項目式教學(xué)法在“現(xiàn)代邏輯設(shè)計”課程中的應(yīng)用

王秀敏，李正權(quán)，2，單 良，夏哲雷，殷海兵

(1.中國計量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江杭州310018;2.東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室，江蘇南京210096)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，社會對熟練掌握EDA技術(shù)的工程人員的需求量逐年增加，各高校都在積極推進此類課程的建設(shè)。我院也于七年前開設(shè)了“現(xiàn)代邏輯設(shè)計”課程，我們從教學(xué)理念、課程體系、教學(xué)內(nèi)容和方法等方面進行了改革，架構(gòu)了立體化教學(xué)體系［2，3］。

1 “現(xiàn)代邏輯設(shè)計”課程概述

“現(xiàn)代邏輯設(shè)計”是本校電子信息工程、通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)科在“數(shù)字邏輯電路”的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門重要選修課。該課程首先讓學(xué)生了解數(shù)字集成電路及其設(shè)計方法，熟悉大規(guī)模可編程專用集成電路CPLD/FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握硬件描述語言Verilog HDL。這些章節(jié)主要采用過渡式雙語教學(xué)和課堂討論式教學(xué)?；A(chǔ)知識扎實掌握后，在“數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計”課程的教學(xué)過程中，采用項目式教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生采用模塊化的設(shè)計思路對較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)進行設(shè)計。整個教學(xué)過程圍繞兩至三個相對獨立的項目展開，項目選題經(jīng)過仔細斟酌要求:①難度適中;②實用和現(xiàn)實生活緊密結(jié)合;③具備一定的趣味性，讓學(xué)生有更大熱情投入;④和專業(yè)相關(guān)，通過自主設(shè)計對專業(yè)知識有更深的理解。

我們通過項目將理論與實踐緊密結(jié)合，有利于將書本知識向工程實際擴展，有力地推進學(xué)生職業(yè)能力的發(fā)展［4-5］。

2 項目式教學(xué)法的實施步驟

2.1 情境創(chuàng)設(shè)，激發(fā)興趣

建構(gòu)主義認為，情境創(chuàng)設(shè)是學(xué)習(xí)者實現(xiàn)意義建構(gòu)的必要前提。所以我們在教學(xué)中不斷構(gòu)建良好的教學(xué)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，該課程的建立可持續(xù)發(fā)展的良好機制［6］。

在該課程的“擴頻通信系綜合設(shè)計”教學(xué)中，學(xué)生首先需要明確:什么是擴頻?為什么要擴頻?擴頻通信與常規(guī)的無線通信有什么不同?

為此我們在教學(xué)中設(shè)計了如下場景［7］:給學(xué)生播放一至兩段二戰(zhàn)時軍事領(lǐng)域如何進行目標偵察的短片，引出了擴頻通信的概念，課后布置他們查閱資料，了解擴頻通信概念和原理。上課時再安排兩名學(xué)生利用自己查到的資料進行講解。

2.2 圍繞目標，層層深入

明確了擴頻通信的概念和原理后，我們繼而引導(dǎo)學(xué)生作進一步的討論:為什么采用FPGA設(shè)計?用Verilog HDL語言設(shè)計直接序列擴頻通信需要設(shè)計哪些模塊?學(xué)生可以得出結(jié)論:FPGA具有高度系統(tǒng)化、集成化和標準化等優(yōu)點，設(shè)計一個用FPGA技術(shù)實現(xiàn)的擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)具有較強的實際應(yīng)用價值。在進行設(shè)計時，采用自頂向下的設(shè)計方法，從系統(tǒng)設(shè)計入手，首先在頂層進行功能模塊的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

學(xué)生通過研究與討論，設(shè)計出擴頻通信系統(tǒng)的頂層模塊，如圖1所示。圖示的模塊包括擴頻、PN碼發(fā)生器、調(diào)制和振蕩器四個基本模塊，均可采用Verilog HDL語言描述。這些模塊采用原理圖方式構(gòu)建，表達連接關(guān)系和芯片內(nèi)部邏輯到管腳的接口。在Quartus II平臺上分別實現(xiàn)這四個模塊功能的調(diào)試和仿真，再進行系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)，功能驗證完畢，最后進行硬件下載和調(diào)試。同時教師引導(dǎo)學(xué)生思考本課題研究過程中的關(guān)鍵問題:M序列的產(chǎn)生、2FSK調(diào)制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、擴頻模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、如何對調(diào)制后的信號序列進行解調(diào)和調(diào)制后模塊的解擴等。

2.3 模塊設(shè)計，團隊合作

基本設(shè)計思路確定以后，進入項目實施階段。

教師根據(jù)學(xué)生個人信息，按照知識結(jié)構(gòu)、性格、特長等方面互補的原則協(xié)助學(xué)生分組。小組成員確定后，明確各自職責(zé)。項目負責(zé)人全面負責(zé)項目的整體組織和協(xié)調(diào)，保證項目有序開展;助理主要組織編寫和完善所有項目文檔和報告。

圖1 直接序列擴頻方式的頂層模塊圖

各個小組在教師的指導(dǎo)下制定項目的可行性方案，反復(fù)論證后主要主要確定最佳方案。教師對各小組方案提供指導(dǎo)意見。

2.4 發(fā)現(xiàn)問題，協(xié)作研討

在項目實施過程中，教師整體把握，全程引導(dǎo)。重視學(xué)生的需求，尊重學(xué)生的設(shè)計，解決學(xué)生碰到的疑惑和難題。

比如，學(xué)生在調(diào)制器的設(shè)計中遇到了如下問題:在用基準時鐘信號對基帶信號進行擴頻，然后再進行FSK調(diào)制時發(fā)現(xiàn)根本無法調(diào)制。這時教師引導(dǎo)學(xué)生從基準時鐘上入手查找原因，小組成員經(jīng)過反復(fù)研究發(fā)現(xiàn):擴頻后的信號中出現(xiàn)高電平或者低電平的時間和基準時鐘信號的半周期相差不多，所以根本無法進行2FSK調(diào)制。

2.5 時序仿真，達成目標

學(xué)生經(jīng)過認真的編程設(shè)計并通過本原多項式得到了不同長度的M序列，經(jīng)過仿真可得到波形圖。讓學(xué)生分析所得到的結(jié)果，所生成的M序列的周期與時鐘信號clk的倍數(shù)關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生判斷是否和理論分析的結(jié)果一致。

學(xué)生對M序列、數(shù)字基帶信號和分頻器了解之后，便可分工協(xié)作對這些子模塊進行設(shè)計編程，最后完成擴頻模塊的主程序設(shè)計和仿真，從而得到擴頻模塊輸出波形。

各個小組完成作品設(shè)計后，要進行師生互動評價階段。每個小組要對整個設(shè)計過程進行自我評價，由項目負責(zé)人寫一份評價報告，并向全班匯報和展示本組設(shè)計的最終作品，并列舉在項目開發(fā)過程中遇到的問題以及解決方案。最后由指導(dǎo)教師對各小組設(shè)計方案及實施情況進行評價和總結(jié)。

3 結(jié)語

本文所述的基于建構(gòu)主義的教學(xué)思想，采用項目式教學(xué)法，通過情境創(chuàng)設(shè)、激發(fā)興趣、教師引導(dǎo)、學(xué)生團隊合作和互動交流等的討論學(xué)習(xí)，可以全面提高學(xué)生的分析問題和解決問題能力。這樣可以充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的主動性和積極性，不斷培養(yǎng)學(xué)生的研究創(chuàng)新能力。師生通過對項目實施方案的評價與反思，引導(dǎo)學(xué)生開展階梯式思維提高獲取新知識的能力。從而使學(xué)生的學(xué)習(xí)能理論聯(lián)系實際。

［1］ 李蘭英，崔永利，李妍，沈泓.基于FPGA技術(shù)的嵌入式應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)體系，［J］.北京:計算機教育，2011(16):18-21.

［2］ 張紅.談雙語教學(xué)環(huán)境的建設(shè)［J］.北京大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版)2007年5月:286－287.

［3］ 董宇欣.我國高校開展雙語教學(xué)的實踐與思考［J］.北京:北京大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2007(S2):80-81.

［4］ Tuula Merisuo-Storm，Pupils＇attitudes towards foreign-language learning and the development of literacy skills in bilingual education，Teaching and Teacher Education，2006(5).

［5］ 熊英.建構(gòu)主義大學(xué)英語教學(xué)設(shè)計［J］.武漢:教育理論與實踐，2010，30(4):53 －55.

［6］ 郭姣，劉艷良.問題式教學(xué)法在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中的運用［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32(5):83-85.

［7］ 趙娟.擴頻通信技術(shù)及其應(yīng)用［J］.北京:計算機安全，2010.8:21-22.