應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的FPGA實驗教學研究

華一村， 曹 源， 張義紅， 鄧開連， 李 楠

(東華大學 信息科學與技術(shù)學院，上海 201620)

0 引 言

我國高度重視應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)，以應(yīng)對新時代背景下人才質(zhì)量不能適應(yīng)產(chǎn)業(yè)界需求的問題[1]。高校是培養(yǎng)人才的重要陣地和社會生產(chǎn)力輸送的重要源頭，在高校推行應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)理念，將理念貫穿于教學過程，為社會培養(yǎng)有創(chuàng)造力和有應(yīng)用能力的人才，是高校義不容辭的責任和義務(wù)。

現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)[2]，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物[3]。相比于原有可編程器件，F(xiàn)PGA集成度更高[4]，資源更豐富，適用于實現(xiàn)運算能力較強的數(shù)據(jù)密集型數(shù)字系統(tǒng)。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路[5]而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。當前，F(xiàn)PGA產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從原來的通信[6]擴展到交通[7]、工業(yè)[8]、測試測量[5]等廣泛的領(lǐng)域。

鑒于FPGA優(yōu)良的性能及廣泛的應(yīng)用前景，我校積極引進FPGA軟硬件系統(tǒng)裝置，現(xiàn)有EDA實驗室346 m2，F(xiàn)PGA實驗裝置123臺，并為學生開設(shè)相應(yīng)的實驗教學課程。本文將應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)理念應(yīng)用于FPGA教學過程，彌補傳統(tǒng)教學模式的不足，推行產(chǎn)學研[9]聯(lián)合培養(yǎng)模式，并以FPGA“按鍵-顯示”實驗課為案例，詳細闡述新模式下實驗教學的流程，為基于應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的FPGA實驗教學提供參考。

1 傳統(tǒng)FPGA實驗教學模式及問題

高校實驗教育發(fā)展至今，已經(jīng)歷了一系列教學模式的革新[10-11]，取得了一些教學成果[11]，但傳統(tǒng)教學模式[12]仍占據(jù)主導地位，課堂教學內(nèi)容與實際應(yīng)用技能無法銜接，學生的創(chuàng)新能力受到限制，教學過程枯燥單一，缺乏啟發(fā)性。FPGA實驗課程作為我校電學專業(yè)的一門必修課，也深受傳統(tǒng)教學模式的約束。存在的問題主要有以下幾點。

(1) 教學內(nèi)容與實際生產(chǎn)脫節(jié)。實驗類課程本應(yīng)是培養(yǎng)學生實際動手能力，生產(chǎn)實踐能力的重要渠道，F(xiàn)PGA在實際生產(chǎn)生活中有廣泛應(yīng)用，但實驗課程內(nèi)容僅僅局限于完成實驗裝置上的特定功能，并未緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際。學生缺乏對應(yīng)用背景的了解，對課程的學習感到抽象和空洞[13]，對實驗內(nèi)容沒有系統(tǒng)性的認識。

(2) 缺乏創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的“灌注式”[14]教學模式能在最短時間內(nèi)將教學內(nèi)容傳授給學生，老師講，學生聽，聽完開始做實驗。這樣的模式枯燥乏味，課堂沒有活力，學生接受度低，而且學生始終處于被動接受教師講授的狀態(tài)，思維受限,缺乏自主創(chuàng)新意識。這樣的模式培養(yǎng)出的學生無法滿足社會對于創(chuàng)新思維和實踐能力的要求。

(3) 缺乏自主學習能力的培養(yǎng)。由于傳統(tǒng)教學模式以教師為中心，學生過分依賴實驗教師的教授與幫助，當遇到問題時，不會自行查找資料，解決問題，而是一味地等待實驗老師解答。然而一個實驗教師要面對幾十個學生，往往不能及時幫忙查找錯誤，回答問題。學生等待答疑的時間長，學習效率低下。并且這樣的模式培養(yǎng)出的學生，缺乏自主學習能力，將來在社會實踐中遇到問題，也不能很好地應(yīng)對。

2 應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的FPGA實驗教學模式構(gòu)建

應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要從應(yīng)用能力，創(chuàng)新思維能力，自主學習能力三方面入手。借助產(chǎn)學研[9]結(jié)合途徑培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用能力，用啟發(fā)式[15]的教學方法培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，課堂講解時緊密結(jié)合學習資料的使用，并建設(shè)“經(jīng)驗庫”培養(yǎng)學生的自主學習意識和能力。構(gòu)建的應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的FPGA實驗教學模式如圖1所示。

圖1 應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的FPGA教學模式框架

FPGA實驗教學模式的主要內(nèi)容有：

(1) 產(chǎn)學研結(jié)合強調(diào)應(yīng)用技能培養(yǎng)。產(chǎn)學研相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式有助于學生加深理解產(chǎn)業(yè)界所存在的工程技術(shù)問題以及行業(yè)發(fā)展狀況[16]，從中提煉出科學問題，并在實驗室可提供的軟硬件基礎(chǔ)上進行功能研發(fā)，對實驗內(nèi)容有系統(tǒng)性的認識，大大提升技術(shù)應(yīng)用能力。FPGA尺寸小、功耗低、集成度高，移動靈活的特性非常適合于開發(fā)可穿戴設(shè)備[17]。我校與西塘紐扣產(chǎn)業(yè)有項目合作，將FPGA芯片嵌于紐扣中，根據(jù)用戶需要增加如溫度控制，攝像監(jiān)控，心跳監(jiān)測等功能，開發(fā)出可穿戴的智能紐扣，滿足市場需求。上課時，給學生普及FPGA的應(yīng)用背景，并開放項目通道，鼓勵學生參與FPGA項目開發(fā)，使學生將課堂所學及時應(yīng)用于現(xiàn)實生產(chǎn)，真正實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目的。

(2) 啟發(fā)式教學培養(yǎng)創(chuàng)新能力。啟發(fā)式教學以學生為主體，調(diào)動學生的主動性，引導學生積極思考、拓寬思路，從而提高創(chuàng)新思維能力，獨立分析問題和解決問題的能力[15]。鼓勵學生用已有電路電子理論知識自行設(shè)計實驗方案。在講解過程中，教師不再是知識的灌輸者，而只是作為一位引導者，設(shè)計有針對性的思考題，用提問的方式激勵和啟迪學生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，根據(jù)學生的反饋，與學生平等交流、討論，一步一步輔助學生用不同的開發(fā)思路實現(xiàn)產(chǎn)品功能。

(3) 經(jīng)驗庫建設(shè)培養(yǎng)自主學習能力。為鼓勵學生自主學習，在講解PPT時，會同時引導學生查看指導書的相應(yīng)內(nèi)容，教給學生利用指導書、互聯(lián)網(wǎng)等查找所需資源的方法。由于每屆學生在軟件操作過程中經(jīng)常提問類似問題，將學生們提出的常見問題搜集并整理為一個“經(jīng)驗庫”，經(jīng)驗庫中給出問題的描述，解決該問題的步驟，以及軟件操作界面的截圖。有的學生在剛開始創(chuàng)建項目的時候沒有選中正確的FPGA核心芯片，在后面的操作中需要修改芯片，則定位到“經(jīng)驗庫”的第9個問題“實驗中更改芯片”，給出了詳細的步驟描述和軟件操作界面截圖，并用紅色箭頭標示出對應(yīng)操作位置,如圖2所示。這樣，學生遇到問題時，可以先從“經(jīng)驗庫”尋找?guī)椭?，有效解決了師資不足無法及時解答所有學生提問的問題，也節(jié)約了學生的等待時間，提高了學習效率。學生也會效仿這樣的方法建立自己的經(jīng)驗庫，方便今后的學習。

圖2 經(jīng)驗庫部分內(nèi)容截圖

3 教學實例

本實驗所采用的FPGA軟件平臺為Altera公司開發(fā)的Quartus II[18]軟件，硬件系統(tǒng)為Altera公司開發(fā)的Cyclone系列EP1C3T144C8核心芯片及LP-2900開發(fā)裝置[2]。在此基礎(chǔ)上，以企業(yè)需求為導向，抽象出實驗室可以滿足的開發(fā)功能，并對學生進行實驗指導，在教學過程中培養(yǎng)學生的自主學習能力，創(chuàng)新思維能力，并在提高部分幫助學生將實驗課堂所學真正運用于實際產(chǎn)品開發(fā)?，F(xiàn)以一個教學實例闡述這一過程。

(1) 以企業(yè)需求為導向設(shè)計實驗內(nèi)容。企業(yè)需求為設(shè)計一個智能紐扣系統(tǒng)，通過紐扣按鍵切換智能模式，并在微型LED屏幕上顯示當前模式序號。因課堂資源有限，截取“按鍵-顯示”的功能作為案例，在EDA實驗室的FPGA裝置上進行實驗，由此設(shè)定實驗?zāi)繕斯δ埽篖P-2900開發(fā)裝置設(shè)有3×4鍵盤，共12個按鍵，按鍵內(nèi)容為數(shù)字“0”“1”“2”“3”“4”“5”“6”“7”“8”“9”，及符號“*”“#”。按鍵顯示系統(tǒng)的開發(fā)目標為：① 利用3×4鍵盤輸入“0～9”任意10個數(shù)字鍵，字符能在FPGA裝置上的LED顯示屏從左到右依次正確顯示，每按1次鍵，顯示1位數(shù)字，同時已有的數(shù)字依次左移1位。② 設(shè)有復位鍵，用來清空顯示屏，等待鍵盤新一輪輸入。在提高部分，指導學生去市場上采購合適尺寸和功耗的屏幕，按鍵等電子元器件，完成真正的產(chǎn)品開發(fā)。

(2) Quartus II基礎(chǔ)教學培養(yǎng)自主學習能力。由于學生在這門實驗課前對于FPGA為零基礎(chǔ)，所以要進行一定的基礎(chǔ)教學。踏實的專業(yè)基礎(chǔ)能力是應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的第一步，只有在牢固掌握專業(yè)基礎(chǔ)能力的前提下才能進行創(chuàng)新，才知道如何創(chuàng)新，并靈活地將已有知識應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。

用Quartus II軟件進行電子電路設(shè)計的開發(fā)流程如圖3所示，虛線框內(nèi)為可選步驟。教學中著重培養(yǎng)學生的自主學習意識，在講解每個步驟時，引導學生查看指導書對應(yīng)于該步驟的相應(yīng)頁碼，也幫助學生掌握用學校圖書館電子資源和互聯(lián)網(wǎng)等渠道查找相關(guān)資料。同時，為了給學生更直觀的感受，老師在講解每一個關(guān)鍵步驟后，對該步驟進行Quartus II 軟件的實際操作演示，通過機房屏幕廣播軟件[19]，控制機房所有電腦屏幕，同步演示。

圖3 Quartus II的開發(fā)流程

為鞏固教學內(nèi)容，老師在每個關(guān)鍵步驟講解結(jié)束后，立即指導學生用該步驟內(nèi)容完成系統(tǒng)中的部分模塊功能。學生由于掌握了自主學習方法，能很快找到需要查閱的資料，并參考這些資料進行模塊開發(fā)。

(3) 啟發(fā)式教學模式下系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)。啟發(fā)式教學的關(guān)鍵是設(shè)計“思考題鏈”[15]，實驗教師用提問的方式引起學生的思考，并鼓勵創(chuàng)新思維，得到不同的解決方案。在“按鍵-顯示”實驗案例中，“思考題鏈”設(shè)置如圖4所示。

圖4 FPGA“按鍵-顯示”實驗啟發(fā)式教學模式

根據(jù)“思考題鏈”的啟發(fā)，學生針對目標功能要求設(shè)計出多種可行方案，這里給出其中一種實現(xiàn)方案如圖5所示。虛線框內(nèi)為LP-2900裝置上的3×4鍵盤系統(tǒng)。FPGA通過DE1～DE3這3個端口控制譯碼器A的輸入，以使譯碼器A的Y0～Y3中某一個輸出為低電平，進而獲取按鍵陣列的列線狀態(tài)，再通過RK1～RK3這3個端口讀取按鍵陣列的行線狀態(tài)。通過行線和列線狀態(tài)定位被按下的按鍵位置。為了讓DE1～DE3 3個端口輸出循環(huán)往復變化，設(shè)置1個計數(shù)器[20]，通過計數(shù)器循環(huán)往復的計數(shù)輸出(q[0]～q[2])控制DE1～DE3依次不斷變化，實現(xiàn)按鍵的列線掃描。由于計數(shù)器需要一個時鐘輸入(Clock),且該頻率小于LP-2900裝置上自帶的晶振[21]頻率，所以設(shè)置一個分頻器[22]，以將晶振的頻率進行分頻，降低頻率輸出。按鍵陣列的行線信息用一個2-4線數(shù)據(jù)選擇器[23]進行獲取，數(shù)據(jù)選擇器的選擇輸入A、B兩個端口用計數(shù)器q[3]、q[4]進行控制。為了記錄按鍵陣列的行列信息以進行后續(xù)處理，要設(shè)置一個寄存器[24]。數(shù)據(jù)選擇器的輸出端同步控制計數(shù)器的使能EN和寄存器的時鐘CLK1，這樣，當掃描到有按鍵被按下時，計數(shù)器的當前計數(shù)輸出q[0]～q[4]就能立即被寄存器記錄。

圖5 FPGA“按鍵-顯示”實驗的實現(xiàn)方案舉例

接下來，要對獲取到的按鍵陣列的行、列線信息進行譯碼，并顯示在LED屏幕上。如只是顯示當前按鍵，則只需設(shè)計1個7段顯示譯碼器，將獲取到的q[0]～q[4]的數(shù)據(jù)翻譯為LED顯示屏上7段數(shù)碼管的A，B，C，D，E，F(xiàn)，G。這里，由于目標功能中要求原有數(shù)據(jù)保留顯示，并依次左移1位，故設(shè)置移位寄存器[25]，并配套3-6線數(shù)據(jù)選擇器，移位寄存器的時鐘也由用來獲取按鍵行線數(shù)據(jù)的2-4線數(shù)據(jù)選擇器的輸出控制。這樣，當有按鍵按下時，移位寄存器將原有輸出下移1位，而配套的3-6線數(shù)據(jù)選擇器通過不斷掃描輸出移位寄存器的6個輸出端以實現(xiàn)移位顯示功能。

復位按鍵可設(shè)計為控制移位寄存器的清零端CLR，則當復位按鍵按下時，移位寄存器輸出清零，將其在7段顯示譯碼器中翻譯為LED屏全滅。最終，實現(xiàn)“按鍵-顯示”系統(tǒng)的全部功能要求。

(4) 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試提升應(yīng)用能力。完成軟件電路設(shè)計后，要將設(shè)計的電路導入FPGA硬件裝置，以查看最終開發(fā)效果。這時，學生會遇到一些問題，電路設(shè)計上的錯誤會真實地反映到硬件上。比如，有的學生按鍵時屏幕上沒有顯示，有的學生屏幕上的數(shù)字不能移位等。這時要進行調(diào)試，讓學生分析產(chǎn)生問題的可能原因，去電路原理圖中查找對應(yīng)模塊是否設(shè)計有誤，及時更正錯誤，完成最終作品。在這個過程中，學生能深切感受到理論分析與實際產(chǎn)品開發(fā)的區(qū)別。

在提高部分，要求學生分析企業(yè)所需產(chǎn)品的特點，考慮尺寸，功耗等各方面因素，去市場上挑選合適的電子元器件，來代替實驗裝置，完成實際產(chǎn)品開發(fā)。這一過程大大提高了學生的自主學習能力，創(chuàng)新思維模式以及工程應(yīng)用技能。

4 教學效果分析

在本案例中，實驗內(nèi)容緊密結(jié)合工程背景，使學生對實驗?zāi)康挠星逦恼J識，對實驗內(nèi)容有系統(tǒng)性的概念，在完成產(chǎn)品開發(fā)后，對自己的應(yīng)用技能產(chǎn)生信心。自主學習能力的培養(yǎng)使學生擁有獨立學習和獨立開發(fā)產(chǎn)品的意識和能力，在未來的學習工作中，懂得如何查閱資料，獨立進行產(chǎn)品研發(fā)?！敖?jīng)驗庫”的使用在實驗課中大大減少了學生的等待時間，提高了學習效率，同時，許多學生也效仿這個思想，建立了自己的“經(jīng)驗庫”，將解決方案不斷補充進去，方便今后查閱。啟發(fā)式的教學模式不僅提高了學生的課堂參與度，也活躍了學生的思維，提出了許多創(chuàng)新的解決方案?；趹?yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學模式在FPGA實驗教學中取得了良好的效果。

5 結(jié) 語

為彌補傳統(tǒng)教學模式的不足，提出了培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的FPGA實驗教學模式，并通過FPGA“按鍵-顯示”系統(tǒng)的實驗課案例詳細闡述實驗教學過程。從FPGA的工程應(yīng)用背景入手，運用“產(chǎn)學研”結(jié)合的教學模式提高學生的工程應(yīng)用能力。在Quartus II等基礎(chǔ)教學過程中配合“經(jīng)驗庫”的建設(shè)，著重培養(yǎng)學生的自主學習能力。在方案設(shè)計實驗教學環(huán)節(jié)，運用啟發(fā)式教學模式，設(shè)計環(huán)環(huán)相扣的“思考題鏈”，引導學生積極思考，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。最終，在新模式的引導下，學生從對FPGA一無所知的狀態(tài)，逐漸掌握FPGA的專業(yè)知識，自主完成軟件設(shè)計，硬件電路調(diào)試，完成產(chǎn)品開發(fā)，并運用于實際生產(chǎn)中。在此過程中培養(yǎng)了學生的自主學習能力、創(chuàng)新思維能力和工程應(yīng)用能力，較好地實現(xiàn)了應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標。