基于STEAM模式的FPGA技術(shù)課程改革

彭敏

摘 要 STEAM是將科學(xué)、技術(shù)、工學(xué)、藝術(shù)和數(shù)學(xué)這五個(gè)學(xué)科有機(jī)融合的綜合教育新概念，注重學(xué)習(xí)的過(guò)程，注重學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。FPGA技術(shù)課程是電子類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，而傳統(tǒng)教學(xué)模式較單一，為提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，本文探索將STEAM的教學(xué)思想融入到FPGA技術(shù)課程的教學(xué)中去，對(duì)FPGA技術(shù)課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，定位于民辦高校學(xué)生層次，突出應(yīng)用型的特色。

關(guān)鍵詞 FPGA技術(shù)課程 STEAM 課程改革

0 前言

STEAM教育最早起源于美國(guó)，為解決美國(guó)學(xué)生對(duì)理工科課程逐漸失去興趣而開(kāi)展以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程 （Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics） 相結(jié)合的課程，簡(jiǎn)稱STEM，后來(lái)加入藝術(shù)（Arts），從而形成了STEAM。“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)一步地推動(dòng)教學(xué)方式突破時(shí)空的限制，促進(jìn)教與學(xué)的雙重改革，構(gòu)建了沒(méi)有圍墻的校園，匯聚了海量的知識(shí)資源，為學(xué)生們提供了更多優(yōu)質(zhì)、個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)支持 ，這一時(shí)代背景為發(fā)展STEAM教育提供了良好基礎(chǔ)，并深入地改變著教師的教學(xué)模式與學(xué)生的學(xué)習(xí)模式。

1 研究的內(nèi)容

FPGA技術(shù)是電子類相關(guān)專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)課，起到由專業(yè)基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過(guò)渡的承上啟下的作用，但傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式枯燥乏味提不起學(xué)生的興趣。STEAM 教育注重實(shí)踐、注重動(dòng)手、注重過(guò)程，讓學(xué)生通過(guò)制作自己喜歡的東西，在制作的過(guò)程中建構(gòu)起關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的知識(shí)，因而考慮結(jié)合STEAM教育理念，對(duì)FPGA技術(shù)課程進(jìn)行改革，徹底改變?cè)瓉?lái)的教學(xué)模式與內(nèi)容。對(duì)FPGA技術(shù)課程的改革圍繞以下三個(gè)方面展開(kāi)：

（1）FPGA技術(shù)課程基于STEAM的教學(xué)設(shè)計(jì)模式的探索，對(duì)教學(xué)目的、教學(xué)方法、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)對(duì)象進(jìn)行探索和研究，設(shè)計(jì)出適合民辦高校學(xué)生層次和人才培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)模式。

（2）基于問(wèn)題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)、案例式教學(xué)模式，將生活中、工程中實(shí)際的應(yīng)用引入課堂。

（3）教學(xué)資源及教材的開(kāi)發(fā)，如教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)大綱、教案、試題庫(kù)等。

1.1 理論教學(xué)改革

首先可以將理論教學(xué)從原本呆板的課堂教學(xué)改在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行STEAM課堂，讓學(xué)生可以邊聽(tīng)邊做，邊學(xué)邊練，學(xué)做合一，理實(shí)一體，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

其次改變教學(xué)方法與教學(xué)手段，將書(shū)本內(nèi)容進(jìn)行提煉，采取項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、案例教學(xué)法、答辯和項(xiàng)目展示教學(xué)法、結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)及電子設(shè)計(jì)大賽促進(jìn)教學(xué)各種教學(xué)方法的交叉運(yùn)用，讓學(xué)生參與到教學(xué)當(dāng)中來(lái)，在教學(xué)當(dāng)中滲入電子行業(yè)的項(xiàng)目運(yùn)作模式，結(jié)合學(xué)生的職業(yè)發(fā)展需要，充分落實(shí)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

不同的教學(xué)內(nèi)容通過(guò)不同教學(xué)方法以及教學(xué)手段的運(yùn)用，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。STEAM課堂上，教師提出一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，將學(xué)生分成幾個(gè)小組，讓學(xué)生參與到小組中去開(kāi)展計(jì)論及研究，在這期間可以通過(guò)面對(duì)面的方式、網(wǎng)絡(luò)的方式與學(xué)習(xí)伙伴們開(kāi)展交流，讓學(xué)生參與到課堂教學(xué)當(dāng)中來(lái)，讓學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)的能力，并且能夠用到其他類似的專業(yè)課學(xué)習(xí)當(dāng)中去。

1.2 實(shí)踐教學(xué)改革

通過(guò)項(xiàng)目的方式完成綜合性、設(shè)計(jì)性的電路設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在完成的過(guò)程中體會(huì)學(xué)以致用的快樂(lè)，使教學(xué)變得實(shí)踐性、開(kāi)放性和職業(yè)性。讓學(xué)生通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)過(guò)程能夠推廣到其他專業(yè)課的實(shí)踐學(xué)習(xí)，從而全方面培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

通過(guò)專題講座的形式，讓學(xué)生熟悉常用的設(shè)計(jì)模型，并且在同樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)置不同難度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以滿足不同層次學(xué)生的需求。

在FPGA技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中采用學(xué)生主導(dǎo)項(xiàng)目模式，由學(xué)生自己選擇設(shè)計(jì)項(xiàng)目。學(xué)生根據(jù)教師提出的要求去思考相關(guān)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)，然后按照一定的設(shè)計(jì)流程完成自己定下的設(shè)計(jì)任務(wù)。以裸芯片開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，讓學(xué)生能夠獨(dú)立完成一個(gè)小型的電子設(shè)計(jì)項(xiàng)目，并且以項(xiàng)目結(jié)果展示、PPT答辯、課程設(shè)計(jì)報(bào)告相結(jié)合的方式完成驗(yàn)收。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，要求學(xué)生學(xué)會(huì)文獻(xiàn)檢索、程序設(shè)計(jì)、仿真分析、測(cè)試數(shù)據(jù)分析，并與同組成員交流研究成果，學(xué)生通過(guò)這種學(xué)習(xí)方式需要花費(fèi)更多的課外時(shí)間來(lái)完成項(xiàng)目，在整個(gè)過(guò)程中，教師為學(xué)生提供不同層次的指導(dǎo)。

2 課程改革難點(diǎn)

2.1 基于STEAM的FPGA技術(shù)課程教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

FPGA技術(shù)課程的傳統(tǒng)課堂融入STEAM教育，以實(shí)際工程的思想和模式讓學(xué)生在做中學(xué)。但是，基于實(shí)際工程項(xiàng)目的教學(xué)，沒(méi)有完整的教學(xué)設(shè)計(jì)模式，將STEAM思想融入到傳統(tǒng)課堂的教學(xué)理論和實(shí)際案例還比較缺乏。相應(yīng)的教學(xué)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)有待完善，教學(xué)相關(guān)的資源還不豐富。

2.2 師資力量的提升

STEAM教育志與傳統(tǒng)課堂教育不同，教師與學(xué)生的關(guān)系發(fā)生了改變，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等各種技術(shù)的飛速發(fā)展，教師不但需要轉(zhuǎn)變教學(xué)方法，而且需要了解多領(lǐng)域的知識(shí)。教師雖然有一定的教學(xué)技能，但在技術(shù)應(yīng)用上卻達(dá)不到STEAM教育那樣豐富。

2.3 傳統(tǒng)課堂班額受限

在美國(guó)，STEAM教育的課堂一般只有十幾個(gè)人，而在中國(guó)，一般高校的課堂，即使小班上課，也在三四十人左右。在這樣的STEAM課堂上，老師很難關(guān)注和指導(dǎo)每個(gè)學(xué)生，創(chuàng)新活動(dòng)也會(huì)因?yàn)槿狈?duì)學(xué)生的引導(dǎo)而受到限制，STEAM教育的最初目標(biāo)也會(huì)難以實(shí)現(xiàn)。

2.4 資源不足

要進(jìn)行STEAM教育就需要相應(yīng)的工程素材和活動(dòng)的空間，還需要一定的教學(xué)設(shè)施、教材和教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)，這需要有相應(yīng)資金投入和場(chǎng)地規(guī)劃。

3 課程改革措施

每個(gè)教師可能都會(huì)有一定程度的偏科，因此組建課題組，建立教師團(tuán)隊(duì)來(lái)研究教案，構(gòu)架更多的STEAM 項(xiàng)目，或者通過(guò)記錄學(xué)生解決問(wèn)題的方案，幫助學(xué)生孵化項(xiàng)目。

用充滿趣味性的方式來(lái)教授基礎(chǔ)理論知識(shí)。學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科知識(shí)的運(yùn)用就必須擁有各學(xué)科一定的基礎(chǔ)知識(shí)，那么基礎(chǔ)理論知識(shí)的傳授怎樣做得有吸引力，這將是課程教學(xué)中很有挑戰(zhàn)性的部分。教師可以讓學(xué)生參與到教學(xué)中來(lái)，通過(guò)游戲化的教學(xué)方式，增大學(xué)生負(fù)責(zé)部分的比重，減少教授理論知識(shí)的部分。增加學(xué)生在整個(gè)STEAM教育中學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)、運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)綜合實(shí)踐、觀察問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的部分。

建立新的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，將學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)及動(dòng)手的過(guò)程作為最終成績(jī)的一部分，學(xué)生最后制作的作品或考試的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有體驗(yàn)過(guò)程重要。學(xué)生用于答辯的作品可能只是一個(gè)一次性的作品，但在制作的過(guò)程中學(xué)生的創(chuàng)造力和跨學(xué)科綜合知識(shí)的運(yùn)用能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力才是最重要的，這些要在實(shí)際動(dòng)手中慢慢培養(yǎng)。設(shè)計(jì)及制作的過(guò)程只是培養(yǎng)學(xué)生能力的一種手段，所以不能只以最終的作品來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的成績(jī)，這樣也能讓學(xué)生把更多的精力投入到打磨作品上，而不是最終考試結(jié)果上。

加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地的建設(shè)，加強(qiáng)校企合作。傳統(tǒng)的教育體制和模式，單從學(xué)校本身現(xiàn)有的資源和固有培養(yǎng)模式來(lái)說(shuō)，有比較多的局限性，需要企業(yè)從教學(xué)的硬件、技術(shù)、教學(xué)產(chǎn)品、課程、師資、教材、教具等方面提供專業(yè)的、全方位的支持，為FPGA技術(shù)的STEAM教育打開(kāi)新的局面和注入更多新鮮的血液，從傳統(tǒng)的教育模式中徹底改變才能走向雙贏。

4 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)等學(xué)科的相互結(jié)合，有助于提升學(xué)生的跨學(xué)科思維能力和綜合能力。在教學(xué)中讓學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，始終給學(xué)生留有獨(dú)立思考的空間，提倡個(gè)性、鼓勵(lì)想象、力行實(shí)踐，充分培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手應(yīng)用能力，突破學(xué)科本位的單一模式，建立以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的教學(xué)模式，根據(jù)企業(yè)的需求設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，融合STEAM教育，幫助學(xué)生不被單一的學(xué)科知識(shí)體系所束縛，鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科的解決問(wèn)題，促進(jìn)教師在教學(xué)過(guò)程中更好地進(jìn)行跨學(xué)科的融合。

項(xiàng)目來(lái)源：武漢工商學(xué)院，項(xiàng)目編號(hào)：2016Y04

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