應(yīng)用型本科院校FPGA課程的教學(xué)改革研究

周巧喜 李輝

摘要：針對(duì)目前本科院校FPGA課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了案例式理論教學(xué)、設(shè)計(jì)性實(shí)踐教學(xué)和企業(yè)走進(jìn)課堂等教學(xué)改革措施。實(shí)踐證明，案例式教學(xué)降低了理論知識(shí)的抽象性;設(shè)計(jì)性實(shí)踐活動(dòng)，鍛煉了學(xué)生親自動(dòng)手的能力，也給了他們一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)發(fā)揮自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力;企業(yè)走進(jìn)課堂，真正實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)與企業(yè)實(shí)踐的結(jié)合。這些改革措施，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提升了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： FPGA; 案例式教學(xué);實(shí)踐教學(xué);教學(xué)改革;應(yīng)用型人才

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）03-0133-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

FPGA[1]是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的簡(jiǎn)稱。它是一種可編程的邏輯器件，支持對(duì)設(shè)備中的大量電氣功能進(jìn)行更改;可由設(shè)計(jì)工程師更改;可在PCB裝配過(guò)程中更改，也可在設(shè)備發(fā)運(yùn)到客戶手中后“現(xiàn)場(chǎng)”更改。正是具有這種高度的靈活性，使其在通信、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)和航空航天等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

而目前高校關(guān)于FPGA技術(shù)的教學(xué)課程體系尚不完善，主要存在的問(wèn)題：一是FPGA設(shè)計(jì)課程偏重理論，而且教學(xué)中缺少典型的應(yīng)用案例，無(wú)法讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，做到學(xué)以致用;二是FPGA設(shè)計(jì)是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科，教學(xué)過(guò)程中需要具備較好的硬件環(huán)境，以便于學(xué)生開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐活動(dòng)。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一些關(guān)于FPGA課程的教學(xué)改革[2-5]措施。

2 傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

首先，理論教學(xué)課時(shí)較多，理論教學(xué)方法單一。課堂上，教師一味地講解各種語(yǔ)句的使用，學(xué)生會(huì)感到非常的枯燥乏味，而且很難能記住這些語(yǔ)句的用法。另外，“填鴨式”的教學(xué)，讓學(xué)生失去了主動(dòng)思考的機(jī)會(huì)，也就很難調(diào)動(dòng)他們的積極性。

其次，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多。通常，老師把實(shí)驗(yàn)的步驟和程序代碼直接提供給學(xué)生，學(xué)生按照步驟輸入程序，軟件仿真沒(méi)問(wèn)題就完成了。學(xué)生不用思考程序代碼的編寫，更不會(huì)去擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。另外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)字電路課程的實(shí)驗(yàn)有重復(fù)現(xiàn)象。由于FPGA的前期基礎(chǔ)是數(shù)字電路。因此，在缺乏和前期老師溝通的情況下，很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重復(fù)安排。最后由于沒(méi)有開發(fā)板，學(xué)生只能通過(guò)軟件仿真查看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這和實(shí)際下板測(cè)試的結(jié)果還不一樣。沒(méi)有開發(fā)板，學(xué)生也無(wú)法進(jìn)行引腳分配、下載測(cè)試等一系列操作，大大削弱了學(xué)生的實(shí)踐能力。

最后，考核方式比較單一。通常是期末考試的一張?jiān)嚲?，?lái)決定學(xué)生的最終成績(jī)，不能全面考查學(xué)生的真實(shí)情況。這也會(huì)讓學(xué)生感到是為了考試而學(xué)習(xí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。另外，試卷本身也無(wú)法達(dá)到考查學(xué)生真正解決問(wèn)題的能力。比如，簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)遇到學(xué)生不會(huì)去查找程序中的錯(cuò)誤，尤其針對(duì)某些物理量的結(jié)果不正確。此時(shí)，大多數(shù)情況下，都是需要學(xué)生要學(xué)會(huì)利用查找中間變量數(shù)值的方法，去找出問(wèn)題的癥結(jié)，然后再去修改相應(yīng)程序。

3 教學(xué)改革

3.1理論教學(xué)——采用案例式教學(xué)

理論課堂的枯燥乏味，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，大大降低了學(xué)習(xí)效率。若在課堂上引入案例式教學(xué)，不僅可以降低理論知識(shí)的抽象性[6-8]，還將實(shí)際的應(yīng)用案例切實(shí)引入到課堂中，這對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型人才很有必要。另外，由于這些案例非常貼近生活，因此學(xué)生也很感興趣。讓學(xué)生帶著興趣和任務(wù)去學(xué)習(xí)，更能易于掌握這些理論知識(shí)。

下面以層次化設(shè)計(jì)方法為例講解案例教學(xué)的重要性。層次化方法的設(shè)計(jì)模型如圖1所示。它是對(duì)一個(gè)很大的系統(tǒng)進(jìn)行首先拆分成功能模塊1、功能模塊2……，然后對(duì)功能模塊1再進(jìn)行拆分成子模塊1、子模塊2……，直到每個(gè)模塊都拆分成很容易實(shí)現(xiàn)的最小模塊為止。系統(tǒng)頂層模塊只負(fù)責(zé)連線，將各功能單元正確地組合起來(lái)。一個(gè)好的層次化劃分可以有效降低系統(tǒng)開發(fā)難度，同時(shí)有利于團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)。

為了讓學(xué)生更好地理解這種設(shè)計(jì)思想，同時(shí)要拿出一個(gè)案例進(jìn)行講解。如，VGA的顯示設(shè)計(jì)[9]。若采用層次化設(shè)計(jì)，可以包括三部分：PLL、VGA和R_G_B，設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。其中，PLL是時(shí)鐘分頻模塊。由于開發(fā)板的時(shí)鐘是50Mhz，而采用的顯示標(biāo)準(zhǔn)800*600*600hz，該顯示模式下需要的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為40Mhz。因此，通過(guò)調(diào)用鎖相環(huán)分頻即可實(shí)現(xiàn)。VGA行列同步控制模塊，主要標(biāo)定出有效的顯示區(qū)域，這也是整個(gè)VGA設(shè)計(jì)的核心部分。VGA色彩顯示控制部分，在圖像有效顯示區(qū)域內(nèi)，輸出控制顏色的RGB信號(hào)。

因此，這個(gè)系統(tǒng)被分成了三個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。每個(gè)模塊的程序單獨(dú)編寫，最后由頂層進(jìn)行正確的連線即可。通過(guò)這個(gè)案例，學(xué)生輕松掌握了層次化設(shè)計(jì)的過(guò)程，并能體會(huì)這種方法的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 實(shí)踐教學(xué)——改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

為了取得更好的實(shí)踐效果，教學(xué)計(jì)劃中增加了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐活動(dòng)，同時(shí)也改善了實(shí)驗(yàn)室的軟、硬件環(huán)境。

工欲善其事，必先利其器。為了更好地學(xué)習(xí)FPGA課程，需要良好的軟硬件環(huán)境。學(xué)院不僅給學(xué)生安裝了版本較高的Quartus II 軟件，而且新進(jìn)了一批由北京至芯科技公司提供的型號(hào)為EP4CE6E22C8的FPGA教學(xué)板。實(shí)驗(yàn)課上每個(gè)學(xué)生分發(fā)一塊教學(xué)板。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生不僅可以通過(guò)軟件仿真觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，還可以下板測(cè)試查看實(shí)際效果，同時(shí)體會(huì)兩種結(jié)果的不同。另外，下板測(cè)試操作，可以讓學(xué)生充分了解FPGA開發(fā)的整個(gè)流程：輸入、綜合、分配、下板測(cè)試以及后期調(diào)試。

新進(jìn)的教學(xué)板為課外實(shí)踐活動(dòng)的順利開展，提供了有力的保障。學(xué)生可以隨時(shí)向?qū)嶒?yàn)室借用教學(xué)板，在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行一些小型項(xiàng)目的開發(fā)，如，矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)（如圖3）、交通燈、多功能的電子時(shí)鐘。不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也鍛煉了他們解決問(wèn)題的能力。這為后期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，打下了一定的基礎(chǔ)。有些同學(xué)，后期采用FPGA技術(shù)在這些小項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深入設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題材。

其次，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容刪減了與數(shù)字電路課程重復(fù)的內(nèi)容，增加了一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如：編碼器設(shè)計(jì)、譯碼器設(shè)計(jì)、數(shù)碼管設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)類型也逐步從驗(yàn)證型轉(zhuǎn)化到設(shè)計(jì)性，甚至可以讓學(xué)生去創(chuàng)新。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排盡量和我們后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)。如數(shù)碼管設(shè)計(jì)、VGA顯示、蜂鳴器等，以及PLL、FIFO、ROM的應(yīng)用。利用這些知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生在高年級(jí)所做的畢業(yè)設(shè)計(jì)有貪吃蛇游戲設(shè)計(jì)、多功能電子相冊(cè)設(shè)計(jì)以及基于FPGA的高速實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課題。

3.3多元化的考核方式

由于本課程更加注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，因此考核方式中，直接將期末考試改為實(shí)際操作考試，占比60%，將課外成績(jī)的比重提高為40%，這樣更適合本課程特點(diǎn)。

其中，課外成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和課外實(shí)踐成績(jī)?nèi)糠纸M成。平時(shí)成績(jī)除了考勤、作業(yè)外，更注重學(xué)生的課堂參與度和對(duì)知識(shí)的掌握程度。實(shí)驗(yàn)成績(jī)更注重過(guò)程。每次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的認(rèn)真態(tài)度、編寫以及調(diào)試程序的能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾方面綜合評(píng)分。課外實(shí)踐成績(jī)：每次學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，都可以繼續(xù)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可以利用業(yè)余時(shí)間進(jìn)行電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì);VGA顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可以進(jìn)行電子相冊(cè)的設(shè)計(jì)。依據(jù)學(xué)生擴(kuò)展的知識(shí)點(diǎn)（如電子時(shí)鐘的正常計(jì)時(shí)、整點(diǎn)報(bào)時(shí)、可調(diào)整時(shí)分秒等功能）和實(shí)用性，教師進(jìn)行合理評(píng)分。

整個(gè)成績(jī)的比例分配：期末60%，平時(shí)5%，實(shí)驗(yàn)25%，課外實(shí)踐10%。從中可以看出，課外實(shí)踐成績(jī)比重加大了，說(shuō)明我們更注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。這種評(píng)分方式更適合本課程實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，與培養(yǎng)應(yīng)用型人才[10]目標(biāo)相吻合。

3.4企業(yè)走進(jìn)課堂

為適應(yīng)學(xué)校轉(zhuǎn)型提升發(fā)展，讓學(xué)生所學(xué)內(nèi)容與企業(yè)接軌，電信系在學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，與北京至芯科技公司進(jìn)行了校企合作，主要做了以下兩方面的工作。

首先，為了讓學(xué)生全面認(rèn)識(shí)到FPGA技術(shù)發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)，學(xué)院邀請(qǐng)了至芯科技公司的工程師為我校電信系學(xué)生開展了為期4個(gè)學(xué)時(shí)的技術(shù)講座。講座講述了FPGA技術(shù)的簡(jiǎn)介、發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面的內(nèi)容。該講座不僅提供了學(xué)生與企業(yè)家面對(duì)面交流的機(jī)會(huì)，更加豐富了學(xué)生的企業(yè)應(yīng)用知識(shí)，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)該課程將來(lái)在企業(yè)中的作用。

其次，為了讓學(xué)生快速掌握FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)，并且將所學(xué)知識(shí)能夠與企業(yè)接軌，至芯科技公司在我院開展了8個(gè)課時(shí)的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)。培訓(xùn)采用了INTEL PSG和至芯內(nèi)部最新的教材，強(qiáng)化FPGA專業(yè)知識(shí)理論和項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將最新實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶入課堂。通過(guò)實(shí)訓(xùn)，同學(xué)們?cè)俅晤I(lǐng)略了FPGA技術(shù)在電子領(lǐng)域的強(qiáng)大魅力。

企業(yè)走進(jìn)課堂，激發(fā)學(xué)生興趣，開闊學(xué)生視野，更好地實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)應(yīng)用型人才目標(biāo)，切實(shí)提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4 結(jié)論

FPGA課程教學(xué)改革證明，案例式教學(xué)降低了理論知識(shí)的抽象性;課外實(shí)踐活動(dòng)和多元化考核方式增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力;企業(yè)走進(jìn)課堂激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，有效地增加了教與學(xué)的融合。這些改革措施，有效提升了課堂學(xué)習(xí)的質(zhì)量，達(dá)到了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

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【通聯(lián)編輯：王力】