1、电子教学改革电子教学改革(1)2022-10-9电子教学改革(1)创新平台的背景创新平台的背景集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势 集成化集成化小型化小型化模块化模块化将原来使用分立元将原来使用分立元器件实现的功能器件实现的功能,集成到一个芯片上集成到一个芯片上器件工艺的改进器件工艺的改进,将器件内按照不同将器件内按照不同功能划分版图功能划分版图,电子教学改革(1)创新平台的背景未来电子系统的发展趋势未来电子系统的发展趋势“电路板电路板”级级“芯片芯片”级级电路板上搭电路板上搭“积木积木”芯片上搭芯片上搭“积木积木”平台的变化，要求未来设计者能产生个性化的、差异化的设计平台的变化，要求未来设计
2、者能产生个性化的、差异化的设计基于基于“芯片芯片”级的级的“系统级系统级”设计能力，是对未来电子设计人员的要求设计能力，是对未来电子设计人员的要求嵌入式系统嵌入式系统单芯片上实现嵌入单芯片上实现嵌入式系统的典型应用式系统的典型应用电子教学改革(1)创新平台的背景创新平台的背景 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(1)创新平台的背景创新平台的背景 美
3、国美国Xilinx公司推出的公司推出的ZyNQ-7000可扩展处理平台可扩展处理平台EPP,将将ARM硬核处理器、可编程门阵列、硬核处理器、可编程门阵列、ADC转换器转换器等集成在单芯片上实现。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，带来了一场深刻的来了一场深刻的“革命革命”。推动了未来在培养推动了未来在培养“创新人才创新人才”方法上的改革。方法上的改革。电子教学改革(1)创新平台的背景电子教学改革(1)创新平台的背景-值得期待电子教学改革(1)创新平台的背景-值得期待电子教学改革(1)创新平台的背景创新平台的背景 比如比如:
4、美国美国Cypress公司推出的可编程片上系统公司推出的可编程片上系统PSoC1/3/5,将将M8C/8051/Cortex-M3 硬核处理器、可编硬核处理器、可编程模拟阵列、可编程数字阵列等集成在单芯片上实现。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。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(1)创新平台的背景创新平台的背景电子教学改革(1)创新平台的背景创新平台的背景-操作系统对操作系统对PSoC的支持的支持C/OS-III PSOC5PSOC3RTX51 Tiny 电子教学改革(1)创新平台的背景 对未来电子专业的
5、学生的要求对未来电子专业的学生的要求“重基础重基础”要求扎实的理论知识要求扎实的理论知识“宽专业宽专业”要求能系统的运用理论知识解决实要求能系统的运用理论知识解决实际工程问题。际工程问题。电子信息类专业最重要和最基础课程：电子信息类专业最重要和最基础课程：电路原理电路原理模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术电子综合课程设计电子综合课程设计电子教学改革(1)电子课程实践教学现状模拟电子技术模拟电子技术-抽象的理论知识抽象的理论知识,难于理解难于理解 (放大器、滤波器、振荡器等知识点放大器、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，才能让学解决：要通过做大量的验证和
6、设计性实验，才能让学 生掌握这些抽象的知识。生掌握这些抽象的知识。解决的难点：解决的难点：教学资源有限（硬件平台有限，硬件器件有限）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）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）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？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。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。还抱怨难学，直接影响后续电路课程学习。电子教学改革(1)电子课程实践教学现状数字电子技术数字电子技术-抽象的逻辑理论知识
7、抽象的逻辑理论知识,建立逻辑模型建立逻辑模型 (逻辑代数逻辑代数,时序电路时序电路,状态机最难理解状态机最难理解)解决：解决：亲自熟悉真值表、卡诺图、最小表达式、门电亲自熟悉真值表、卡诺图、最小表达式、门电 路的实现、仿真的过程。路的实现、仿真的过程。解决的难点：解决的难点：教学资源有限（提供大量分立逻辑教学资源有限（提供大量分立逻辑LSI电路很繁琐）电路很繁琐）授课时数有限（压缩整个课时）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）教师精力有限（设计所有的逻辑电路）遇到难点：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都是离散的逻辑分析，和模拟电路根本不是一回事情
8、，导致模拟和数字都弄不明白。情，导致模拟和数字都弄不明白。电子教学改革(1)电子课程实践教学现状电子综合课程设计电子综合课程设计-模拟电路、数字电路、模拟电路、数字电路、ADC、DAC 的综合设计。的综合设计。解决：解决：花费很长的时间一个一个的模块重新的讲解，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。学生根本没有精力进行系统级描述。最后的结果：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。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综合课程设计所要求“系统级系统级”设计目标，无从谈起。设计目标，无从谈起。恶性循环出现了（学生的厌恶、无奈和
9、恐惧）恶性循环出现了（学生的厌恶、无奈和恐惧）遇到难点：遇到难点：由于模拟和数字电路的基础掌握不扎实，根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。本无法进行小规模电子系统的设计。电子教学改革(1)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，而不是仅仅教会掌握嵌入式系统的设计方法，而不是仅仅教会“一个一个CPU、一个指令集、一个简单的应用、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嵌入式系统实际上是软件和硬件的高级集成和综合
10、的应用，对未来的设计者的要求，能不能从用，对未来的设计者的要求，能不能从“系统级系统级”的角度，把握嵌入式系统的设计规律和设计方法。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。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。老师也觉得非常吃力。电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的思考改革电子课程实践教学的思考 思考思考1：从传统的基于面板板上搭电路。：从传统的基于面板板上搭电路。转向在单个芯片里搭电路。转向在单个芯片里搭电路。思考思考2：电子实践教学中，不消耗大量的芯片，而实电子实践教学中，不消耗大量的芯片，而实 现中等复
11、杂模拟电路、数字电路和模拟现中等复杂模拟电路、数字电路和模拟/数字数字 混合电路。混合电路。思考思考3：让学生有充分实践的机会，亲自将模拟电路：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。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。充分的发挥学生的主观能动性。电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的思考改革电子课程实践教学的思考 思考思考4：充分利用电子综合课程设计的环节，以学生所：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，充分培养学生向，充分培养学生“
12、系统级系统级”的设计能力的设计能力。即即“搭积木的能力搭积木的能力”，这个过程是对基础知识，这个过程是对基础知识 考核和分析能力提高的过程。考核和分析能力提高的过程。思考思考5：通过电子课程的实践教学，为后续课程的衔接：通过电子课程的实践教学，为后续课程的衔接 打好基础。打好基础。电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的思考改革电子课程实践教学的思考思考思考6：教师在实践教学中的角色是帮助学生答疑解：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，教师是辅助惑，将实践教学的主角变成学生，教师是辅助 的作用。的作用。想法是好，但是如何实现？找到破解上述难题的方法？想法是好，
13、但是如何实现？找到破解上述难题的方法？思考思考7：实验室是学生完成实验的一个场所，但不是唯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。节，他们在实验室是完成最后的调试任务。思考思考8：借助厂商的力量，使得学生能充分的利用厂商借助厂商的力量，使得学生能充分的利用厂商 的的“生态系统生态系统”。电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段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：所有的电子课程实践教学应该围绕下面的大目标：l 让学生通过电子课程实践
14、环节掌握电子课程的基础让学生通过电子课程实践环节掌握电子课程的基础 知识。知识。l 让学生通过电子课程综合设计环节初步具有让学生通过电子课程综合设计环节初步具有“设计设计 系统系统”的能力。的能力。电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段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。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。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教师可以根据时间灵活的准备实践教学内容
15、和设计创新性的实践教学案例（项目）。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。实验场所从实验室，扩展到任何安全的场所。电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段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Xilinx FPGA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Xilinx FPGA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(1
16、)改革电子课程实践教学的具体手段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。真值表真值表化简卡诺图化简卡诺图最简逻辑表达式最简逻辑表达式门极电路设计门极电路设计门级仿真门级仿真实现实现时序仿真时序仿真测试和验证测试和验证HDL高层次描述高层次描述综合综合电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段改革电子课程实践教学的具体手段电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段改革电子课程实践教学
17、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(1)改革电子课程实践教学的具体手段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，
18、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HDL 3）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(1)改革电子课程实践教学的具体手段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
19、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，应该从事实证明，在教学的主要过程，应该从“以教师的被动以教师的被动教学为中心教学为中心”,转向转向“以学生主动思考为中心以学生主动思考为中心”的新的教学思的新的教学思路和教学方法。路和教学方法。电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段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
20、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(1)改革电子课程实践教学的具体手段改革电子课程实践教学的具体手段CY8CKIT-001开发板外观开发板外观电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段改革电子课程实践教学的具体手段CY8CKIT-030开发板外观开发板外观电子教学改革(1)改革电子课程实践教学的具体手段改革电子课程实践教学的具体手段CY8CKIT-050开发板外观开发板外观电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考书 Cypre
21、ss PSoC设计指南系列参考书籍 （化工出版社出版）l可编程片上系统PSoC设计指南（已经出版）目标：针对目标：针对PSoC3/5PSoC3/5的单片机的单片机/嵌入式嵌入式l8051片上可编程系统原理及应用（已经出版）目标：针对目标：针对PSoC3PSoC3的单片机设计（的单片机设计（RTX51 TinyRTX51 Tiny操作系统）操作系统）lPSoC模拟与数字电路设计指南（已经出版）目标：针对本科目标：针对本科/高职电子课程实验教学，手把手学习高职电子课程实验教学，手把手学习l混合嵌入式、信号设计（8月出版）目标：针对目标：针对PSoC1PSoC1的嵌入式设计的嵌入式设计lCortex
22、-M3片上可编程系统原理及应用（8月出版）目标：针对目标：针对PSoC5的嵌入式设计（的嵌入式设计（C/OS-III操作系统）操作系统）电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考书电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考设计 全书包含本科全书包含本科/高职模拟高职模拟/数字电子课程教学所需要数字电子课程教学所需要的设计实例。的设计实例。模拟电路设计部分：模拟电路设计部分：l简单运算放大器设计简单运算放大器设计l同相放大器的设计同相放大器的设计l反相放大器的设计反相放大器的设计l仪表放大器的设计仪表放大器的设计l积分器和微分器的设计积分器和微分器的设计l一阶有源滤波器的设计一阶有源滤波器的
23、设计l二阶有源滤波器的设计二阶有源滤波器的设计l基于非线性元件的电路设计基于非线性元件的电路设计l波形发生器的设计波形发生器的设计电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考设计 数字电路设计部分：数字电路设计部分：l SIO特性测试及应用特性测试及应用l逻辑表达式及最小化实现逻辑表达式及最小化实现l编码器和译码器的设计编码器和译码器的设计l码转换的设计码转换的设计l多路复用器的设计多路复用器的设计l多位数字比较器的设计多位数字比较器的设计l算术运算单元的设计算术运算单元的设计l锁存器和触发器的设计锁存器和触发器的设计l寄存器的设计寄存器的设计l有限自动状态机的设计有限自动状态机的设计l计数器
24、的设计计数器的设计l基于查找表的数字系统的设计基于查找表的数字系统的设计l多谐振荡器的设计多谐振荡器的设计l复杂数字系统的高层次描述复杂数字系统的高层次描述电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考设计 好处表现在：l 学生人手一块；l 随时随地就可以搭电路，不要在为教学资源的不足发愁；l 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；l 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）l 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。l 由于采用的是基于原理图的设计方法，学生也能知道很
25、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；l 由于模拟和数字电路都是从头一点点实现，而不是简单的使用，将抽象的理论知识，通过学生自己搭“积木”弄清楚全部的细节问 题。学生的主观能动性和积极性将被充分的调动。电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考设计 同相放大器原理图同相放大器原理图电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考设计交流交流-直流变换电路原理图直流变换电路原理图电子教学改革(1)开放式电子实践教学平台参考设计一个化简后的一个化简后的3 3变量逻辑的原理图界面变量逻辑的原理图界面电子教学改革(1)状态转移逻辑和状态寄存器的设计状态转移逻辑和状态寄存器的设计开放式电子实践教学平台参考设计状态寄存器状态转移逻辑电子教学改革(1)2022-10-9电子教学改革(1)
