一類(lèi)基于SOPC技術(shù)的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)模式改革

何劍春

(紹興文理學(xué)院 工學(xué)院，浙江 紹興312000)

目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)的重要內(nèi)容和具體形式.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是高校工科控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論(信號(hào)變換理論和系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述)、經(jīng)典z域分析方法、經(jīng)典z域設(shè)計(jì)方法、狀態(tài)空間分析和設(shè)計(jì)方法、數(shù)值控制方法以及目前工業(yè)控制領(lǐng)域的典型應(yīng)用形式.通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)通道設(shè)計(jì)、常規(guī)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和抗干擾措施等方面的理論和技能，具備開(kāi)發(fā)常用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能力.

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的傳統(tǒng)教學(xué)方法側(cè)重理論體系的系統(tǒng)性和完整性，以課堂講授為主，輔以一定的演示或操作實(shí)驗(yàn)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知程度.由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展迅速，知識(shí)更新快，傳統(tǒng)的教學(xué)方式方法必須加快適應(yīng)時(shí)代的步伐.以本校為例，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少，教學(xué)上存在以下不足：

(1)實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱.按照本校教學(xué)大綱要求，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置為12學(xué)時(shí)；同時(shí)，現(xiàn)有課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大，成本較高，實(shí)驗(yàn)室配備數(shù)量很少.因此，教師一貫采用演示實(shí)驗(yàn)形式完成課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，沒(méi)有重視理論與實(shí)踐的有效配合，無(wú)法進(jìn)行深層次引導(dǎo).

(2)學(xué)而不知其用.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)綜合了自動(dòng)控制理論、單片機(jī)原理、微機(jī)原理、程序設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容，要求學(xué)生能貫通應(yīng)用有一定難度.傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生普遍感到知識(shí)點(diǎn)多且抽象，認(rèn)知水平浮于表面，不能切實(shí)體會(huì)理論與工程實(shí)際的緊密聯(lián)系，學(xué)而不知其用，久而久之學(xué)習(xí)興趣受到影響.

由此可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)需順應(yīng)形勢(shì)發(fā)展調(diào)整授課內(nèi)容，增加合適的新技術(shù)和新內(nèi)容；同時(shí)，應(yīng)采用新型授課模式，淘汰原用于操作實(shí)驗(yàn)的體積龐大的操作平臺(tái)，革新實(shí)驗(yàn)技術(shù)，建設(shè)新型實(shí)驗(yàn)機(jī)制.通過(guò)教學(xué)模式改革，促進(jìn)學(xué)生快速融合連續(xù)域控制理論，主動(dòng)探索和解決實(shí)際計(jì)算機(jī)離散控制問(wèn)題，形成重視技能培養(yǎng)的積極教學(xué)方式.

針對(duì)本校計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)實(shí)際情況，結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，以“強(qiáng)化技能，革新技術(shù)”為原則，將目前流行的SOPC(System on a Programmable Chip)技術(shù)引入課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了多項(xiàng)切合課程內(nèi)容的實(shí)踐項(xiàng)目，并由實(shí)踐項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)理論知識(shí)點(diǎn)的傳達(dá)順序和學(xué)時(shí)分配，以強(qiáng)化理論內(nèi)容在實(shí)踐中的應(yīng)用，縮短淺層次內(nèi)容的課堂占時(shí)，提升學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)興趣.

1 EDA模式課程實(shí)踐教學(xué)的意義

可編程邏輯器件(PLD，Programmable Logic Device)的出現(xiàn)極大地提高了電子設(shè)計(jì)的效率和可靠性.目前，許多高校已經(jīng)將基于PLD的EDA(Electronics Design Automation)技術(shù)引入本科生和研究生的教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)精神，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力.從本科培養(yǎng)計(jì)劃角度看，EDA/SOPC技術(shù)為電氣、電子、控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的課外創(chuàng)新活動(dòng)和崗前培訓(xùn)提供了必需的電子設(shè)計(jì)理論知識(shí)與技能，與其他技術(shù)基礎(chǔ)課銜接十分緊密.我校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2006年設(shè)立了FPGA(Field Programmable Gate Array)分室，配備有EDA開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(GW48PK2S)30套，但迄今為止使用率甚低.

因此，不論是出于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)備受益面的目的，還是出于強(qiáng)化計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的目的，進(jìn)行課程實(shí)踐教學(xué)的EDA模式改革都很有必要.其重要意義體現(xiàn)在：

(1)有效提升FPGA實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和軟件的使用率.通過(guò)相關(guān)類(lèi)別課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)、EDA技術(shù)講座以及專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)等環(huán)節(jié)，大力提高實(shí)驗(yàn)室資源使用率和受益面.

(2)取精用弘，有效支持電子競(jìng)賽和課外創(chuàng)新活動(dòng).將可編程邏輯技術(shù)和技能訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合，有利于引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展課外創(chuàng)新研究和橫向合作，提升學(xué)生電子設(shè)計(jì)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用技能.例如，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽賽題中，可使用FPGA技術(shù)的賽題超過(guò)三分之一，有些賽題甚至離開(kāi)FPGA技術(shù)便無(wú)從下手.因此，應(yīng)盡快提高電類(lèi)專(zhuān)業(yè)中FPGA技術(shù)的普及率，加強(qiáng)FPGA技術(shù)對(duì)課程實(shí)驗(yàn)的融合度，使之成為電子競(jìng)賽等創(chuàng)新活動(dòng)繼續(xù)保持活力的重要因素.

(3)以改促建，有效輔助新專(zhuān)業(yè)建設(shè).本?？刂乒こ滔到晷略鲭姎夤こ虒?zhuān)業(yè)，EDA模式改革對(duì)該專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中數(shù)字電路、數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)有重要的推進(jìn)作用.

2 EDA模式課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

為切實(shí)提升計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)效果，改進(jìn)課程教學(xué)方式，根據(jù)課程大綱要求、項(xiàng)目典型性要求和教材側(cè)重點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有EDA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，選擇表1、表2所示項(xiàng)目作為課程實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容.其中，表1所示5項(xiàng)為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，共計(jì)16學(xué)時(shí)；表2所示5項(xiàng)為課外選做項(xiàng)目，共計(jì)16學(xué)時(shí).實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇依據(jù)以下原則：

廣西賓陽(yáng)竹編文化及其現(xiàn)代發(fā)展對(duì)策研究 …………………………………………………………………………… 覃秋萍（4/58）

表1 課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

表2 課外設(shè)計(jì)項(xiàng)目

(1)符合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)大綱、教材側(cè)重點(diǎn)和實(shí)踐內(nèi)容的典型性要求；

(2)符合GW48型EDA系統(tǒng)開(kāi)設(shè)條件，并經(jīng)過(guò)可行性測(cè)試，形成實(shí)施項(xiàng)目的引導(dǎo)性文檔；

(3)兼顧課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及發(fā)展趨勢(shì)，在集成度、復(fù)雜度等方面有所提升.

3 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)調(diào)整理論教學(xué)計(jì)劃

根據(jù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)大綱要求，2010級(jí)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)選用電子工業(yè)出版社的《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》(康波主編，2011年出版)作為教材.該教材共11章，授課內(nèi)容包含于其中的8個(gè)章節(jié)中(第7章至第9章內(nèi)容超出大綱范圍).授課過(guò)程以“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”形式重組知識(shí)結(jié)構(gòu)，調(diào)整理論授課順序，并及時(shí)穿插與項(xiàng)目相關(guān)的課外知識(shí).調(diào)整后的授課計(jì)劃及補(bǔ)充內(nèi)容具體見(jiàn)表3.

以“圍繞項(xiàng)目組織重點(diǎn)內(nèi)容，簡(jiǎn)化基礎(chǔ)理論”為原則，側(cè)重于實(shí)踐項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的細(xì)講和點(diǎn)撥，部分基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)則作簡(jiǎn)化處理，并以講座形式(共16講)組織教學(xué). 除此以外，教學(xué)過(guò)程中還安排了16學(xué)時(shí)的課外自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，并要求學(xué)生提交簡(jiǎn)要的自學(xué)報(bào)告.

4 實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施與評(píng)價(jià)

由于課時(shí)限制，為保證實(shí)踐環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效果，除要求教師精心設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目、認(rèn)真編制指導(dǎo)材料、合理組織教學(xué)內(nèi)容外，還需學(xué)生做好前期預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，進(jìn)行充分的課外練習(xí)和系統(tǒng)仿真.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施分以下幾個(gè)階段：前期準(zhǔn)備，交流和引導(dǎo)，過(guò)程管理，項(xiàng)目評(píng)議.

4.1 前期準(zhǔn)備

精心的前期準(zhǔn)備是取得良好實(shí)踐效果的關(guān)鍵.項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)做好以下幾方面工作：

(1)精心鋪墊.實(shí)驗(yàn)前教師應(yīng)確保編制完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，并給學(xué)生提供詳細(xì)的學(xué)習(xí)資料，必要時(shí)還要進(jìn)行針對(duì)性的案例分析，保證學(xué)生理解透徹；

表3 “項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的知識(shí)結(jié)構(gòu)重組

(2)認(rèn)真試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行設(shè)備和軟件的測(cè)試，并進(jìn)行項(xiàng)目試運(yùn)行，保證項(xiàng)目的準(zhǔn)確性和可行性；

(3)認(rèn)真預(yù)習(xí).要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真閱讀指導(dǎo)書(shū)，理解實(shí)驗(yàn)的目的和原理，弄清實(shí)驗(yàn)步驟；通過(guò)大量練習(xí)，熟練掌握VHDL語(yǔ)言及Matlab、QuartusII、NiosIDE等軟件，了解EDA開(kāi)發(fā)流程和注意事項(xiàng).

4.2 交流和引導(dǎo)

(1)注重師生交互，通過(guò)網(wǎng)上交流平臺(tái)，及時(shí)組織學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)方案和遇到的問(wèn)題，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性；

(2)及時(shí)布置聯(lián)系緊密的思考題，共享啟發(fā)性說(shuō)明文檔，提示和剖析備選的課外設(shè)計(jì)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生深入理解項(xiàng)目的內(nèi)容和意義，逐步培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立分析和設(shè)計(jì)的能力.

4.3 過(guò)程管理

為保證教學(xué)效果，保質(zhì)保量完成課內(nèi)和課外項(xiàng)目，教學(xué)中組建了8個(gè)學(xué)習(xí)小組(每組4人).項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程以小組為單位進(jìn)行管理.各小組自行決定項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃和組員分工.項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程按小組進(jìn)行監(jiān)督和驗(yàn)收，并由小組自行評(píng)定組員的貢獻(xiàn)率.

4.4 項(xiàng)目評(píng)議

(1)點(diǎn)評(píng).為反映學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，各項(xiàng)目均設(shè)置了明確的要求和目標(biāo)，并有一定的發(fā)揮空間；項(xiàng)目實(shí)施后，對(duì)各組完成情況和共性問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并進(jìn)行階段性總結(jié).

(2)自評(píng).為反映團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況，項(xiàng)目實(shí)施后各小組進(jìn)行自評(píng)，確定組員的貢獻(xiàn)度.

(3)總評(píng).為綜合反映學(xué)生的實(shí)踐水平，期末實(shí)踐總評(píng)成績(jī)?yōu)檎麄€(gè)實(shí)踐過(guò)程的加權(quán)和，包括課內(nèi)項(xiàng)目(前期預(yù)習(xí)、實(shí)施效果和總結(jié)報(bào)告)、課外項(xiàng)目(效果測(cè)評(píng)和總結(jié)報(bào)告)及小組自評(píng)等部分.

5 結(jié)論

針對(duì)目前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，通過(guò)引入硬件可自由組建的SOPC技術(shù)，進(jìn)行實(shí)踐模式改革嘗試.實(shí)踐模式改革的側(cè)重點(diǎn)有兩個(gè)：一是針對(duì)GW48型EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)切合課程關(guān)鍵內(nèi)容且適于在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐項(xiàng)目；二是基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)調(diào)整理論授課計(jì)劃，側(cè)重圍繞項(xiàng)目展示知識(shí)點(diǎn)，縮短基礎(chǔ)理論用時(shí).教學(xué)實(shí)踐表明，采用這種新的教學(xué)模式符合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可脫離大型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的限制，顯著提升了實(shí)踐環(huán)節(jié)的構(gòu)建層次，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)大了他們的知識(shí)面，取得了良好的教學(xué)效果.在今后的教學(xué)研究和實(shí)踐中，應(yīng)進(jìn)一步探索SOPC技術(shù)在同類(lèi)型課程中的應(yīng)用，鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)用的控制項(xiàng)目，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、自主創(chuàng)新的綜合實(shí)力.

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