1、電子教學改革(1)2022/10/7電子教學改革(1)電子教學改革(1)2022/10/3電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景集成電路的發(fā)展趨勢 集成化小型化模塊化將原來使用分立元器件實現(xiàn)的功能,集成到一個芯片上器件工藝的改進,將器件內按照不同功能劃分版圖,電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景集成電路的發(fā)展趨勢 集成化小型化模塊化將原來使創(chuàng)新平臺的背景未來電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢“電路板”級“芯片”級電路板上搭“積木”芯片上搭“積木”平臺的變化，要求未來設計者能產(chǎn)生個性化的、差異化的設計基于“芯片”級的“系統(tǒng)級”設計能力，是對未來電子設計人員的要求嵌入式系統(tǒng)單芯片上實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的典型應用電子教學改革(1)

2、創(chuàng)新平臺的背景未來電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢“電路板”級“芯片”級電創(chuàng)新平臺的背景 片上系統(tǒng)(System-on-Chip, SOC)技術的不斷發(fā)展,也反映了半導體技術的發(fā)展潮流。 片上系統(tǒng)絕對不是一個IP核在單芯片內的集成，而是在更高層次上考察了“系統(tǒng)級”設計的能力，設計的“智慧”，這個智慧就是“從扎實的理論和工程實踐知識”，在單芯片內實現(xiàn)“創(chuàng)意性的設計。電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景 片上系統(tǒng)(System-on-C創(chuàng)新平臺的背景 美國Xilinx公司推出的ZyNQ-7000可擴展處理平臺EPP,將ARM硬核處理器、可編程門陣列、ADC轉換器等集成在單芯片上實現(xiàn)。 為數(shù)字系統(tǒng)設計和嵌入式系統(tǒng)的傳

3、統(tǒng)設計方法，帶來了一場深刻的“革命”。 推動了未來在培養(yǎng)“創(chuàng)新人才”方法上的改革。電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景 美國Xilinx公司推出的ZyN創(chuàng)新平臺的背景電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景-值得期待電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景-值得期待電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景-值得期待電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景-值得期待電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景 比如: 美國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現(xiàn)。為國內大學進行電子教學改革提供

4、了前所未有的機遇。 電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景 比如: 美國Cypress公司推創(chuàng)新平臺的背景電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景-操作系統(tǒng)對PSoC的支持C/OS-III PSOC5PSOC3RTX51 Tiny 電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景-操作系統(tǒng)對PSoC的支持C/OS-III創(chuàng)新平臺的背景 對未來電子專業(yè)的學生的要求“重基礎” 要求扎實的理論知識“寬專業(yè)” 要求能系統(tǒng)的運用理論知識解決實際工程問題。 電子信息類專業(yè)最重要和最基礎課程：電路原理模擬電子技術數(shù)字電子技術電子綜合課程設計電子教學改革(1)創(chuàng)新平臺的背景 對未來電子專業(yè)的學生的要求電子信

5、息類專電子課程實踐教學現(xiàn)狀模擬電子技術-抽象的理論知識, 難于理解 (放大器、濾波器、振蕩器等知識點) 解決：要通過做大量的驗證和設計性實驗，才能讓學 生掌握這些抽象的知識。解決的難點： 教學資源有限（硬件平臺有限，硬件器件有限）授課時數(shù)有限（壓縮整個課時）教師精力有限（很難實現(xiàn)一對一的進行輔導）遇到難點：怎么能讓學生掌握？ 大量的分析和習題解答，學生仍不能理解。 還抱怨難學，直接影響后續(xù)電路課程學習。電子教學改革(1)電子課程實踐教學現(xiàn)狀模擬電子技術-抽象的理論知識, 難于理解電子課程實踐教學現(xiàn)狀數(shù)字電子技術-抽象的邏輯理論知識, 建立邏輯模型 (邏輯代數(shù), 時序電路, 狀態(tài)機最難理解) 解

6、決： 親自熟悉真值表、卡諾圖、最小表達式、門電 路的實現(xiàn)、仿真的過程。解決的難點： 教學資源有限（提供大量分立邏輯LSI電路很繁瑣）授課時數(shù)有限（壓縮整個課時）教師精力有限（設計所有的邏輯電路）遇到難點： 都是離散的邏輯分析，和模擬電路根本不是一回事情，導致模擬和數(shù)字都弄不明白。電子教學改革(1)電子課程實踐教學現(xiàn)狀數(shù)字電子技術-抽象的邏輯理論知識, 建立電子課程實踐教學現(xiàn)狀電子綜合課程設計-模擬電路、數(shù)字電路、ADC、DAC 的綜合設計。 解決： 花費很長的時間一個一個的模塊重新的講解， 學生根本沒有精力進行系統(tǒng)級描述。最后的結果： 模擬和數(shù)字電路實踐教學沒有起到應有的作用。綜合課程設計所要

7、求“系統(tǒng)級”設計目標，無從談起。惡性循環(huán)出現(xiàn)了（學生的厭惡、無奈和恐懼）遇到難點： 由于模擬和數(shù)字電路的基礎掌握不扎實，根 本無法進行小規(guī)模電子系統(tǒng)的設計。電子教學改革(1)電子課程實踐教學現(xiàn)狀電子綜合課程設計-模擬電路、數(shù)字電路、A嵌入式系統(tǒng)相關課程的教學現(xiàn)狀 嵌入式系統(tǒng)的教學，側重點應該是如何使得學生真正能掌握嵌入式系統(tǒng)的設計方法，而不是僅僅教會“一個CPU、一個指令集、一個簡單的應用”。 嵌入式系統(tǒng)實際上是軟件和硬件的高級集成和綜合的應用，對未來的設計者的要求，能不能從“系統(tǒng)級”的角度，把握嵌入式系統(tǒng)的設計規(guī)律和設計方法。 難點：學生感覺學完了沒有什么大的收獲，似懂非懂。老師也覺得非常吃

8、力。電子教學改革(1)嵌入式系統(tǒng)相關課程的教學現(xiàn)狀 嵌入式系統(tǒng)的教學，側重點改革電子課程實踐教學的思考 思考1：從傳統(tǒng)的基于面板板上搭電路。 轉向在單個芯片里搭電路。 思考2：電子實踐教學中，不消耗大量的芯片，而實 現(xiàn)中等復雜模擬電路、數(shù)字電路和模擬/數(shù)字 混合電路。 思考3：讓學生有充分實踐的機會，親自將模擬電路 和數(shù)字電路中的關鍵知識點通過實踐來掌握。 充分的發(fā)揮學生的主觀能動性。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的思考 思考1：從傳統(tǒng)的基于面板板改革電子課程實踐教學的思考 思考4：充分利用電子綜合課程設計的環(huán)節(jié)，以學生所 掌握的知識點為基礎，以小的項目實現(xiàn)為導 向，充分培養(yǎng)學生“系統(tǒng)

9、級”的設計能力。 即“搭積木的能力”，這個過程是對基礎知識 考核和分析能力提高的過程。思考5：通過電子課程的實踐教學，為后續(xù)課程的銜接 打好基礎。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的思考 思考4：充分利用電子綜合課程設計改革電子課程實踐教學的思考思考6：教師在實踐教學中的角色是幫助學生答疑解 惑，將實踐教學的主角變成學生，教師是輔助 的作用。想法是好，但是如何實現(xiàn)？找到破解上述難題的方法？ 思考7： 實驗室是學生完成實驗的一個場所，但不是唯 一的場所，學生可以隨時隨地的完成實驗環(huán) 節(jié)，他們在實驗室是完成最后的調試任務。 思考8： 借助廠商的力量，使得學生能充分的利用廠商 的“生態(tài)系統(tǒng)”。電

10、子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的思考思考6：教師在實踐教學中的角色是幫改革電子課程實踐教學的具體手段 所有的電子課程實踐教學應該圍繞下面的大目標： 讓學生通過電子課程實踐環(huán)節(jié)掌握電子課程的基礎 知識。 讓學生通過電子課程綜合設計環(huán)節(jié)初步具有“設計 系統(tǒng)”的能力。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段 所有的電子課程實踐教學應該圍改革電子課程實踐教學的具體手段 讓學生擁有一塊廉價便宜的硬件平臺，在這個平臺上可以實現(xiàn)模擬和數(shù)字電路課程所涉及的知識點內容。 學生可以隨時隨地的實現(xiàn)設計。 教師可以根據(jù)時間靈活的準備實踐教學內容和設計創(chuàng)新性的實踐教學案例（項目）。 實驗場所從實驗室，擴展

11、到任何安全的場所。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段 讓學生擁有一塊廉價便宜改革電子課程實踐教學的具體手段實例1： 北京工業(yè)大學軟件學院在教授Xilinx FPGA相關課程時，將開發(fā)板借給學生使用，學生學習相關的課程時，有很好的自由度，教師起的作用是集中解答問題。把主動權交給學生。實例2： 北京化工大學信息學院在教授Xilinx FPGA相關本科和研究生課程時，將開發(fā)板借給學生使用，學生學習相關的課程時，有很好的自由度，教師起的作用是集中解答問題。把主動權交給學生。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段實例1：實例2：電子教學改革(改革電子課程實踐教學的具體手段實例3：

12、 Xilinx在國內多個省市承辦的大學生電子設計競賽 采用將該省多個學校的教師集中在一所大學，進行相關的輔導。采用的方法就是編講理論邊實踐的方法，參加培訓的教師對這種方式非常贊同。 數(shù)字電路基礎和后續(xù)課程銜接。真值表化簡卡諾圖最簡邏輯表達式門極電路設計門級仿真實現(xiàn)時序仿真測試和驗證HDL高層次描述綜合電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段實例3：真值表化簡卡諾圖最簡邏改革電子課程實踐教學的具體手段電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段 實例4：北京化工大學信息學院在近期準備啟動電子課程實踐教學改革，打通模擬電子、數(shù)字電子和電子

13、課程綜合設計實踐教學環(huán)節(jié)，專門分配一定的課時，在美國Cypress公司提供的CY8CKIT-030開發(fā)平臺上，完成模擬電子和數(shù)字電子課程實踐教學環(huán)節(jié)。并且在電子信息專業(yè)學生進行單片機課程教學時，引入該設計平臺。 另外在國內其它一些高校，也開始進行類似的實踐教學改革。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段 實例4：北京化工大學改革電子課程實踐教學的具體手段 實例5：2012年6月-7月，天津工業(yè)大學計算機學院大學二年級的學生，在Xilinx和天津市大學軟件學院合作的實訓基地，進行了長達5個星期的高強度實訓，我全程參與學生的實訓過程，主要內容有： 1）數(shù)字邏輯（主要是時序電路） 2）硬件

14、描述語言HDL 3）使用HDL，對基本數(shù)字邏輯單元的抽象描述 4）設計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，編寫匯編語言，最終實 現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)設計。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段 實例5：2012年6月改革電子課程實踐教學的具體手段 在整個實訓過程中，采用了下面的教學方法： 1.循序漸進的教學方法 2.充分發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)新能力 3.摒棄“填鴨式的”教學方法。 4.以項目為導向，以創(chuàng)新平臺為載體，將所學的理論 知識和最新的數(shù)字電子技術密切結合。 5.改革對學生的評價方式，重點考察學生的創(chuàng)新能力 。通

15、過合理的評價方式，激發(fā)學生刻苦鉆研的精神 和團隊合作的精神。 事實證明，在教學的主要過程，應該從“以教師的被動教學為中心”,轉向“以學生主動思考為中心”的新的教學思路和教學方法。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段 在整個實訓過程中，采用了改革電子課程實踐教學的具體手段 實例6： Cypress最近在國內陸續(xù)舉辦了PSoC技術的集中輔導，采用將多個學校的教師集中在一所大學，進行相關的輔導（目前，由清華大學教學儀器廠承擔了這個任務）。 采用的方法就是編講理論邊實踐和循序漸進的方法，先模擬電路設計、數(shù)字電路設計、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)設計和單片系統(tǒng)設計的方法，將PSoC技術和目前國內電子類課程的

16、教學緊密的結合，破解目前電子課程理論和實踐教學的所面臨的“困惑”。電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段 實例6： Cypr改革電子課程實踐教學的具體手段CY8CKIT-001開發(fā)板外觀電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段CY8CKIT-001電子教學改革電子課程實踐教學的具體手段CY8CKIT-030開發(fā)板外觀電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段CY8CKIT-030電子教學改革電子課程實踐教學的具體手段CY8CKIT-050開發(fā)板外觀電子教學改革(1)改革電子課程實踐教學的具體手段CY8CKIT-050電子教學開放式電子實踐教學平臺參考書 Cypress

17、PSoC設計指南系列參考書籍 （化工出版社出版）可編程片上系統(tǒng)PSoC設計指南（已經(jīng)出版） 目標：針對PSoC3/5的單片機/嵌入式8051片上可編程系統(tǒng)原理及應用（已經(jīng)出版） 目標：針對PSoC3的單片機設計（RTX51 Tiny操作系統(tǒng)） PSoC模擬與數(shù)字電路設計指南（已經(jīng)出版） 目標：針對本科/高職電子課程實驗教學，手把手學習混合嵌入式、信號設計（8月出版） 目標：針對PSoC1的嵌入式設計Cortex-M3片上可編程系統(tǒng)原理及應用（8月出版） 目標：針對PSoC5的嵌入式設計（C/OS-III操作系統(tǒng)）電子教學改革(1)開放式電子實踐教學平臺參考書 Cypress開放式電子實踐教學平

18、臺參考書電子教學改革(1)開放式電子實踐教學平臺參考書電子教學改革(1)開放式電子實踐教學平臺參考設計 全書包含本科/高職模擬/數(shù)字電子課程教學所需要的設計實例。 模擬電路設計部分：簡單運算放大器設計同相放大器的設計反相放大器的設計儀表放大器的設計積分器和微分器的設計一階有源濾波器的設計二階有源濾波器的設計基于非線性元件的電路設計波形發(fā)生器的設計電子教學改革(1)開放式電子實踐教學平臺參考設計 全書包含本科/高職模擬開放式電子實踐教學平臺參考設計數(shù)字電路設計部分： SIO特性測試及應用邏輯表達式及最小化實現(xiàn)編碼器和譯碼器的設計碼轉換的設計多路復用器的設計多位數(shù)字比較器的設計算術運算單元的設計鎖存器和觸發(fā)器的設計寄存器的設計有限自動狀態(tài)機的設計計數(shù)器的設計基于查找表的數(shù)字系統(tǒng)的設計多諧振蕩器的設計復雜數(shù)字系統(tǒng)的高層次描述電子教學改革(1)開放式電子實踐教學平臺參考設計數(shù)字電路設計部分：電子教學改革開放式電子實踐教學平臺參考設計好處表現(xiàn)在： 學生人手一塊； 隨時隨地就可以搭電路，不要在為教學資源的不足發(fā)愁； 在芯片里通過搭積木（IP）的方式，組成最終的模擬和數(shù)字混合 系統(tǒng)