基于CDIO工程教育理念的FPGA技術(shù)課程教學(xué)改革探索

徐鋒 龍惠民 劉桂華

[摘 要]基于CDIO工程教育理念，高校FPGA技術(shù)課程教學(xué)應(yīng)針對教學(xué)方法、實踐內(nèi)容、實踐方式以及考核方式等方面進行改革探索。教師可綜合運用演示法、對比式、案例式等教學(xué)方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將當(dāng)前社會主流的FPGA應(yīng)用項目分解于實驗內(nèi)容中，使學(xué)生在課堂實踐接觸的內(nèi)容與當(dāng)前社會需求接軌；以項目或任務(wù)的方式建立課外創(chuàng)新小組，形成課堂課外線上線下多元實踐方式，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高其工程實踐能力；結(jié)合CDIO工程教育標(biāo)準(zhǔn)在考核，方式上側(cè)重于實踐操作能力考核。通過這些改革措施最終能培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)的理論知識解決工程實際問題的創(chuàng)新精神和綜合能力，以滿足當(dāng)前社會對高質(zhì)量FPGA技術(shù)人才的需求。

[關(guān)鍵詞]CDIO；工程教育；FPGA技術(shù)；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）11-0064-03

○、引言

隨著集成電路和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程邏輯器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的靈活性[1]。FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，作為可編程邏輯器件的一個重要分支，其因直接面向用戶，具有極大的通用性，以及使用方便、開發(fā)效率高、成本低、工作可靠性高等特點。該技術(shù)在通信、 數(shù)據(jù)處理、 網(wǎng)絡(luò)、 工業(yè)控制、 云計算、軍事和航空航天等領(lǐng)域不斷得到廣泛應(yīng)用。由此，社會對熟練掌握 FPGA 技術(shù)的高素質(zhì)高校畢業(yè)生的需求逐年增加[2]。國內(nèi)各大高校自20世紀(jì)90年代末起陸續(xù)開始進行FPGA技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的課程建設(shè)，旨在提高學(xué)生利用FPGA器件進行電子系統(tǒng)設(shè)計的能力，加強FPGA技術(shù)相關(guān)人才的培養(yǎng)。然而，人才培養(yǎng)的速度仍然未能趕上相關(guān)技術(shù)發(fā)展對相關(guān)人才需求的增速。特別是近年來，F(xiàn)PGA技術(shù)再次進一步發(fā)展，其所提供的性能、成本、功耗和容量都已經(jīng)達到甚至超過此前專用IC或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)器件（ASSP）的水平，應(yīng)用階段已經(jīng)從最初主要應(yīng)用于原型設(shè)計逐漸延伸到最終產(chǎn)品的整個生命周期，甚至有專業(yè)人士認(rèn)為，21世紀(jì)最具決定性的集成電路技術(shù)就是FPGA技術(shù)，它現(xiàn)在已經(jīng)成為集成電路設(shè)計工程師必須掌握的技術(shù)之一，整個社會對相關(guān)人才的迫切需求達到了一個新的高度。

二、 FPGA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，基于 FPGA 技術(shù)的集成電路設(shè)計是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，已被大部分高校電子信息工程等相關(guān)專業(yè)作為主要授課課程。其主要目的是：使學(xué)生熟悉現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，使他們的思維從功能電路設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計，由傳統(tǒng)的通用集成電路的應(yīng)用轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件的應(yīng)用，從硬件設(shè)計轉(zhuǎn)向硬件軟件高度滲透的設(shè)計；拓寬學(xué)生的數(shù)字技術(shù)知識面和設(shè)計能力，全面實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的自動化?？傮w而言，該課程需要特別注重對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。但是現(xiàn)在高校FPGA技術(shù)課程教學(xué)普遍存在如下問題：

第一，由于學(xué)生基礎(chǔ)課程掌握不牢，同時受實驗條件及師資的限制，一些高校在 FPGA 相關(guān)課程教學(xué)中偏重于講授硬件描述語言，而在 FPGA 應(yīng)用方面涉及很少，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)與現(xiàn)實應(yīng)用脫節(jié)，難以適應(yīng)FPGA技術(shù)快速發(fā)展的需求。

第二，F(xiàn)PGA課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法強調(diào)以課堂為中心、以教師為中心、 以教材為中心，主要以講授為主，而忽視學(xué)生的積極性、 主動性及創(chuàng)造性的發(fā)揮，這將影響FPGA 技術(shù)的教學(xué)效果，使學(xué)生接受知識的意愿與能力下降。

第三，F(xiàn)PGA課程實踐時間少，實踐方式單一，實驗內(nèi)容基本側(cè)重于基礎(chǔ)驗證性實驗，同時考核方式更側(cè)重于期末考試，直接導(dǎo)致學(xué)生的實踐技能較差，就業(yè)時難以滿足企業(yè)需求。

面對FPGA技術(shù)高素質(zhì)、高質(zhì)量人才的需求與高校FPGA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀的矛盾，各高校迫切需要對FPGA技術(shù)課程教學(xué)進行改革探索，形成一套完整的培養(yǎng)體系，大幅提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力與工程實踐能力，滿足社會對相關(guān)人才日益增長的需求。

三、基于CDIO工程教育理念的FPGA課程教學(xué)改革

CDIO 工程教育模式是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等多所高校針對教育模式改革研究出的工程教育新方法。CDIO 是 Conceive（構(gòu)思）、 Design（設(shè)計）、 Implement（實現(xiàn)）和 Operate（運作）四個英文單詞的縮寫，它以產(chǎn)品自研發(fā)到運行的完整生命周期為載體，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，包括個人的工程科學(xué)和技術(shù)知識，終身學(xué)習(xí)能力、團隊交流能力和大系統(tǒng)調(diào)控等方面的能力，讓學(xué)生在實踐與理論課程有機結(jié)合的教學(xué)中，以主動、 實踐的方式學(xué)習(xí)工程[3]。它特別強調(diào)學(xué)生在實踐、在“做”的過程中學(xué)習(xí)知識、掌握知識。實踐教學(xué)和課外活動不僅能夠使學(xué)生深化已掌握的知識，而且是一種很好的了解、接觸社會，培養(yǎng)情趣、思維、實踐能力等綜合素質(zhì)的教育方式，由此培養(yǎng)學(xué)生自己去創(chuàng)造、體驗和發(fā)現(xiàn)的能力，使學(xué)生做到學(xué)以致用[4]。FPGA技術(shù)課程教學(xué)本身具有實踐性強、學(xué)習(xí)內(nèi)容多且更新快等特點，其最終的培養(yǎng)目標(biāo)與CDIO工程教育理念非常契合。因此，在其課程教學(xué)過程中引入CDIO的工程教育理念，進行理論研究和實踐探索，可以較大程度地提高學(xué)生在FPGA技術(shù)與集成數(shù)字電路設(shè)計方面的工程實踐能力，以適應(yīng)社會和企業(yè)的需求。

（一）教學(xué)方法改革

基于CDIO工程教育理念，變革教學(xué)方法。傳統(tǒng)的教學(xué)方法過于枯燥，局限于書本，對FPGA技術(shù)課程應(yīng)用教學(xué)涉及遠遠不足，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不強、知識理解不夠，從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致學(xué)生知識掌握得不牢固，更不用說綜合運用了。因此，在FPGA 技術(shù)的教學(xué)方法改革中，應(yīng)基于目標(biāo)導(dǎo)向，認(rèn)真研究課程中需講授的內(nèi)容，并針對不同的教學(xué)內(nèi)容，采用不同的教學(xué)方法以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時注重將知識的重點和難點融入實例中講解，以加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解運用。比如，針對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計概述的教學(xué)，以時間為主線對可編程邏輯器件與電子設(shè)計自動化技術(shù)的發(fā)展進行講解，同時要求學(xué)生利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源進行查閱了解并完成相應(yīng)報告，以此培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與鍛煉他們搜索資料的能力；針對基于原理圖設(shè)計方法教學(xué)則采用演示法教學(xué)，對基于原理圖設(shè)計與FPGA的開發(fā)流程進行演示講解，同時要求學(xué)生們在課堂里跟隨教師的演示步驟一起操作，加深對于相關(guān)操作的印象；針對VerilogHDL基礎(chǔ)語言教學(xué)，采用對比式教學(xué)，首先結(jié)合已學(xué)過的C語言編程技術(shù)對比講解完成基礎(chǔ)語言的語法學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對具有相同語法的部分的印象，與C語言編程語法不同的部分則是VerilogHDL語言特有的編程語法，需著重講解，加深學(xué)生的理解與應(yīng)用；然后結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)課程中典型器件功能電路（如選擇器、譯碼器等）與VerilogHDL語言的實現(xiàn)一一進行對應(yīng)式教學(xué)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中既能鞏固數(shù)字電子技術(shù)的內(nèi)容，也能達到深刻理解并能運用相應(yīng)的VerilogHDL語言代碼；針對VerilogHDL語言中狀態(tài)機的教學(xué)，則采用案例式教學(xué)，通過十字路口交通燈控制系統(tǒng)與ADC采樣控制系統(tǒng)的設(shè)計案例完成對時序進程和組合進程及狀態(tài)機一般化運用方法的講解。通過不同教學(xué)方法的交叉使用，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并增強對所學(xué)內(nèi)容的理解與運用。

（二）實踐內(nèi)容改革

基于CDIO工程教育理念，變革實驗內(nèi)容。FPGA 技術(shù)的實踐性和應(yīng)用性很強，并且相關(guān)技術(shù)內(nèi)容更新較快，傳統(tǒng)教學(xué)實驗課內(nèi)容中驗證性實驗占據(jù)絕大部分比例，雖然加深了學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解，但對學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和綜合運用能力鍛煉太少，直接導(dǎo)致培養(yǎng)的人才與企業(yè)的實際需求脫軌。因此，需要對實踐教學(xué)中的實驗內(nèi)容進行改革，堅持 “重基礎(chǔ)與技能、 求綜合與創(chuàng)新” 的改革思路，通過內(nèi)容導(dǎo)向，加強學(xué)生工程思維、 調(diào)試和分析能力的訓(xùn)練，提高實踐教學(xué)體系的創(chuàng)新性、 綜合性。本次改革設(shè)置了課內(nèi)實驗內(nèi)容和課外實驗內(nèi)容。其中，課內(nèi)實驗設(shè)置三種類型，分別為基礎(chǔ)性實驗、提高性實驗和綜合性實驗。其中，基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容為原理的驗證與對基于FPGA設(shè)計軟件的處理流程的熟悉，這一部分應(yīng)當(dāng)在早期實驗課中進行訓(xùn)練，同時需要降低其在整體實驗內(nèi)容的比例；提高性實驗內(nèi)容則是在熟悉相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，通過Verilog語言進行簡單電路的設(shè)計并結(jié)合仿真工具的應(yīng)用完成電路功能的驗證，這一部分應(yīng)在基礎(chǔ)性實驗后進行訓(xùn)練，其所占比例也不應(yīng)太大；綜合性實驗內(nèi)容則需結(jié)合給定資料，通過自頂向下的設(shè)計方法進行分析，完成分電路模塊的設(shè)計與仿真驗證，最后將多個電路模塊組合設(shè)計，完成整體功能的仿真驗證并進行硬件下載，這一部分在后期實驗課中進行訓(xùn)練，需要在整體實驗內(nèi)容占據(jù)大部分比例。整個課程通過基礎(chǔ)性、提高性和綜合性實驗循序漸進的訓(xùn)練，完成對學(xué)生FPGA技術(shù)的綜合性實踐能力的培養(yǎng)。而課外實驗內(nèi)容則更多選擇貼近實際生活需求的內(nèi)容或當(dāng)前企業(yè)需求涉及FPGA技術(shù)的內(nèi)容進行拆分和凝練，形成綜合訓(xùn)練較強的實驗內(nèi)容。目前，課程組提供的相應(yīng)課外實驗內(nèi)容有數(shù)字跑表、數(shù)字頻率計、電子琴和VGA顯示控制等。這些課外實驗項目的設(shè)計實現(xiàn)既能提高學(xué)生興趣，又能增強他們繼續(xù)進行深入學(xué)習(xí)的信心，同時其訓(xùn)練內(nèi)容也與社會需求接軌。

（三）實踐方式改革

基于CDIO工程教育理念，變革實踐方式。傳統(tǒng)的FPGA技術(shù)實踐方式只局限于課內(nèi)實驗課，而課內(nèi)實驗課程時間短，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流較少，實踐的機會非常少。CDIO工程教育模式要求把培養(yǎng)目標(biāo)融入整個課程體系中，每一個能力點都要具體落實到課程和課外活動中[5]。因此，在課程實踐方式上基于時空導(dǎo)向進行改革，恰當(dāng)利用課外時間與網(wǎng)絡(luò)平臺，形成課上課下、線上線下的實踐方式，建立教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生相互之間的多元化交流平臺。本次實踐方式改革立足于課外，現(xiàn)有兩種實踐方式：第一，根據(jù)上節(jié)所述課外實驗內(nèi)容，教師在理論課教學(xué)的過程中根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況將相關(guān)內(nèi)容布置給學(xué)生，要求學(xué)生利用課外時間完成相關(guān)實驗內(nèi)容的設(shè)計、綜合、實現(xiàn)與仿真驗證；而在實驗課內(nèi)，學(xué)生可在完成課內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上對課外實驗進行硬件的下載驗證與測試，這樣可以提高學(xué)生對相關(guān)硬件平臺的利用率。第二，根據(jù)當(dāng)前FPGA主流技術(shù)或者教師自身的實際科研項目建立課外創(chuàng)新小組，為每個小組分配相應(yīng)的任務(wù)；同時，由教師引導(dǎo)小組內(nèi)成員相互溝通并進行分工協(xié)作，并及時對創(chuàng)新小組遇到的問題進行線上線下討論、分析，然后就其階段性成果在課堂上或網(wǎng)絡(luò)平臺進行成果發(fā)布，調(diào)動每個學(xué)生的積極性；同時在課內(nèi)課外鼓勵學(xué)生積極參加全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和申請大學(xué)生創(chuàng)新基金項目等多種實踐性活動，不斷鍛煉學(xué)生的自行發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力，以及溝通交流、語言表達和協(xié)作能力，不斷增強學(xué)生的自信心。

（四）考核方式改革

基于CDIO工程教育理念，變革考核方式。考慮FPGA技術(shù)的實踐性要求，結(jié)合CDIO工程教育標(biāo)準(zhǔn)，教師在考核方式上要基于過程導(dǎo)向進行改革，整體傾向整個課程學(xué)習(xí)中的實踐操作能力考核。最終確定FPGA技術(shù)課程考核方式為：考勤與平時作業(yè)占最終成績的10%，期末考試成績只占最終成績的40%，而實踐考核占最終成績的50%。其中，實踐考核分為平時實驗與實驗考試，平時實驗過程需完成課內(nèi)實驗指導(dǎo)書指定的內(nèi)容，同時還需完成課外實驗內(nèi)容指定的任務(wù)，根據(jù)學(xué)生的設(shè)計、仿真、下載和實驗報告給出平時實驗分值，綜合平均多次實驗的成績作為平時實驗成績，該部分占實踐考核成績的60%。實驗考試為教師預(yù)先給定一部分綜合性題目，學(xué)生抽簽選擇實驗題目并在規(guī)定時間內(nèi)完成電路的設(shè)計與功能驗證操作并進行器件的下載，然后在實驗箱上演示電路功能；在進行功能演示的同時，學(xué)生需對設(shè)計的思路、驗證的方式進行敘述講解，教師根據(jù)學(xué)生的完成情況和內(nèi)容敘述給出實驗考試成績，該部分占實踐考核成績的40%。改革后的考核方式通過平時實驗過程考核與最終的實驗考試的綜合考核，鍛煉學(xué)生查閱資料、工程設(shè)計與實現(xiàn)、文字總結(jié)敘述與語言表達等綜合能力，達到培養(yǎng)高素質(zhì)FPGA技術(shù)人才的目的。

四、結(jié)束語

本文針對高校FPGA技術(shù)課程內(nèi)容多且更新快、實踐性強的特點與教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)過程中引入CDIO工程教育理念，基于目標(biāo)導(dǎo)向、內(nèi)容導(dǎo)向、過程導(dǎo)向等方式，從教學(xué)方法、實踐內(nèi)容、實踐方式和考核方式四個方面進行教學(xué)改革，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，不斷增強學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意愿，激發(fā)了學(xué)生的理解能力和創(chuàng)新性，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的工程能力以及文字總結(jié)與溝通交流能力，達到培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量人才的目的，以適應(yīng)當(dāng)前社會FPGA技術(shù)不斷發(fā)展的需求。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 劉桂華.基于FPGA的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[2] 胡靖，杜西亮.基于 FPGA 技術(shù)的課程教學(xué)改革探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2015（3）：35-36.

[3] 馬欽玉.CDIO 工程教育模式實踐探討[J].合作經(jīng)濟與科技，2016（19）：134-135.

[4] 徐楊.CDIO 工程教育模式與高校工科學(xué)生素質(zhì)教育的探討[J].中國高教研究，2009（26）：259-260.

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]