基于FPGA課程的教學(xué)改革探究

楊慧晶+于斌+任明遠(yuǎn)

摘要：隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已成為硬件設(shè)計(jì)的重要手段之一，F(xiàn)PGA課程教學(xué)在集成電路等電子類專業(yè)中所占據(jù)的地位越來越重要。針對(duì)這種實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的課程教學(xué)，文章從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式三方面入手，闡述了FPGA課程教學(xué)改革的方法。

關(guān)鍵詞：FPGA；考核方式；案例教學(xué)；數(shù)字系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-4107（2014）09-0008-02

基金項(xiàng)目：2013年度 哈爾濱理工大學(xué)高等教育教學(xué)研究項(xiàng)目“‘基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程改革研究與實(shí)踐”（C201300014）

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展與EDA開發(fā)工具功能的不斷完善為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，使得它已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的可編程邏輯器件之一。它以空前的速度和規(guī)模被應(yīng)用到各行各業(yè)中。由于基于FPGA的設(shè)計(jì)具有開發(fā)周期短、編程靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以FPGA技術(shù)非常適合在高等院校集成電路設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)中作為電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的載體。因此，這門課程在高校的集成電路設(shè)計(jì)類相關(guān)專業(yè)的教育中占據(jù)著極其重要的地位。

FPGA 課程教學(xué)的主要目的是利用現(xiàn)今先進(jìn)的EDA技術(shù)手段和方法，使用可編程邏輯器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成大型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這種方法是電子工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)所采用的一種重要方法和手段。并且學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，能夠掌握基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用方法。當(dāng)今的高等教育是開放的教育、創(chuàng)新的教育， 因此FPGA課程教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。把學(xué)生培養(yǎng)成為具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的高素質(zhì)的電子工程類技術(shù)人才。

一、注重理論教學(xué)方式改革

FPGA課程的教學(xué)目的主要是讓學(xué)生掌握可編程邏輯器件基本結(jié)構(gòu)，靈活應(yīng)用硬件描述語言完成基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握基于FPGA設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的基本原則和采用的各種優(yōu)化算法；將電路設(shè)計(jì)方法從傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向軟硬件高度協(xié)同的設(shè)計(jì)，以此讓學(xué)生全面掌握集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)字電路技術(shù)知識(shí)，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用，提高他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力以及工程實(shí)踐能力。

在FPGA課程的理論教學(xué)過程中需要學(xué)生掌握基本的電路設(shè)計(jì)方法和手段，了解大規(guī)?？删幊碳呻娐返幕窘Y(jié)構(gòu)，掌握硬件描述語言verilog HDL，并能自如地應(yīng)用該語言在FPGA上設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字系統(tǒng)，能夠設(shè)計(jì)出具有一定應(yīng)用性的芯片。并且在整個(gè)理論教學(xué)過程中應(yīng)加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用的能力。在教學(xué)過程中應(yīng)該以學(xué)生為中心，避免像傳統(tǒng)的教學(xué)方式那樣，只是把知識(shí)從教師傳送到學(xué)生，達(dá)不到知識(shí)的融會(huì)貫通。要突出學(xué)生對(duì)知識(shí)的探索能力、發(fā)現(xiàn)能力和對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，并完成整個(gè)知識(shí)體系的主動(dòng)建構(gòu)與應(yīng)用。

在整個(gè)教學(xué)過程中通過案例讓學(xué)生完成知識(shí)體系的構(gòu)建。首先是根據(jù)FPGA課程的教學(xué)內(nèi)容需要，建立完整的案例系統(tǒng)，使得案例設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程涵蓋所學(xué)的基礎(chǔ)理論與知識(shí)，同時(shí)引入對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的常見應(yīng)用如：基于FPGA的控制系統(tǒng)，音頻、視頻采集系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用等；通過案例可以發(fā)現(xiàn)FPGA設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的問題和解決方案，并將此過程貫穿課程的教學(xué)始終。案例教學(xué)過程中，在提供了高質(zhì)量的案例之后，要提供給學(xué)生案例相關(guān)資料，引導(dǎo)學(xué)生閱讀并進(jìn)行討論；讓學(xué)生自主地建立案例設(shè)置的情境，構(gòu)建整個(gè)案例系統(tǒng)。因?yàn)橛袑?shí)際的案例應(yīng)用作為依托，因此能夠激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行靈活應(yīng)用，達(dá)到從基礎(chǔ)理論知識(shí)的接受到靈活應(yīng)用的目的。

二、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革

（一）發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的作用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境依托于DE II實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，使用它可以完成基于FPGA的編程設(shè)計(jì)，還可以完成基于Nios軟核處理器的應(yīng)用項(xiàng)目編程和開發(fā)。該平臺(tái)提供了豐富的多媒體、儲(chǔ)存及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用接口，非常適合大學(xué)課程在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的一系列設(shè)計(jì)項(xiàng)目和非常復(fù)雜尖端的數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。

DE II實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的核心是一款的Cyclone II 的FPGA芯片，同時(shí)它還提供自由選擇的存儲(chǔ)卡以及一些高級(jí)的I/O 口驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具備有音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備。所以它對(duì)各類數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)來說是一個(gè)極其理想的開發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)，在以Altera Nios II為處理器的嵌入式應(yīng)用中也是一個(gè)理想工具。因此在FPGA課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)該充分發(fā)揮該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作用，除完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)增加一些常見的面向應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中充分利用開發(fā)板的資源，將FPGA設(shè)計(jì)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合。

（二）從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)向應(yīng)用性實(shí)踐轉(zhuǎn)變

以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)題目基本上是一些基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，題目之間關(guān)聯(lián)性很小，基本上是每個(gè)實(shí)驗(yàn)針對(duì)一定的基礎(chǔ)知識(shí)，很少能夠?qū)⒅R(shí)結(jié)構(gòu)整體統(tǒng)一。并且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)多停留在仿真模擬的環(huán)節(jié)，沒有辦法完成最終的實(shí)現(xiàn)。

為解決以上問題，該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上，合理地安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將每次設(shè)置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，最終能夠形成一個(gè)復(fù)雜的面向應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)，并將其在開發(fā)板上最終實(shí)現(xiàn)，投入使用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置要由淺入深，逐一將所學(xué)基本知識(shí)涵蓋在內(nèi)。并且最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，以此將FPGA設(shè)計(jì)的理論知識(shí)最終轉(zhuǎn)化為完成成品的有力工具，將理論融合在實(shí)踐中。并且要求學(xué)生對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程內(nèi)容進(jìn)行答辯，以此保證學(xué)生能夠認(rèn)真地參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。

三、采用多樣化的考核方式

FPGA課程是電路設(shè)計(jì)等專業(yè)的主干專業(yè)課，該課程面向于專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，因此考核方式改革的整體思路是將原有的面向于知識(shí)的考核方式，變?yōu)槊嫦蛴趹?yīng)用的考核方式。采用多樣化的考核方式，注重考核學(xué)生的綜合能力，最終的成績(jī)?cè)u(píng)定采用多種因素共同決定?？己诉^程匯總采用多種考核方式，分成多個(gè)考核階段，采用多種考核類型，強(qiáng)化學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)的能力，增加小論文、實(shí)驗(yàn)、課堂討論等環(huán)節(jié)的成績(jī)?cè)趯W(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定中的比重。

1.增加過程性階段考核內(nèi)容。為了增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意愿，采取分階段測(cè)試的方式，利用課堂時(shí)間進(jìn)行測(cè)試和課堂討論，該階段考核內(nèi)容主要側(cè)重于基本概念、基本方法的理解和掌握，使得學(xué)生進(jìn)一步融入課堂學(xué)習(xí)。

2.引入實(shí)驗(yàn)考核測(cè)試。在學(xué)習(xí)過程中，把設(shè)計(jì)性的實(shí)踐考核作為考核方式之一，不同階段設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)題目，讓學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從整體系統(tǒng)分析到最終的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？己藭r(shí)依據(jù)學(xué)生最終的設(shè)計(jì)，并要求學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行綜合答辯，提交包含實(shí)現(xiàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的設(shè)計(jì)報(bào)告。以此培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力，以及總結(jié)表達(dá)的能力。

3.改革期末考試內(nèi)容?？荚噧?nèi)容側(cè)重點(diǎn)從基礎(chǔ)知識(shí)的掌握轉(zhuǎn)移到原理的分析和綜合應(yīng)用上，以教學(xué)大綱為依據(jù)，還要考查學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力以及學(xué)生對(duì)基本理論、基本知識(shí)和基本技能的應(yīng)用情況。具體考核方式計(jì)劃如表1所示。

表1考核方式計(jì)劃

針對(duì)像FPGA課程這樣具有很強(qiáng)應(yīng)用性、實(shí)踐性的課程，其教學(xué)方式改革應(yīng)從以下三個(gè)方面入手。

1.在FPGA課程的理論教學(xué)中，從案例入手，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用的能力。

2.在FPGA課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置具有應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)題目，提供相應(yīng)的案例讓學(xué)生自主完成，以此鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力。

3.FPGA考核環(huán)節(jié)中，由于課程實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性，修改考核方式，加大學(xué)習(xí)過程和實(shí)驗(yàn)所占成績(jī)比重，讓學(xué)生能夠從始至終投入精力到學(xué)習(xí)中，并通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣洪波等.基于開放實(shí)踐基地的FPGA課程體系研究[J].高師理科學(xué)刊，2013，(7).

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[3]葉波，趙倩，林麗萍.FPGA課程教學(xué)改革探索[J].中國電力教育，2010，(24).

[4]余能輝.關(guān)于FPGA課程教學(xué)的實(shí)踐及其探索[J].南昌教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，(11).

摘要：隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已成為硬件設(shè)計(jì)的重要手段之一，F(xiàn)PGA課程教學(xué)在集成電路等電子類專業(yè)中所占據(jù)的地位越來越重要。針對(duì)這種實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的課程教學(xué)，文章從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式三方面入手，闡述了FPGA課程教學(xué)改革的方法。

關(guān)鍵詞：FPGA；考核方式；案例教學(xué)；數(shù)字系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-4107（2014）09-0008-02

基金項(xiàng)目：2013年度 哈爾濱理工大學(xué)高等教育教學(xué)研究項(xiàng)目“‘基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程改革研究與實(shí)踐”（C201300014）

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展與EDA開發(fā)工具功能的不斷完善為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，使得它已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的可編程邏輯器件之一。它以空前的速度和規(guī)模被應(yīng)用到各行各業(yè)中。由于基于FPGA的設(shè)計(jì)具有開發(fā)周期短、編程靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以FPGA技術(shù)非常適合在高等院校集成電路設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)中作為電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的載體。因此，這門課程在高校的集成電路設(shè)計(jì)類相關(guān)專業(yè)的教育中占據(jù)著極其重要的地位。

FPGA 課程教學(xué)的主要目的是利用現(xiàn)今先進(jìn)的EDA技術(shù)手段和方法，使用可編程邏輯器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成大型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這種方法是電子工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)所采用的一種重要方法和手段。并且學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，能夠掌握基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用方法。當(dāng)今的高等教育是開放的教育、創(chuàng)新的教育， 因此FPGA課程教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。把學(xué)生培養(yǎng)成為具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的高素質(zhì)的電子工程類技術(shù)人才。

一、注重理論教學(xué)方式改革

FPGA課程的教學(xué)目的主要是讓學(xué)生掌握可編程邏輯器件基本結(jié)構(gòu)，靈活應(yīng)用硬件描述語言完成基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握基于FPGA設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的基本原則和采用的各種優(yōu)化算法；將電路設(shè)計(jì)方法從傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向軟硬件高度協(xié)同的設(shè)計(jì)，以此讓學(xué)生全面掌握集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)字電路技術(shù)知識(shí)，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用，提高他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力以及工程實(shí)踐能力。

在FPGA課程的理論教學(xué)過程中需要學(xué)生掌握基本的電路設(shè)計(jì)方法和手段，了解大規(guī)?？删幊碳呻娐返幕窘Y(jié)構(gòu)，掌握硬件描述語言verilog HDL，并能自如地應(yīng)用該語言在FPGA上設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字系統(tǒng)，能夠設(shè)計(jì)出具有一定應(yīng)用性的芯片。并且在整個(gè)理論教學(xué)過程中應(yīng)加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用的能力。在教學(xué)過程中應(yīng)該以學(xué)生為中心，避免像傳統(tǒng)的教學(xué)方式那樣，只是把知識(shí)從教師傳送到學(xué)生，達(dá)不到知識(shí)的融會(huì)貫通。要突出學(xué)生對(duì)知識(shí)的探索能力、發(fā)現(xiàn)能力和對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，并完成整個(gè)知識(shí)體系的主動(dòng)建構(gòu)與應(yīng)用。

在整個(gè)教學(xué)過程中通過案例讓學(xué)生完成知識(shí)體系的構(gòu)建。首先是根據(jù)FPGA課程的教學(xué)內(nèi)容需要，建立完整的案例系統(tǒng)，使得案例設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程涵蓋所學(xué)的基礎(chǔ)理論與知識(shí)，同時(shí)引入對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的常見應(yīng)用如：基于FPGA的控制系統(tǒng)，音頻、視頻采集系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用等；通過案例可以發(fā)現(xiàn)FPGA設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的問題和解決方案，并將此過程貫穿課程的教學(xué)始終。案例教學(xué)過程中，在提供了高質(zhì)量的案例之后，要提供給學(xué)生案例相關(guān)資料，引導(dǎo)學(xué)生閱讀并進(jìn)行討論；讓學(xué)生自主地建立案例設(shè)置的情境，構(gòu)建整個(gè)案例系統(tǒng)。因?yàn)橛袑?shí)際的案例應(yīng)用作為依托，因此能夠激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行靈活應(yīng)用，達(dá)到從基礎(chǔ)理論知識(shí)的接受到靈活應(yīng)用的目的。

二、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革

（一）發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的作用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境依托于DE II實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，使用它可以完成基于FPGA的編程設(shè)計(jì)，還可以完成基于Nios軟核處理器的應(yīng)用項(xiàng)目編程和開發(fā)。該平臺(tái)提供了豐富的多媒體、儲(chǔ)存及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用接口，非常適合大學(xué)課程在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的一系列設(shè)計(jì)項(xiàng)目和非常復(fù)雜尖端的數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。

DE II實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的核心是一款的Cyclone II 的FPGA芯片，同時(shí)它還提供自由選擇的存儲(chǔ)卡以及一些高級(jí)的I/O 口驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具備有音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備。所以它對(duì)各類數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)來說是一個(gè)極其理想的開發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)，在以Altera Nios II為處理器的嵌入式應(yīng)用中也是一個(gè)理想工具。因此在FPGA課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)該充分發(fā)揮該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作用，除完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)增加一些常見的面向應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中充分利用開發(fā)板的資源，將FPGA設(shè)計(jì)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合。

（二）從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)向應(yīng)用性實(shí)踐轉(zhuǎn)變

以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)題目基本上是一些基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，題目之間關(guān)聯(lián)性很小，基本上是每個(gè)實(shí)驗(yàn)針對(duì)一定的基礎(chǔ)知識(shí)，很少能夠?qū)⒅R(shí)結(jié)構(gòu)整體統(tǒng)一。并且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)多停留在仿真模擬的環(huán)節(jié)，沒有辦法完成最終的實(shí)現(xiàn)。

為解決以上問題，該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上，合理地安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將每次設(shè)置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，最終能夠形成一個(gè)復(fù)雜的面向應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)，并將其在開發(fā)板上最終實(shí)現(xiàn)，投入使用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置要由淺入深，逐一將所學(xué)基本知識(shí)涵蓋在內(nèi)。并且最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，以此將FPGA設(shè)計(jì)的理論知識(shí)最終轉(zhuǎn)化為完成成品的有力工具，將理論融合在實(shí)踐中。并且要求學(xué)生對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程內(nèi)容進(jìn)行答辯，以此保證學(xué)生能夠認(rèn)真地參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。

三、采用多樣化的考核方式

FPGA課程是電路設(shè)計(jì)等專業(yè)的主干專業(yè)課，該課程面向于專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，因此考核方式改革的整體思路是將原有的面向于知識(shí)的考核方式，變?yōu)槊嫦蛴趹?yīng)用的考核方式。采用多樣化的考核方式，注重考核學(xué)生的綜合能力，最終的成績(jī)?cè)u(píng)定采用多種因素共同決定?？己诉^程匯總采用多種考核方式，分成多個(gè)考核階段，采用多種考核類型，強(qiáng)化學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)的能力，增加小論文、實(shí)驗(yàn)、課堂討論等環(huán)節(jié)的成績(jī)?cè)趯W(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定中的比重。

1.增加過程性階段考核內(nèi)容。為了增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意愿，采取分階段測(cè)試的方式，利用課堂時(shí)間進(jìn)行測(cè)試和課堂討論，該階段考核內(nèi)容主要側(cè)重于基本概念、基本方法的理解和掌握，使得學(xué)生進(jìn)一步融入課堂學(xué)習(xí)。

2.引入實(shí)驗(yàn)考核測(cè)試。在學(xué)習(xí)過程中，把設(shè)計(jì)性的實(shí)踐考核作為考核方式之一，不同階段設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)題目，讓學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從整體系統(tǒng)分析到最終的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。考核時(shí)依據(jù)學(xué)生最終的設(shè)計(jì)，并要求學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行綜合答辯，提交包含實(shí)現(xiàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的設(shè)計(jì)報(bào)告。以此培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力，以及總結(jié)表達(dá)的能力。

3.改革期末考試內(nèi)容?？荚噧?nèi)容側(cè)重點(diǎn)從基礎(chǔ)知識(shí)的掌握轉(zhuǎn)移到原理的分析和綜合應(yīng)用上，以教學(xué)大綱為依據(jù)，還要考查學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力以及學(xué)生對(duì)基本理論、基本知識(shí)和基本技能的應(yīng)用情況。具體考核方式計(jì)劃如表1所示。

表1考核方式計(jì)劃

針對(duì)像FPGA課程這樣具有很強(qiáng)應(yīng)用性、實(shí)踐性的課程，其教學(xué)方式改革應(yīng)從以下三個(gè)方面入手。

1.在FPGA課程的理論教學(xué)中，從案例入手，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用的能力。

2.在FPGA課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置具有應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)題目，提供相應(yīng)的案例讓學(xué)生自主完成，以此鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力。

3.FPGA考核環(huán)節(jié)中，由于課程實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性，修改考核方式，加大學(xué)習(xí)過程和實(shí)驗(yàn)所占成績(jī)比重，讓學(xué)生能夠從始至終投入精力到學(xué)習(xí)中，并通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣洪波等.基于開放實(shí)踐基地的FPGA課程體系研究[J].高師理科學(xué)刊，2013，(7).

[2]鄧茜，梁小朋.基于獨(dú)立學(xué)院的FPGA/CPLD課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].大眾科技，2012，(9).

[3]葉波，趙倩，林麗萍.FPGA課程教學(xué)改革探索[J].中國電力教育，2010，(24).

[4]余能輝.關(guān)于FPGA課程教學(xué)的實(shí)踐及其探索[J].南昌教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，(11).

摘要：隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已成為硬件設(shè)計(jì)的重要手段之一，F(xiàn)PGA課程教學(xué)在集成電路等電子類專業(yè)中所占據(jù)的地位越來越重要。針對(duì)這種實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的課程教學(xué)，文章從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式三方面入手，闡述了FPGA課程教學(xué)改革的方法。

關(guān)鍵詞：FPGA；考核方式；案例教學(xué)；數(shù)字系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-4107（2014）09-0008-02

基金項(xiàng)目：2013年度 哈爾濱理工大學(xué)高等教育教學(xué)研究項(xiàng)目“‘基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程改革研究與實(shí)踐”（C201300014）

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展與EDA開發(fā)工具功能的不斷完善為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，使得它已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的可編程邏輯器件之一。它以空前的速度和規(guī)模被應(yīng)用到各行各業(yè)中。由于基于FPGA的設(shè)計(jì)具有開發(fā)周期短、編程靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以FPGA技術(shù)非常適合在高等院校集成電路設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)中作為電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的載體。因此，這門課程在高校的集成電路設(shè)計(jì)類相關(guān)專業(yè)的教育中占據(jù)著極其重要的地位。

FPGA 課程教學(xué)的主要目的是利用現(xiàn)今先進(jìn)的EDA技術(shù)手段和方法，使用可編程邏輯器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成大型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這種方法是電子工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)所采用的一種重要方法和手段。并且學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，能夠掌握基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用方法。當(dāng)今的高等教育是開放的教育、創(chuàng)新的教育， 因此FPGA課程教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。把學(xué)生培養(yǎng)成為具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的高素質(zhì)的電子工程類技術(shù)人才。

一、注重理論教學(xué)方式改革

FPGA課程的教學(xué)目的主要是讓學(xué)生掌握可編程邏輯器件基本結(jié)構(gòu)，靈活應(yīng)用硬件描述語言完成基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握基于FPGA設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的基本原則和采用的各種優(yōu)化算法；將電路設(shè)計(jì)方法從傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向軟硬件高度協(xié)同的設(shè)計(jì)，以此讓學(xué)生全面掌握集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)字電路技術(shù)知識(shí)，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用，提高他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力以及工程實(shí)踐能力。

在FPGA課程的理論教學(xué)過程中需要學(xué)生掌握基本的電路設(shè)計(jì)方法和手段，了解大規(guī)?？删幊碳呻娐返幕窘Y(jié)構(gòu)，掌握硬件描述語言verilog HDL，并能自如地應(yīng)用該語言在FPGA上設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字系統(tǒng)，能夠設(shè)計(jì)出具有一定應(yīng)用性的芯片。并且在整個(gè)理論教學(xué)過程中應(yīng)加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用的能力。在教學(xué)過程中應(yīng)該以學(xué)生為中心，避免像傳統(tǒng)的教學(xué)方式那樣，只是把知識(shí)從教師傳送到學(xué)生，達(dá)不到知識(shí)的融會(huì)貫通。要突出學(xué)生對(duì)知識(shí)的探索能力、發(fā)現(xiàn)能力和對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，并完成整個(gè)知識(shí)體系的主動(dòng)建構(gòu)與應(yīng)用。

在整個(gè)教學(xué)過程中通過案例讓學(xué)生完成知識(shí)體系的構(gòu)建。首先是根據(jù)FPGA課程的教學(xué)內(nèi)容需要，建立完整的案例系統(tǒng)，使得案例設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程涵蓋所學(xué)的基礎(chǔ)理論與知識(shí)，同時(shí)引入對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的常見應(yīng)用如：基于FPGA的控制系統(tǒng)，音頻、視頻采集系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用等；通過案例可以發(fā)現(xiàn)FPGA設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的問題和解決方案，并將此過程貫穿課程的教學(xué)始終。案例教學(xué)過程中，在提供了高質(zhì)量的案例之后，要提供給學(xué)生案例相關(guān)資料，引導(dǎo)學(xué)生閱讀并進(jìn)行討論；讓學(xué)生自主地建立案例設(shè)置的情境，構(gòu)建整個(gè)案例系統(tǒng)。因?yàn)橛袑?shí)際的案例應(yīng)用作為依托，因此能夠激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行靈活應(yīng)用，達(dá)到從基礎(chǔ)理論知識(shí)的接受到靈活應(yīng)用的目的。

二、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革

（一）發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的作用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境依托于DE II實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，使用它可以完成基于FPGA的編程設(shè)計(jì)，還可以完成基于Nios軟核處理器的應(yīng)用項(xiàng)目編程和開發(fā)。該平臺(tái)提供了豐富的多媒體、儲(chǔ)存及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用接口，非常適合大學(xué)課程在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的一系列設(shè)計(jì)項(xiàng)目和非常復(fù)雜尖端的數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。

DE II實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的核心是一款的Cyclone II 的FPGA芯片，同時(shí)它還提供自由選擇的存儲(chǔ)卡以及一些高級(jí)的I/O 口驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具備有音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備。所以它對(duì)各類數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)來說是一個(gè)極其理想的開發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)，在以Altera Nios II為處理器的嵌入式應(yīng)用中也是一個(gè)理想工具。因此在FPGA課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)該充分發(fā)揮該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作用，除完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)增加一些常見的面向應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中充分利用開發(fā)板的資源，將FPGA設(shè)計(jì)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合。

（二）從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)向應(yīng)用性實(shí)踐轉(zhuǎn)變

以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)題目基本上是一些基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，題目之間關(guān)聯(lián)性很小，基本上是每個(gè)實(shí)驗(yàn)針對(duì)一定的基礎(chǔ)知識(shí)，很少能夠?qū)⒅R(shí)結(jié)構(gòu)整體統(tǒng)一。并且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)多停留在仿真模擬的環(huán)節(jié)，沒有辦法完成最終的實(shí)現(xiàn)。

為解決以上問題，該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上，合理地安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將每次設(shè)置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，最終能夠形成一個(gè)復(fù)雜的面向應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)，并將其在開發(fā)板上最終實(shí)現(xiàn)，投入使用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置要由淺入深，逐一將所學(xué)基本知識(shí)涵蓋在內(nèi)。并且最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，以此將FPGA設(shè)計(jì)的理論知識(shí)最終轉(zhuǎn)化為完成成品的有力工具，將理論融合在實(shí)踐中。并且要求學(xué)生對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程內(nèi)容進(jìn)行答辯，以此保證學(xué)生能夠認(rèn)真地參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。

三、采用多樣化的考核方式

FPGA課程是電路設(shè)計(jì)等專業(yè)的主干專業(yè)課，該課程面向于專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，因此考核方式改革的整體思路是將原有的面向于知識(shí)的考核方式，變?yōu)槊嫦蛴趹?yīng)用的考核方式。采用多樣化的考核方式，注重考核學(xué)生的綜合能力，最終的成績(jī)?cè)u(píng)定采用多種因素共同決定?？己诉^程匯總采用多種考核方式，分成多個(gè)考核階段，采用多種考核類型，強(qiáng)化學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)的能力，增加小論文、實(shí)驗(yàn)、課堂討論等環(huán)節(jié)的成績(jī)?cè)趯W(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定中的比重。

1.增加過程性階段考核內(nèi)容。為了增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意愿，采取分階段測(cè)試的方式，利用課堂時(shí)間進(jìn)行測(cè)試和課堂討論，該階段考核內(nèi)容主要側(cè)重于基本概念、基本方法的理解和掌握，使得學(xué)生進(jìn)一步融入課堂學(xué)習(xí)。

2.引入實(shí)驗(yàn)考核測(cè)試。在學(xué)習(xí)過程中，把設(shè)計(jì)性的實(shí)踐考核作為考核方式之一，不同階段設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)題目，讓學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從整體系統(tǒng)分析到最終的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？己藭r(shí)依據(jù)學(xué)生最終的設(shè)計(jì)，并要求學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行綜合答辯，提交包含實(shí)現(xiàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的設(shè)計(jì)報(bào)告。以此培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力，以及總結(jié)表達(dá)的能力。

3.改革期末考試內(nèi)容?？荚噧?nèi)容側(cè)重點(diǎn)從基礎(chǔ)知識(shí)的掌握轉(zhuǎn)移到原理的分析和綜合應(yīng)用上，以教學(xué)大綱為依據(jù)，還要考查學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力以及學(xué)生對(duì)基本理論、基本知識(shí)和基本技能的應(yīng)用情況。具體考核方式計(jì)劃如表1所示。

表1考核方式計(jì)劃

針對(duì)像FPGA課程這樣具有很強(qiáng)應(yīng)用性、實(shí)踐性的課程，其教學(xué)方式改革應(yīng)從以下三個(gè)方面入手。

1.在FPGA課程的理論教學(xué)中，從案例入手，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用的能力。

2.在FPGA課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置具有應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)題目，提供相應(yīng)的案例讓學(xué)生自主完成，以此鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力。

3.FPGA考核環(huán)節(jié)中，由于課程實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性，修改考核方式，加大學(xué)習(xí)過程和實(shí)驗(yàn)所占成績(jī)比重，讓學(xué)生能夠從始至終投入精力到學(xué)習(xí)中，并通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

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[4]余能輝.關(guān)于FPGA課程教學(xué)的實(shí)踐及其探索[J].南昌教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，(11).