

让学生拥有一块廉价便宜的硬件平台，在这个平台上可以实现模拟和数字电路课程所涉及的知识点内容。学生可以随时随地的实现设计。教师可以根据时间灵活的准备实践教学内容和设计创新性的实践教学案例（项目）。实验场所从实验室，扩展到任何安全的场所。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段实例1：北京工业大学软件学院在教授XilinxFPGA相关课程时，将开发板借给学生使用，学生学习相关的课程时，有很好的自由度，教师起的作用是集中解答问题。把主动权交给学生。实例2：北京化工大学信息学院在教授XilinxFPGA相关本科和研究生课程时，将开发板借给学生使用，学生学习相关的课程时，有很好的自由度，教师起的作用是集中解答问题。把主动权交给学生。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段实例3：Xilinx在国内多个省市承办的大学生电子设计竞赛采用将该省多个学校的教师集中在一所大学，进行相关的辅导。采用的方法就是编讲理论边实践的方法，参加培训的教师对这种方式非常赞同。数字电路基础和后续课程衔接。真值表化简卡诺图最简逻辑表达式门极电路设计门级仿真实现时序仿真测试和验证HDL高层次描述综合电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段实例4：北京化工大学信息学院在近期准备启动电子课程实践教学改革，打通模拟电子、数字电子和电子课程综合设计实践教学环节，专门分配一定的课时，在美国Cypress公司提供的CY8CKIT-030开发平台上，完成模拟电子和数字电子课程实践教学环节。并且在电子信息专业学生进行单片机课程教学时，引入该设计平台。另外在国内其它一些高校，也开始进行类似的实践教学改革。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段

实例5：2012年6月-7月，天津工业大学计算机学院大学二年级的学生，在Xilinx和天津市大学软件学院合作的实训基地，进行了长达5个星期的高强度实训，我全程参与学生的实训过程，主要内容有：1）数字逻辑（主要是时序电路）2）硬件描述语言HDL3）使用HDL，对基本数字逻辑单元的抽象描述4）设计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，编写汇编语言，最终实现的嵌入式系统设计。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段在整个实训过程中，采用了下面的教学方法：1.循序渐进的教学方法2.充分发挥学生的主观能动性和创新能力3.摒弃“填鸭式的”教学方法。4.以项目为导向，以创新平台为载体，将所学的理论知识和最新的数字电子技术密切结合。5.改革对学生的评价方式，重点考察学生的创新能力。通过合理的评价方式，激发学生刻苦钻研的精神和团队合作的精神。

事实证明，在教学的主要过程，应该从“以教师的被动教学为中心”,转向“以学生主动思考为中心”的新的教学思路和教学方法。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段

实例6：Cypress最近在国内陆续举办了PSoC技术的集中辅导，采用将多个学校的教师集中在一所大学，进行相关的辅导（目前，由清华大学教学仪器厂承担了这个任务）。采用的方法就是编讲理论边实践和循序渐进的方法，先模拟电路设计、数字电路设计、数模混合系统设计和单片系统设计的方法，将PSoC技术和目前国内电子类课程的教学紧密的结合，破解目前电子课程理论和实践教学的所面临的“困惑”。电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段CY8CKIT-001开发板外观电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段CY8CKIT-030开发板外观电子教学改革改革电子课程实践教学的具体手段CY8CKIT-050开发板外观电子教学改革开放式电子实践教学平台参考书CypressPSoC设计指南系列参考书籍（化工出版社出版）可编程片上系统PSoC设计指南（已经出版）

目标：针对PSoC3/5的单片机/嵌入式8051片上可编程系统原理及应用（已经出版）

目标：针对PSoC3的单片机设计（RTX51Tiny操作系统）PSoC模拟与数字电路设计指南（已经出版）

目标：针对本科/高职电子课程实验教学，手把手学习混合嵌入式、信号设计（8月出版）

目标：针对PSoC1的嵌入式设计Cortex-M3片上可编程系统原理及应用（8月出版）

目标：针对PSoC5的嵌入式设计（μC/OS-III操作系统）电子教学改革开放式电子实践教学平台参考书电子教学改革开放式电子实践教学平台参考设计

全书包含本科/高职模拟/数字电子课程教学所需要的设计实例。

模拟电路设计部分：简单运算放大器设计同相放大器的设计反相放大器的设计仪表放大器的设计积分器和微分器的设计一阶有源滤波器的设计二阶有源滤波器的设计基于非线性元件的电路设计波形发生器的设计电子教学改革开放式电子实践教学平台参考设计数字电路设计部分：

SIO特性测试及应用逻辑表达式及最小化实现编码器和译码器的设计码转换的设计多路复用器的设计多位数字比较器的设计算术运算单元的设计锁存器和触发器的设计寄存器的设计有限自动状态机的设计计数器的设计基于查找表的数字系统的设计多谐振荡器的设计复杂数字系统的高层次描述电子教学改革开放式电子实践教学平台参考设计好处表现在：学生人手一块；随时随地就可以搭电路，不要在为教学资源的不足发愁；在芯片里通过搭积木（IP）的方式，组成最终的模拟和数字混合系统；实验室只需提供测试仪器（信号源、示波器，再提供点电阻和电容器件）老师从困惑中解脱出来，只要制定好每个设计的设计目标和评价的方法，剩下的让学生自己实现，老师只负责答疑和检查结果。由于采用的是基于原理图的设计方法，学生也能知道很多设计电路图的过程，真正的了解什么是电子设计自动化EDA；由于模拟和数字电路都是从头一点点实现，而不是简单