“自頂向下”課程設(shè)計模式探索與實現(xiàn)

【摘 要】本文首先給出《可編程邏輯器件及應(yīng)用》課程的知識教學(xué)目標(biāo)和能力目標(biāo)。接著，研究了該課程目前的教學(xué)狀況，在對照傳統(tǒng)“自底向上”教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，為引入新的課程設(shè)計模式-“自頂向下”模式，指出該模式的優(yōu)點，并將該模式應(yīng)用到《可編程邏輯器件及應(yīng)用》課程。實踐證明，該方法對高職學(xué)生是行之有效的。

【關(guān)鍵詞】自頂向下 課程設(shè)計 可編程邏輯

《可編程邏輯器件及應(yīng)用》課程是我院電子信息工程技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)方向必修課。本課程的任務(wù)是：通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生具備FPGA基礎(chǔ)開發(fā)、實例開發(fā)和高級應(yīng)用的能力，提高工程實踐能力，學(xué)會應(yīng)用FPGA技術(shù)解決一些簡單的電子設(shè)計問題。

一、課程知識教學(xué)目標(biāo)和能力目標(biāo)

1.知識教學(xué)目標(biāo)

第一，了解EDA技術(shù)的由來、可編程邏輯器件的發(fā)展歷程、傳統(tǒng)的電子線路設(shè)計與EDA技術(shù)的區(qū)別及聯(lián)系，了解可編程邏輯器件PLD結(jié)構(gòu)、特點、功能描述、輸出配置、一般性測試等。

第二掌握Quartus Ⅱ的安裝，掌握在Quartus Ⅱ的軟件平臺上進(jìn)行邏輯設(shè)計的幾種輸入方法、掌握設(shè)計項目的編譯、仿真、定時分析、引腳設(shè)置和下載等。

第三，掌握硬件描述語言VHDL的程序結(jié)構(gòu)、語言要素、描述風(fēng)格、仿真、綜合等。

第四，掌握幾種有限狀態(tài)機設(shè)計方法，包括Moore型有限狀態(tài)機和Mealy型有限狀態(tài)機。

第五，掌握SOPC和數(shù)字系統(tǒng)相關(guān)的概念，例如SOPC與MCU，SOPC與Nios，F(xiàn)PGA與SOPC的聯(lián)系和區(qū)別，了解SOPC設(shè)計的特點和優(yōu)勢。

第六，熟悉SOPC設(shè)計流程，掌握SOPC builder硬件設(shè)計流程和Nios IDE軟件開發(fā)原理。

第七，了解Nios體系結(jié)構(gòu)，掌握數(shù)字系統(tǒng)硬件開發(fā)和軟件聯(lián)系和區(qū)別；了解Avalon總線的基本概念和工作原理。

第八，了解Nios II軟件設(shè)計流程及方法。

第九，掌握SOPC系統(tǒng)外圍設(shè)備的添加和配置，并了解其工作原理。

2.能力目標(biāo)

通過《可編程邏輯器件及應(yīng)用》的實踐教學(xué)，應(yīng)能使電子信息工程技術(shù)專業(yè)的學(xué)生借助Quartus II軟件進(jìn)行一般數(shù)字電路和系統(tǒng)FPGA設(shè)計。通過教學(xué)應(yīng)使學(xué)生獲得以下的能力。

第一，基本組合邏輯電路和時序邏輯電路的VHDL描述。

第二，簡單數(shù)字電路的設(shè)計，如7段數(shù)碼顯示譯碼器設(shè)計、簡易分頻器設(shè)計等。

第三，能設(shè)計簡單有限狀態(tài)機，如交通信號燈控制器設(shè)計等。

第四，對于簡單的數(shù)字系統(tǒng)能迅速得出其需求分析表，列出其硬件組成和軟件構(gòu)思等。

第五，能夠借助Quartus Ⅱ開發(fā)平臺完成一些簡單的SOPC嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，包括Nios系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗（流水燈實驗，JTAG UART通信實驗、按鍵中斷實驗、計數(shù)顯示實驗）和綜合實驗（電子樂器實驗）。

第六，培養(yǎng)學(xué)生軟件和硬件協(xié)同開發(fā)的能力以及團(tuán)隊合作精神。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

以本課程知識教學(xué)目標(biāo)和能力目標(biāo)的引導(dǎo)下，傳統(tǒng)的《可編程邏輯器件及應(yīng)用》教學(xué)模式越來越跟不上時代的步伐，主要問題在于：

1.“自底向上”的教學(xué)模式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不能滿足人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將整個知識系統(tǒng)分割成一個個基本知識單元，先從基本單元分析，然后講解由基本單元組成的基本模塊，再到子系統(tǒng)乃至整個知識系統(tǒng)，采用“自底向上”的方式。該方法思路清晰，內(nèi)容包含全面，教師授課流暢。這種教學(xué)模式較為常見，也比較成熟，但在電可編程邏輯器件日新月異的今天，這種教學(xué)模式缺點也非常鮮明。

可編程邏輯器件技術(shù)紛繁復(fù)雜，在現(xiàn)有的學(xué)時安排下，不可能面面俱到，過分糾纏于底層實現(xiàn)細(xì)節(jié)只能造成重點內(nèi)容不突出等問題。同時，多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)細(xì)節(jié)過程中，尚未看到結(jié)果已經(jīng)喪失了興趣，因此該模式不利于實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

2.教學(xué)案例多數(shù)為實驗驗證，不利于學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

實驗大多為驗證性實驗，學(xué)生幾乎都能完成實驗。學(xué)生很少動腦，削弱了培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)觀念進(jìn)行設(shè)計、仿真的實踐能 力，不利于學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的提高。另外在《可編程邏輯器件及應(yīng)用》課程的教學(xué)中仍采用傳統(tǒng)的教師傳授為主的教學(xué)形式，課堂的中心始終是教師，學(xué)生處于教學(xué)活動的參與者地位，是知識的被動接受者，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，慢慢的學(xué)生就會覺得課程枯燥，失去學(xué)習(xí)的積極性。

3.教學(xué)內(nèi)容設(shè)計不合理，仍然是本科高等教育的壓縮型

當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容仍然延續(xù)本科培養(yǎng)的模式，是對本科課程的簡單壓縮。實際上，高職課程是受教育者得到全面發(fā)展，并按照國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來主動掌握知識、發(fā)展能力、提高素質(zhì)，進(jìn)而實現(xiàn)高職教育培養(yǎng)目標(biāo)的一系列有序的學(xué)習(xí)活動（工學(xué)結(jié)合或理論實踐一體化的課業(yè)及其進(jìn)程）。按照這樣的定義，高職課程既不是本科課程的簡單壓縮，也不是工作過程的簡單復(fù)制。

三、新的課程模式探索

1.“自頂向下”教學(xué)模式

所謂“自頂向下”教學(xué)模式，就是指基于五層混合結(jié)構(gòu)，由“網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述—>應(yīng)用層—>運輸層網(wǎng)絡(luò)層—>數(shù)據(jù)鏈路層—>物理層”的順序組織教學(xué)內(nèi)容。

“自頂向下”教學(xué)模式具有以下優(yōu)點。

第一，從全局走向局部，盡早激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如，課程的第一堂課，就是給學(xué)生演示智能小車或者小型機器人，詳細(xì)說明操作要領(lǐng)及其功能，主要說明各功能對應(yīng)的的基本原理框架。這樣，從課程的開始就吸引學(xué)生的眼球，并引起學(xué)生濃厚的興趣，但也從一開始就給學(xué)生一點點滲透課程的基本內(nèi)容，既生動又不失深度，區(qū)別于純粹的只講操作不講原理的實踐操作類課程。

第二，以可編程邏輯器件為研究對象，緊扣實踐應(yīng)用環(huán)境。學(xué)生在看到可編程邏輯器件的應(yīng)用實例之后，同學(xué)們在產(chǎn)生濃厚興趣的同時也為課程提供了“看得見摸得著”的目標(biāo)。

第三，內(nèi)容重點突出，割舍底層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)等難以驗證的原理和技術(shù)，淡化相關(guān)基礎(chǔ)理論的作用，突出能夠解決實際問題的核心理論內(nèi)容。

2.教學(xué)模式改革實踐

筆者在講授《可編程邏輯器件及應(yīng)用》三個學(xué)期的經(jīng)歷中，依托所選取的教材及教學(xué)案例，采用“自頂向下”的教學(xué)模式，實踐證明，該方法對于高職學(xué)生是行之有效的。其具體實施方案如下：

第一，根據(jù)目前的教學(xué)大綱，制定合適的教學(xué)案例作為貫穿所有理論知識的實踐載體。

第二，根據(jù)商定的教學(xué)案例，采用“自頂向下”的教學(xué)方法修改大綱實施方案。以基本放大電路部分為例，如圖1。

第三，與企業(yè)工程師一起合作開發(fā)教學(xué)實踐載體。

第四，學(xué)生通過完成企業(yè)工作任務(wù)、參加競賽、參加企業(yè)培訓(xùn)等，獲得實踐技能。

第五，根據(jù)目前的教學(xué)方案設(shè)計，制定合適的課程考核評價機制。

第六，將設(shè)計的教學(xué)方案、考評機制等引入新學(xué)期本門課程的實際教學(xué)中，完善課程教學(xué)講義等教學(xué)文檔。

四、結(jié)論

本文將依托所選取的教材及教學(xué)案例，在《可編程邏輯器件及應(yīng)用》三個學(xué)期中采用“自頂向下”課程設(shè)計模式，并配套設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)改革措施，實踐證明，該方法對高職學(xué)生是行之有效的，有助于培養(yǎng)學(xué)生的興趣，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]王濤，吳振強，任平安.自頂向下還是自底向上？—論計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程教學(xué)模式[J].計算機教育，2011，24（26）：65-68.

[2]包秀榮.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路課程設(shè)計.教育教學(xué)論壇，2014，4：245-246.