SOPC設計與應用實驗教學改革探索

鄧文娟，　朱兆優(yōu)，　鄒繼軍，　王海濤

(東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 南昌 330013)

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SOPC設計與應用實驗教學改革探索

鄧文娟，朱兆優(yōu)，鄒繼軍，王海濤

(東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 南昌 330013)

摘要：通過分析當前SOPC設計與應用課程實踐教學存在的問題，探討了為適應新技術發(fā)展的需要，針對以激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性為目的的實踐教學模式，提出了采用模塊化教學、分組開放性實驗、層次化考核相結合的教學方式。

關鍵詞：SOPC設計與應用；實踐；教學改革

鄧文娟，朱兆優(yōu)，鄒繼軍，等.SOPC設計與應用實驗教學改革探索[J].東華理工大學學報：社會科學版，2016，35(2)：181-183.

Deng Wen-juan, Zhu Zhao-you, Zou Ji-jun,et al.Exploration on experiment teaching of SOPC design and application[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(2)：181-183.

實驗教學是科學技術發(fā)展對高等教育提出的要求，是高等教育發(fā)展到一定階段的產物[1]。在歐美廣泛傳播的拉伊實驗教育學認為，“教育絕不能是被動地接受和吸收，而是主動的、創(chuàng)造的、建構的、積極的和活動的”； “教育中的因果關系非常復雜，需要通過實驗，在有意識的控制條件下，觀察引發(fā)的各種現(xiàn)象”[2]。近年來，我國在工程人才培養(yǎng)與產業(yè)需求之間出現(xiàn)一定程度的脫節(jié)，培養(yǎng)工程創(chuàng)新人才，是高校亟待解決的問題，而想要完成這一任務，實驗教學無疑起著巨大的作用[3-5]。

隨著高集成度、高性能、低成本的可編程邏輯器件FPGA(Field Programmable Gate Array)的出現(xiàn)，基于FPGA的SOC(System on Chip)，即SOPC(System on Programmable Chip)技術日益成為國際新技術的研究熱點[6]，并逐步成為IC設計發(fā)展的新方向。筆者結合個人多年來的實際教學實踐，探索SOPC的實驗教學的改革創(chuàng)新，努力尋找提高實驗教學質量的方法、以達到提高學生創(chuàng)新能力和設計能力的目的[7]。

1激發(fā)學習興趣，注重首次實驗課

SOPC課程是一門綜合性很強的課程，要求學生具備一定的C語言、EDA設計及嵌入式設計能力基礎，同時要求學生具備較強的軟件運用能力，因此學生學習難度大，容易產生畏難情緒。如何將學生“要我學” 轉變?yōu)椤拔乙獙W”，充分調動學生的主動積極性是這門課程學習的首要難題。

“興趣是最好的老師”，調動學生的學習興趣，是轉變學生學習觀念的有效途徑。在以往的課程實驗中，首次實驗課的內容往往較簡單，學生對課程很難有感官上的直接認識。因此，首次SOPC實驗課程中，應加入刺激學生感官的實驗操作內容。選擇往屆學生的綜合性實踐項目，如俄羅斯方塊游戲、顯示漢字或圖案等較有趣味性項目的演示。增加這樣的實驗，使學生對本門課程的認識更具體化了，雖然對具體設計技術還不理解，但是學習積極性提高了[8，9]。

2實驗教學層次化

東華理工大學電子專業(yè)的學生入校時基礎就有較大差別，加之前期課程掌握程度差別，以致學生對學習SOPC課程的理解程度上存在較大的不同。傳統(tǒng)實驗中，每位學生實驗的內容都相同，基礎好的學生覺得實驗太簡單，較短時間就完成了實驗，基礎差的學生短時間又消化不了，實驗效果很不好。鹽城師范學院的周殿鳳老師在SOPC實驗課程改革中采用了層次化的實驗方法[7]，筆者也用此方法進行了嘗試，取得了一定的效果，但也存在一些不足，因此在此試驗的基礎上做了一些相應的改進。

首先，每次實驗前，對每個班(約30人)的學生進行分組(驗證組、設計組及綜合組)，結合學生的前次實驗效果及學生的個人選擇，每次實驗進入到不同的分組中，隨著實驗的開展，每組學生人數(shù)也會調整。第1個實驗時，可能沒有學生選擇綜合組，最后一個實驗時，則可能沒有學生選擇驗證組。其中，驗證組基礎最弱，設計組中等，綜合組基礎最好。以要求完成的內容不同來區(qū)分，如流水燈實驗，對于驗證組學生，能根據(jù)實驗指導書上詳細的設計過程，修改實驗中遇到的錯誤，進行演示即為達到實驗目的；對于設計組學生，則要求在以上基礎上設計另外2種點亮方法；對于綜合組學生，則不僅需要增加點亮方法，還需要能變化指示燈速度。對于設計組、綜合組的額外要求，在實驗指導書上只有設計要求，沒有設計提示，需要學生自行設計。不同的要求可以杜絕學生抄襲，也可以真正實現(xiàn)因材施教，達到最優(yōu)教學效果。

東華理工大學實驗課程的開設是在理論課之外，學生每次實驗課程的時間是100分鐘，時間比較緊張，因此，理論課堂上簡要講述實驗課的具體要求，并進行演示，讓學生對所需要達到的實驗效果有直觀概念。

其次，隨著實驗難度的加大，很多學生無法在規(guī)定時間內完成，此時，要積極引導學生預習或者課外到開放實驗室完成實驗內容，最后多安排一次實驗來檢查學生利用課余時間補充完成的實驗。學生看到自己的設計效果時，學習興趣也隨之大大增加。

3實驗、實踐教學系統(tǒng)化

東華理工大學開設的SOPC課程為42學時理論+5次實驗+1周綜合課程設計，傳統(tǒng)實驗內容多以較單一知識點練習為主，這種實驗情況下，學生在綜合實踐周中完成課程設計要求困難較大，實驗過程中積累的經驗及程序作用不大。而且綜合實踐周教學時，一般學生還會有其它的理論學習任務，甚至有考試安排，因此僅有較少部分基礎很好的同學能夠完成綜合課程設計，其他大多數(shù)同學則盲目抄襲，實際達不到課程設計的目的。因此，綜合學生的基礎不同，我們將課程設計的題目分為不同的5組，具體舉例如表1所示。

表1　不同組別學生課程設計課題

5組課題中，第5組難度最大，第1組難度最小，不是選擇第5組就一定得優(yōu)秀，選擇第1組就一定不能得優(yōu)秀。當然，學生也可以根據(jù)自身興趣，憑借開發(fā)平臺提供資源，自選課題，學生自己帶著問題去做實驗，并積極尋找解決問題的辦法，以更好地提高設計能力。因為FPGA芯片本身是一張白紙，只要學生的嵌入式應用能力和硬件描述語言足夠好，是可以有較大的發(fā)揮空間，創(chuàng)造出無限可能。當然，Quartus II及Nios II軟件本身難度較大，網絡上又較難找到較多的參考文獻，因此，教師需要在這些方面作較詳細的指導，以免學生花費大量時間去摸索。

此外，還可提前下達課程設計任務，當學生完成第1個實驗后，對SOPC課程有了初步的認識，就可以讓學生選擇相應的課程設計課題，并引導學生根據(jù)所選擇的課題選擇相應的實驗。如學生選擇課題2則需要完成的實驗內容為：按鍵實驗、點陣屏實驗、定時器實驗、中斷實驗等；如學生選擇課題4則需要完成的實驗內容為：按鍵實驗、定時器實驗、中斷實驗、VGA控制實驗等。因此，設計的實驗內容遠遠超過需要完成的實驗個數(shù)并可供學生選擇。

經過以上改革，學生對于課程設計不再只是盲目應付，在一個個實驗進行過程中，課程設計需要完成的目標也逐步清晰，學生對完成課程設計也變得較有信心和興趣。

4實驗考核多樣化

對于實驗的考核，首先是注重過程的考核，教師指導學生制作一張記錄卡，記錄實驗操作考核過程。對于實驗報告則應根據(jù)組別不同而不同，對于驗證組，重點在于驗證結果的分析及實驗體會。對于設計、綜合組則注重于報告中介紹設計思路、設計過程的實現(xiàn)。對于有獨到見解及創(chuàng)新思想的學生，應給予積極的鼓勵和較好的成績。

對于綜合課程設計的考核則應分以下三個組成部分。

(1)課程設計開始前2周，學生每3人一組，以PPT方式，介紹設計方案。方案介紹時，其它組成員及任課教師可以提問，提高方案可行性。此階段著重考察學生的資料收集能力、分工協(xié)作能力、方案設計能力及表達能力。此環(huán)節(jié)成績占30%。

(2)課程設計操作部分完成后，同樣以小組進行答辯，演示實驗結果、達到的設計目標及有待改進的地方。此環(huán)節(jié)著重考察學生的動手操作能力、設計能力及表達能力。要求小組每個學生參與答辯，此環(huán)節(jié)成績占40%。

(3)課程設計報告部分，學生根據(jù)課題分工，完成自己的設計部分的報告內容，包括設計原理、硬件電路、軟件設計、調試過程、結果分析等，再由組長整理成一份課題完整報告。改變以往每位同學都書寫整個課題設計報告的情況，從而杜絕出現(xiàn)較嚴重的抄襲報告現(xiàn)象，避免浪費學生的時間。此環(huán)節(jié)成績占30%。

5結束語

在SOPC課程實踐教學改革探索過程中，分層次實驗、實踐是最大的改變，受到了學生的普遍歡迎?？己朔绞降母淖円彩且淮罅咙c，使得學生能夠真正重視實驗、完成實驗，教師也能從中找到優(yōu)秀學生并進一步加以培養(yǎng)[10]。經過兩個教學過程的實踐，學生普遍對SOPC這樣綜合性難度大的課程有了不一樣的認識。但SOPC課程改革中，仍然存在很多問題，比如實驗考核過程中，由于考核細化，教師工作量加大，有時候因為時間關系可能做得不夠細致、公平。另外，F(xiàn)PGA芯片及技術發(fā)展較快，相應開發(fā)板更新也比較快，這就要求實驗內容能夠較快更新。另一方面，教師及學生對于新技術的接受能力也是一個問題。

[參考文獻]

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[2] 瞿葆奎. 拉伊與《實驗教育學》[J]. 教育評論,1995(6):48-51.

[3] 王懷平,林剛勇. 電工電子類課程群實驗教學改革與實踐[J]. 中國電力教育,2011,27(4):117-118.

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[10] 崔永利,沈泓,李妍,等. SOPC嵌入式系統(tǒng)實驗教學探索與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實驗室科學,2011,14(6):16-18.

收稿日期：2015-09-22

基金項目：校級教改課題“應用型本科《SOPC設計技術》課程教學改革探索”。

作者簡介：鄧文娟(1981—)，女，江西高安人，碩士，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)、光電檢測等研究。

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3512(2016)02-0181-03

Exploration on Experiment Teaching of SOPC Design and Application

DENG Wen-juan,ZHU Zhao-you,ZOU Ji-jun,WANG Hai-tao

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013，China)

Abstract：This paper analyzes the problems existing in experiment teaching of the course SOPC design and application, and then explores the experiment teaching model for motivating students’ initiative and creativity, and puts forward the teaching methods which include modularized teaching content, open experiment with group style and graded examination.

Key Words：SOPC design and application; experiment; teaching innovation