基于EDA工具的电路实验课程教学建议

摘要：经历多年教学实践与反思，高校教育工作者们逐渐意识到，传统工科教育模式，对于当代学生的发展存在局限。于是，新工科建设被提上日程，它的核心目标明确，就是培养学生的工程创新和创造能力，让他们在未来的职场中得以游刃有余。由这样的背景出发，文章聚焦电路实验课程的教学改革，对EDA工具的作用进行分析，并探索具体的教学改进建议。

关键词：EDA工具；电路实验课程；教学建议

引言

电路实验课是微电子专业的核心基础，它架起了理论与实践的桥梁。在这门课程中，掌握现代EDA工具是重中之重。通过原理图或硬件描述语言，学生可以将设计思路输入仿真软件，进行数字逻辑的模拟与验证，设计的灵活性大大提高，还能通过EDA平台，直观看到电路的实际运行效果。现代数字系统设计规模越来越大，此工具的运用，显著缩短了从理论到实践的路径，对培养具备创新能力的工程人才，也大有裨益。

一、EDA工具在电路实验课程教学中发挥的作用

EDA，全称Electronic Design Automation，中文电子设计自动化，是一种利用计算机软件进行电子系统设计的工具。简单来说，就是通过软件来帮助工程师完成电路设计、仿真和验证等一系列工作，它在电路实验课程中的作用，可以类比为一位经验丰富的助手，能够助力学生将复杂的设计过程简化。学生在纸上绘制电路图时，往往难以避免一些错误，导致整个过程需要重头再来，但利用EDA工具，能够修正设计中的问题，减少重复劳动。软件内置的仿真功能，可以实时验证电路性能，不需要学生在实验室中反复搭建和调试电路，实验效率提升的同时，也能使学生更系统地掌握电路工作原理。以四位加法器实验为例，该实验的核心在于熟悉Quartus II软件和AEDK实验箱操作，熟悉可编程器件开发流程，掌握层次化设计方法。实验时，学生只需启动软件建立工作库文件夹，编辑设计文件，按要求输入VHDL源程序代码，并利用New Project Wizard工具创建工程，进行工程编译，对其功能和时序性质，进行仿真测试、管脚绑定和器件下载，通过设置各个按键的状态，即可实现对加法器的验证。

二、基于EDA工具的电路实验课程教学改进建议

（一）注重实验平台的合理选择

在电路实验课程中，实验平台的选择非常重要，关系到教学效果和学生的学习体验。目前，很多高校仍沿用传统的实验平台，虽然它们能满足基本教学需求，但在实际应用中，往往存在一定的局限性。比如，Multisim界面友好，适合初学者入门，但在处理复杂电路设计时，性能略显不足；Pspice和LTspice尽管仿真功能强大，但在与硬件结合方面，灵活性较差，难以满足FPGA设计的深度需求。相比之下，Quartus II在FPGA设计领域的表现更为突出，它的操作逻辑清晰，具备直观的用户界面，丰富的设计资源，学生能够快速掌握基本功能，减少学习曲线带来的挫败感。平台支持多种硬件描述语言，如Verilog和VHDL，这意味着学生可以根据自己的兴趣和需求，选择适合的语言进行设计，更有助于激发他们的创造力。Quartus II内置的仿真工具，还能实时验证电路设计，这样学生在设计阶段就能发现问题并修正，避免在硬件调试中浪费时间。更为关键的是，该实验平台还支持多种FPGA开发板，学生可以结合实验室的硬件条件，筛选适宜的开发板展开实验，这为电路实验教学提供了更多的可能性。

需要注意的是，实验平台的选择只是教学改革中的一环，它并不能完全决定课程的成功与否。真正影响教学效果的，是教师如何引导学生去使用这些工具，如何将理论与实践有机结合。EDA工具虽然强大，但如果学生只是机械地按照步骤操作，缺乏对电路原理的深入理解，那么再先进的平台也难以发挥其应有的作用。同时，实验平台的更新和维护也是一个不容忽视的环节，学校应定期对硬件和软件进行升级，确保学生能够接触到最新的技术。

（二）加强实验内容的科学设置

电路实验课程教学不是孤立的环节，它服务于电路的理论教学，成为理论知识的延伸和验证。开展教学时，实验设计应当紧密围绕理论知识展开，内容由浅入深，难度逐步提升，让学生在“做中学，学中做”，真正实现知识的内化。

第一个层次是基础性实验，主要涉及电路的基本概念和原理的验证，目的是让学生在动手操作中，加深对理论知识的理解，并熟悉EDA工具的应用方法，帮助他们建立信心。实验内容可以先从加法器、减法器这些简单的电路开始，然后再一步步深入到译码器、计数器等稍微复杂的设计。通过亲手搭建电路，学生会对逻辑器件的工作原理有更深刻的认识，甚至发现一些课堂上没注意到的细节，锻炼他们的耐心和细致力。

第二个层次是综合性实验，目的是让学生将理论转化为实践。这些实验往往与生活紧密相关，且融合了电路课程相关知识，如计时秒表、交通灯控制器或多功能数字钟。学生在这一实验中，需要发挥自己的动手能力，将抽象的知识转化为实际可用的设备。以FPGA为核心的EDA设计是一个很好的起点，学生需思考如何利用外围硬件电路来扩展系统功能。以交通灯控制器为例，学生不仅要考虑红绿灯的切换逻辑，还得设计倒计时功能，这时七段数码管就成了不可或缺的硬件扩展，它能清晰地显示红绿灯的剩余时间，让整个系统更贴近现实场景。

第三个层次是创新性实验，这是走向工程实践的重要一步。实验内容的设计要有一定的挑战性，让学生能够跳出常规思维，探索新的可能性。如果过于简单，就无法达到锻炼的目的。教师可以让学生充分利用EDA工具来完成各种自己想要实现的内容，像利用Digital技术设计一些经典游戏，既能锻炼编程能力，又能让学习过程变得有趣。或者，他们也可以尝试设计一些贴近生活的电子产品，如智能手环、智能家居设备等，甚至基于自己的兴趣和能力，尝试设计全新的电子产品。

（三）监督教学环节的有效实施

借助EDA工具，电路实验课程教学不再是单一的验证性操作，而是转变为一种探索与创新的过程。它鼓励学生大胆尝试，设计自己的电路方案，在实践中发现问题、解决问题，并且当学生看到自己设计的电路成功运行后，那种成就感是难以用语言形容的，整个学习体验，远比死记书本上的公式和理论来得深刻。因此，在引导学生使用EDA工具时，教师应将独立思考能力培养放在首位，科学设置实验内容，并全程监督学生学习进度，在取得有效进展时，让他们分享自己的设计思路和实验心得。对于实验过程中遇到的困难，教师应帮助他们找到问题的根源，但不是直接提供答案，而是采取引导的方式，让他们能够自主解决。

结束语

自从EDA工具得到广泛应用以来，它在电路实验课程中已经变得不可或缺，学生能够通过它减少传统实验中的试错成本，实现实验课上学习效率的提高，教师也能借助它进行教学革新，灵活设计实验内容，使电路知识以更加直观和易于理解的方式呈现。本文提出的改进建议，是在新工科人才的培养目标下进行的一次探索与实践总结，今后还需广大教学工作者，继续深耕EDA工具在教学中的应用，紧紧跟随行业的发展方向，为国家科技建设提供坚实人才支撑。

参考文献：

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广州工商学院质量工程项目（项目编号：SYKC2024021）