基于微課的《可編程邏輯器件》課程改革與探究

呂石磊　王衛(wèi)星　李震

【摘 要】本文對《可編程邏輯器件》課程教學(xué)實踐現(xiàn)狀進行了分析，針對培養(yǎng)高層次應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的需求，探索將課程教學(xué)與微課相結(jié)合的新型教學(xué)模式，提出了基于微課的教學(xué)改革方案，以期達到培養(yǎng)學(xué)生對本課程的學(xué)習積極性，強化課程教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量的目標。

【關(guān)鍵詞】微課；可編程邏輯器件；考核方式

0 引言

《可編程邏輯器件》課程是我校“電子信息工程專業(yè)”的核心課程，是“電子信息科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)和“通信工程”專業(yè)的必修課程，同時也是“電氣工程及其自動化”專業(yè)的選修課程，受益學(xué)生數(shù)量眾多。作為一門能夠直接應(yīng)用于工程實際的技術(shù)課程，其教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)目標具有明確的針對性，與當前電子信息、通信、計算機等行業(yè)的企事業(yè)單位的技術(shù)應(yīng)用需求具有較好的一致性。通過本課程的學(xué)習，學(xué)生能夠熟悉現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的設(shè)計流程，理解自上而下的設(shè)計理念和模塊化設(shè)計策略，掌握可編程邏輯器件的基礎(chǔ)知識及開發(fā)工具的使用方法，可以使用高級硬件描述語言獨立設(shè)計中等規(guī)模邏輯電路系統(tǒng)[1]。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生具備現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計能力，這為學(xué)生對后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習及實踐能力的培養(yǎng)都具有積極作用。

1 課程教學(xué)的現(xiàn)狀分析

筆者在《可編程邏輯器件》課程的教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)本課程的教學(xué)模式與預(yù)期的教學(xué)效果仍存在一定偏差，主要分析如下：

1.1 在教學(xué)內(nèi)容方面

側(cè)重于“以課堂教學(xué)為中心，以知識傳播為中心，以教師為中心”，偏重于理論教學(xué)，與本課程的教學(xué)要求和教學(xué)特點不相吻合。雖然近年來，學(xué)校的實驗教學(xué)條件與環(huán)境得到了很大改善，但是在本課程的教學(xué)模式上，大多教師仍采用“理論教學(xué)-實驗教學(xué)”的單一進程方式，缺少“實踐-理論-再實踐-再理論”的知識自我學(xué)習與自我凝練的過程，實驗教學(xué)與相關(guān)理論教學(xué)在內(nèi)容上的緊密結(jié)合性有待于進一步改善和提高。

1.2 在教學(xué)效果方面

由于本課程屬于電子信息類學(xué)科的專業(yè)課程，課程內(nèi)容涉及多門專業(yè)基礎(chǔ)課，包括電路基礎(chǔ)、數(shù)字電路技術(shù)、計算機接口技術(shù)、編程語言等，具有較強的邏輯性和嚴密性，若任課教師不能有效地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生對本課程的學(xué)習興趣，則難以讓所有學(xué)生都跟上教學(xué)進度，達到“滾雪球”式的教學(xué)效果。作者在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，每次在課程教學(xué)的后半期，授課班級基于本課程的學(xué)習情況會呈現(xiàn)較明顯的兩極分化狀態(tài)，大部分學(xué)生能夠熟練掌握課程內(nèi)容，但是也存在少量學(xué)生對課程的基礎(chǔ)概念仍模糊不清。

1.3 在教學(xué)評價方面

本課程具有工科專業(yè)課程的一般共性，即課程作業(yè)和試題一般具有統(tǒng)一、明確的標準答案，主觀分析類型的考核方式相對缺少，這使得部分學(xué)生的考核成績不能完全反映出其對課程內(nèi)容的掌握水平[2]。例如，本課程的設(shè)計習題往往存在幾種不同思路的解決方案，但是作者在批改作業(yè)、綜合測試及實驗考試的過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)大部分學(xué)生，乃至全班都使用同一種解決方案的情況，這主要是因為在現(xiàn)有的教學(xué)模式下，學(xué)生對課程內(nèi)容無法徹底理解，更難以實現(xiàn)對所學(xué)知識的靈活運用[3]。另外，課程考核方式的單一性也可能會導(dǎo)致部分學(xué)生出現(xiàn)借鑒，甚至抄襲他人作業(yè)的懶惰行為，從而不利于培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力。

基于以上對《可編程邏輯器件》課程特點、人才培養(yǎng)方向以及教學(xué)現(xiàn)狀問題的分析，為了滿足高層次實用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，有必要對本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進行改革與創(chuàng)新。

2 基于微課的課程教學(xué)改革探究

2.1 微課概念及特點

微課以構(gòu)建主義為指導(dǎo)，利用情境教學(xué)法設(shè)計教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)典型情境，激起學(xué)生的學(xué)習興趣，從而用情感活動加強認知活動[4]。微課是信息技術(shù)發(fā)展與教育變革時代相結(jié)合的產(chǎn)物，也是技術(shù)與教學(xué)應(yīng)用融合的高級階段[5]。目前學(xué)術(shù)界對微課的概念尚未形成統(tǒng)一的定義，國內(nèi)學(xué)者對微課的研究范疇包括“微教學(xué)過程”[4]、“微教學(xué)活動”[6]、“微教學(xué)資源”[7]等不同領(lǐng)域。微課的一般設(shè)計與制作流程如圖1所示。

微課的出現(xiàn)并不是對現(xiàn)有課堂教學(xué)模式的顛覆[8]，而是對傳統(tǒng)課堂學(xué)習的有效補充和資源拓展。微課以微視頻為載體，具有主題突出、目標明確、短小精悍、結(jié)構(gòu)良好、資源多樣、應(yīng)用靈活等特點，這使得微課可以支持翻轉(zhuǎn)課堂、移動學(xué)習、碎片化學(xué)習等多種學(xué)習方式。而且，微課的內(nèi)容具有靈活性和針對性，適合于問題解決、技能操作、觀摩學(xué)習等小型教學(xué)任務(wù)，因此微課在工科課程教學(xué)活動中具有較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

2.2 基于微課的課程教學(xué)改革方案

基于上述對微課的學(xué)習與理解，作者將微課與《可編程邏輯器件》課程教學(xué)相結(jié)合，根據(jù)具體的教學(xué)問題及教學(xué)環(huán)境，靈活運用微課技術(shù)來豐富課程教學(xué)內(nèi)容，改善課程教學(xué)模式。一方面，教師使用微課為學(xué)生展示、講解、剖析本課程的工程實例，加深學(xué)生對可編程邏輯器件設(shè)計及其硬件描述語言的理解與掌握水平；另一方面，學(xué)生根據(jù)教師布置的課程設(shè)計任務(wù)，通過自我學(xué)習和獨立思考，以微課的形式提交課程作業(yè)，形成一種新的課程考核方式。本文所提出的基于微課的《可編程邏輯器件》課程教學(xué)改革的具體實施方案如下：

2.2.1 課程初始階段

《可編程邏輯器件》課程的教學(xué)內(nèi)容包括可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)、硬件描述語言、軟件開發(fā)工具等多個部分，其學(xué)習思路與傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程有一定區(qū)別。在本課程的初始階段，學(xué)生需要掌握較多的技術(shù)名詞與概念，如電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation， EDA）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit， ASIC）、復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device， CPLD）、現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array， FPGA）、硬件描述語言（Hardware Description Language， HDL）以及綜合優(yōu)化（Synthesize）、知識產(chǎn)權(quán)核（Intellectual Property Core）等。若是教師僅在課堂上對學(xué)生講述這些概念，則缺少形象性和直觀性，難以激發(fā)和調(diào)動學(xué)生對本課程的學(xué)習興趣。

因此，在課程的初始階段，教師應(yīng)該以微型教學(xué)視頻的方式，結(jié)合部分硬件實體展示，按照“概念-原理-技術(shù)-產(chǎn)品-應(yīng)用”的學(xué)習思路，向?qū)W生講述本課程的基礎(chǔ)知識，吸引和促使學(xué)生能夠在較短的時間里較好地理解相關(guān)概念，從而激發(fā)其對本課程的學(xué)習積極性。

2.2.2 課程進階階段

作為一門工程應(yīng)用類課程，學(xué)生需要通過學(xué)習眾多工程實例來理解、積累和掌握本課程的教學(xué)內(nèi)容。本課程的工程實例一般由硬件描述語言（VHDL或Verilog HDL）、邏輯電路圖、狀態(tài)圖（或狀態(tài)表）以及（功能或時序）仿真圖等多個部分組成。對于學(xué)生而言，長期重復(fù)“邏輯分析-代碼編程-仿真分析”的教學(xué)模式相對側(cè)重于理論教學(xué)，這不僅會讓學(xué)生感覺枯燥無聊，難以長時間集中精力學(xué)習；而且也會在無形中割裂“電路設(shè)計-代碼編程-硬件實現(xiàn)”之間的內(nèi)在聯(lián)系，讓學(xué)生產(chǎn)生本課程僅是一門“軟件語言”的錯覺。然而，若將實驗教學(xué)搬入理論教學(xué)的課堂中，一方面，課程的教學(xué)效果會受到實驗條件和實驗設(shè)備的限制；另一方面，由于每個工程實例的調(diào)試、綜合、適配、編程配置等階段均需要耗費一定時間，這將導(dǎo)致學(xué)生難以利用有限的課堂時間來學(xué)習更多的理論知識。

因此，在課程的進階階段，教師應(yīng)該挑選若干代表性工程實例，在課下事先制作微課，使用屏幕錄制和視頻處理軟件（如Camtasia studio、Screencast、屏幕錄像專家等）來展示可編程邏輯器件的軟件開發(fā)過程及其關(guān)鍵知識點，同時利用數(shù)碼攝像機或智能手機拍攝載入了設(shè)計文件的硬件系統(tǒng)的測試過程，旨在讓學(xué)生全面認識和掌握可編程邏輯器件的設(shè)計流程，從而進一步培養(yǎng)和增加其對本課程的學(xué)習興趣。本課程制作的微課課件實例如圖2所示。

2.2.3 學(xué)習應(yīng)用階段

基于對本課程考核方式單一性所造成缺陷的考慮，本方案計劃在課程的學(xué)習應(yīng)用階段，以微課為驅(qū)動，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，向?qū)W生布置一批有一定的工作量，難度適中的課程設(shè)計任務(wù)，本課程的部分設(shè)計題目如圖3所示。課程設(shè)計任務(wù)要求學(xué)生自由組成學(xué)習小組，每組3～5人，選定其中一個課程設(shè)計，合理分工，利用已經(jīng)學(xué)習的相關(guān)理論知識及開發(fā)工具，仿照其在課程進階階段所學(xué)習的可編程邏輯器件設(shè)計流程，以“邏輯分析-代碼編程-仿真分析”為內(nèi)容，自行制作微課課件，在課堂中展示并且給予必要的補充說明，最終由任課教師評價其微課作業(yè)的完成效果及優(yōu)缺點，并且引導(dǎo)學(xué)生進行問題討論。部分學(xué)生制作的基于課程設(shè)計的微課課件如圖4所示。

因此，在課程的學(xué)習應(yīng)用階段，將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相融合的課程考核方式不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習本課程的成就感，提高學(xué)生的動手能力，同時也能夠培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力、創(chuàng)新能力和團隊合作精神。另外，本課程的一個特點是相關(guān)的軟件開發(fā)工具多樣化，包括Quartus II、Max+plus II、ModelSim等，軟件功能較為豐富，因此學(xué)生可以在實驗室之外，不需要借助硬件實驗箱或開發(fā)板，也可以較容易地實現(xiàn)對硬件描述語言的功能仿真和時序仿真，這也是學(xué)生能夠以微課形式提交課程作業(yè)的必要條件。

2.2.4 課程復(fù)習階段

本課程的教學(xué)內(nèi)容較為繁雜，涉及的技術(shù)領(lǐng)域較為寬廣，學(xué)生需要通過對大量工程實例的學(xué)習、實踐來積累經(jīng)驗。然而，這也往往會導(dǎo)致學(xué)生在課程的最后階段，重點關(guān)注于電路設(shè)計方案及代碼編程策略等方面的應(yīng)用學(xué)習，從而忽視了對本課程內(nèi)容整體性與系統(tǒng)性的掌握。

因此，在課程的復(fù)習階段，教師應(yīng)該將微課課件凝練為知識點，并且通過對學(xué)生闡述和分析不同知識點之間的關(guān)聯(lián)性來總結(jié)和歸納本課程的學(xué)習路線，以此來加深學(xué)生對課程體系的理解，實現(xiàn)“點-線-面”全方位的教學(xué)效果。

綜上所述，本方案的四個階段相輔相成，順序遞進。將《可編程邏輯器件》課程教學(xué)與微課相結(jié)合，不僅可以為學(xué)生提供新穎的教學(xué)模式，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情；同時也為任課教師提供新的課程考核方式，達到強化本課程教學(xué)效果的目的。

2.3 課程教學(xué)改革方案的特色

1）將微課概念引入工程應(yīng)用類課程：《可編程邏輯器件》，進一步擴展微課的應(yīng)用范疇，增加本課程的先進性、現(xiàn)代性和開放性；同時，能夠充分調(diào)動學(xué)生對課程學(xué)習的主觀能動性，進一步增強學(xué)生對本課程的學(xué)習興趣。

2）能夠改善本課程的考核方式單一性問題，進一步健全和完善學(xué)生掌握本課程教學(xué)內(nèi)容的考核機制。

3）借鑒和運用辯證唯物主義認識論，進一步將本課程的理論教學(xué)與實踐教學(xué)相融合，豐富和完善課程的教學(xué)內(nèi)容，從而實現(xiàn)不斷深化的能動的辯證學(xué)習過程，促使學(xué)生熟練掌握課程內(nèi)容，達到理想的教學(xué)目的。

3 結(jié)束語

本文分析了《可編程邏輯器件》課程教學(xué)的現(xiàn)狀問題，以達到有效教學(xué)目的，提高課堂教學(xué)效益為目標，提出了將微課概念引入本課程理論教學(xué)課堂的教改思路。在充分考慮本課程特點的基礎(chǔ)上，借助于數(shù)碼攝像機或智能手機等常用設(shè)備，以及屏幕錄制和視頻處理軟件，總結(jié)和歸納了切實可行的，具有較強針對性的，基于微課的課程教學(xué)改革實施方案。在下一步工作中，作者考慮將微課應(yīng)用于其他工程應(yīng)用類的課程教學(xué)中，進一步探索微課在該領(lǐng)域課堂“教”與“學(xué)”應(yīng)用中的有效模式和方法。

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[責任編輯：楊玉潔]