基于FPGA項(xiàng)目式技能培養(yǎng)的“電子信息”課程體系改革與探討

徐運(yùn)武+李艷

摘 要：通過EDA技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與電子信息技術(shù)專業(yè)多門課程知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，可幫助電子信息專業(yè)的學(xué)生將所學(xué)課程以知識(shí)模塊的形式連接成一個(gè)完整的數(shù)字通信系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱對(duì)學(xué)生缺少吸引力，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性、創(chuàng)造性的問題，采取以“項(xiàng)目教學(xué)法”“案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”“小組討論教學(xué)法”以及“學(xué)生示范教學(xué)法”等教學(xué)方法，改變考核方式，將教與學(xué)、理論與實(shí)際緊密結(jié)合，幫助學(xué)生建立對(duì)通信系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)他們分析和解決實(shí)際問題的能力，提高實(shí)際操作技能。

關(guān)鍵詞：EDA；電子信息；課程體系；項(xiàng)目教學(xué)法

中圖分類號(hào)：TP39；G712.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-0-03

0 引 言

將《數(shù)字通信技術(shù)》《EDA技術(shù)及應(yīng)用》《移動(dòng)通信技術(shù)》等電子信息技術(shù)專業(yè)多門課程有機(jī)結(jié)合，以幫助電子信息專業(yè)學(xué)生建立課程體系結(jié)構(gòu)，將所學(xué)課程以知識(shí)模塊的形式連接起來，形成一個(gè)完整的數(shù)字通信系統(tǒng)。但從本院近幾屆電子信息專業(yè)學(xué)生的知識(shí)掌握情況來看，由于缺乏系統(tǒng)、科學(xué)的學(xué)習(xí)方法和積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，電子信息專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果差強(qiáng)人意，對(duì)后續(xù)就業(yè)產(chǎn)生了較大影響[1]。因此非常有必要形成一門專業(yè)課程體系，闡明各課程在實(shí)際通信系統(tǒng)中的作用和意義。

1 電子信息課程教學(xué)中面臨的問題

（1）學(xué)生沒有明確的學(xué)習(xí)目的，因此提不起學(xué)習(xí)興趣。如《數(shù)字通信技術(shù)》《高頻電子技術(shù)》和《移動(dòng)通信技術(shù)》等課程理論性非常強(qiáng)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主動(dòng)權(quán)掌握在教師手中，學(xué)生處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。在教學(xué)過程中，教師先講解與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的理論知識(shí)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作演示，學(xué)生通常只需在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的插接連線、信號(hào)測(cè)試等工作，最后提交簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)報(bào)告即可。在這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，教學(xué)內(nèi)容多以單純驗(yàn)證與相關(guān)理論內(nèi)容為主。過分強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)課作為理論課的驗(yàn)證手段導(dǎo)致出現(xiàn)了一系列問題：學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)氣氛沉悶；忽視對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)；教師知識(shí)更新不及時(shí)[2]，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法反映通信發(fā)展的最新水平；實(shí)驗(yàn)過程缺乏創(chuàng)造性，無法滿足社會(huì)對(duì)技能人才的要求；缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的客觀考察與激勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生的評(píng)價(jià)機(jī)制。

（2）對(duì)于《EDA技術(shù)及其應(yīng)用》等課程的教學(xué)，教師應(yīng)把授課重點(diǎn)放在程序設(shè)計(jì)語言的基本語法講授和掌握上，所選的編程實(shí)例大多用于語法規(guī)則的驗(yàn)證和說明，僅從程序設(shè)計(jì)語言的使用這一角度進(jìn)行教學(xué)，或講授的內(nèi)容以針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)為主，如加法器，觸發(fā)器等，與電子信息專業(yè)課程或?qū)I(yè)領(lǐng)域內(nèi)的具體項(xiàng)目聯(lián)系甚少，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生在學(xué)完本課程后“吃不透、用不活”，對(duì)程序中出現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤不知所措，在開發(fā)較大應(yīng)用程序時(shí)不知該從何入手。經(jīng)過幾次失敗后[3]，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性逐漸減退，很難實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)效果。

2 教學(xué)改革模式的實(shí)施

2.1 理論教學(xué)改革

精心規(guī)劃實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。高職教育理念以就業(yè)為導(dǎo)向，專業(yè)理論基礎(chǔ)教學(xué)要以“夠用”“適用”為原則。為此，在高職課程教學(xué)內(nèi)容改革上，針對(duì)高職院校電子信息類課程的教學(xué)實(shí)際，力求滿足以學(xué)生為本、體現(xiàn)應(yīng)用的教學(xué)要求。一方面要引導(dǎo)學(xué)生掌握課程內(nèi)容的基本概念、應(yīng)用方法和內(nèi)在關(guān)聯(lián)；另一方面，要突出重點(diǎn)、抓住要點(diǎn)和解決難點(diǎn)，提出“以線帶點(diǎn)”的改革思路，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)線關(guān)聯(lián)、線主點(diǎn)重”的學(xué)習(xí)內(nèi)容安排，對(duì)課程的內(nèi)容體系進(jìn)行改革[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革

構(gòu)建完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，分層次組織實(shí)踐教學(xué)，針對(duì)電信專業(yè)課程理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)豐富的特點(diǎn)，建立感性的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)。因此，通過幫助學(xué)生建立通信系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)他們分析和解決實(shí)際問題的能力，提高實(shí)際操作技能，并將此作為實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，建立驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)層層遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系。

模塊一：數(shù)字基帶信號(hào)模塊

設(shè)計(jì)項(xiàng)目1：基于FPGA的曼徹斯特碼設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目2：基于FPGA的HDB3碼設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目3：基于FPGA的單、雙極性NRZ碼設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目4：基于FPGA的極性交替反轉(zhuǎn)碼AMI碼設(shè)計(jì)；

模塊二：數(shù)字編解碼模塊

設(shè)計(jì)項(xiàng)目1：基于FPGA的線性分組碼編譯碼器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目2：基于FPGA的循環(huán)碼編譯碼器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目3：基于FPGA的奇偶校檢碼編譯碼器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目4：基于FPGA的卷積碼編譯碼器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目5：基于FPGA的交織與解交織器設(shè)計(jì)。

模塊三：數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊

設(shè)計(jì)項(xiàng)目1：基于FPGA的2ASK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目2：基于FPGA的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目3：基于FPGA的2PSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目4：基于FPGA的2DPSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目5：基于FPGA的CMPSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目6：基于FPGA的QPSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

模塊四：數(shù)字同步模塊

設(shè)計(jì)項(xiàng)目1：基于FPGA的巴克碼發(fā)生器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目2：基于FPGA的序列檢測(cè)器設(shè)計(jì)；

設(shè)計(jì)項(xiàng)目3：基于FPGA的位同步提取電路設(shè)計(jì)。

模塊五：數(shù)字通信系統(tǒng)模塊的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，利用前四個(gè)模塊生成元件符號(hào)，在頂層設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示[5]。

模塊六：綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目：CDMA通信系統(tǒng)模塊的FPGA設(shè)計(jì)。

通過對(duì)以上各模塊的設(shè)計(jì)，使學(xué)生既能準(zhǔn)確理解數(shù)字通信系統(tǒng)的組成及各模塊的作用，又能夠熟練掌握EDA硬件描述語言，為后續(xù)開發(fā)芯片打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。endprint

2.3 以項(xiàng)目組織實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

以項(xiàng)目組織實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)一個(gè)或兩個(gè)具體項(xiàng)目，做到“人人有項(xiàng)目”，由組內(nèi)其他學(xué)生負(fù)責(zé)輔助工作。實(shí)驗(yàn)室提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電腦仿真平臺(tái)、自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等實(shí)驗(yàn)條件，各組學(xué)生可根據(jù)自身情況自由選擇實(shí)驗(yàn)方式[6]。

2.4 改革實(shí)驗(yàn)考核方式，建立新實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有通信專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為兩個(gè)模塊，即課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和期末集中實(shí)訓(xùn)或課程設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)考核將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)考核計(jì)入課程成績(jī)，將集中實(shí)訓(xùn)或課程設(shè)計(jì)作為單獨(dú)的課程計(jì)分。這種實(shí)驗(yàn)考核方式割裂了實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，不利于實(shí)驗(yàn)課程的改革，應(yīng)采取將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和期末集中實(shí)訓(xùn)或課程設(shè)計(jì)統(tǒng)一為一門課程的考核方式?？己藘?nèi)容可覆蓋實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和成果、實(shí)驗(yàn)難度等方面，建立完整的數(shù)字通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)體系，體現(xiàn)“強(qiáng)調(diào)過程，重視結(jié)果”的考核思想。實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)體現(xiàn)在項(xiàng)目組成員互評(píng)、教師觀察兩個(gè)方面[7]。

3 以“ 交織-解交織的FPGA設(shè)計(jì)”為例，將移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)之一與EDA緊密結(jié)合

交織技術(shù)實(shí)質(zhì)包括發(fā)送端的交織和接收端的解交織。在發(fā)送端，編碼后的信息輸入交織器后，將連續(xù)的信息比特流以非連續(xù)的方式送入信道，此時(shí)若在信道中加入突發(fā)差錯(cuò)，則在接收端解交織時(shí)會(huì)將非連續(xù)的信息比特恢復(fù)成連續(xù)比特，同時(shí)會(huì)將突發(fā)差錯(cuò)轉(zhuǎn)換為隨機(jī)差錯(cuò)，然后再利用信道解碼的檢查糾錯(cuò)功能糾正隨機(jī)差錯(cuò)，從而提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本設(shè)計(jì)中交織+解交織結(jié)構(gòu)如圖2所示，由ROM模塊、計(jì)數(shù)器、RAM模塊和二選一選擇器組成， 本設(shè)計(jì)頂層電路圖和仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

（1）計(jì)數(shù)器模塊CNT的作用在于為選擇器提供順序地址，為只讀存儲(chǔ)器提供順序地址和讀寫控制信號(hào)。只讀存儲(chǔ)器中存放著交織地址，但這并不意味著只讀存儲(chǔ)器的輸入輸出方式是交織的，其輸出元素是交織的。該模塊元件符號(hào)中各端口作用：clk是時(shí)鐘信號(hào)，clr是清零信號(hào)，ena是使能信號(hào)，q是輸出。輸出顯示0～15位數(shù)字。主要作用在于讀取順序地址，與后面的交織地址對(duì)應(yīng)。

（2） 選擇器MUX2的主要功能是可進(jìn)行選擇，對(duì)地址過濾，當(dāng)需要順序地址時(shí)，計(jì)數(shù)器讀取后送到RAM1總線上，然后按照輸入的正常順序讀出來；若需要交織，則計(jì)數(shù)器的輸出就先送到ROM1地址總線，然后按照ROM1的交織地址按照交織順序輸出。圖中的d1和d2輸出sel，是選擇信號(hào)，即控制何時(shí)為交織何時(shí)為解交織。sel為“1”時(shí)交織，為“0”時(shí)解交織。q為輸出的結(jié)果。

（3）ROM1 只讀存儲(chǔ)器模塊用來存儲(chǔ)和輸出交織地址，其內(nèi)容何時(shí)讀出受計(jì)數(shù)器輸出控制，程序中的data信號(hào)用來輸出交織的地址。交織的數(shù)據(jù)已存放在ROM1表中，從這里得到最終的結(jié)果。我們預(yù)先把交織結(jié)果存放在ROM1表中，然后采用選擇器來控制輸出交織結(jié)果即可。

（4）RAM1模塊用來接收輸入的數(shù)據(jù)，受選擇器地址控制，并按選擇器地址輸出數(shù)據(jù)，但其讀寫并非同時(shí)進(jìn)行，映射了實(shí)際電路的時(shí)延[8]。

如本項(xiàng)目要求，學(xué)生要想完成任務(wù)，首先需要完全理解交織、解交織的原理與移動(dòng)通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也應(yīng)熟練掌握EDA硬件描述語言的語法和層次設(shè)計(jì)的方法，能夠熟練使用Quaaus II軟件。經(jīng)驗(yàn)證，該軟件比移動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)效果更好，也能為學(xué)生帶來更多的成就感。同時(shí)還可根據(jù)學(xué)生的能力，提出思考問題。若要改變交織深度，提高糾錯(cuò)能力，只需增加存儲(chǔ)器單元數(shù)量和地址線的位數(shù)即可。以項(xiàng)目完成情況提供考核標(biāo)準(zhǔn)，讓設(shè)計(jì)更加靈活。

4 改革目標(biāo)和擬解決的問題

（1）針對(duì)我院的辦學(xué)定位、人才培養(yǎng)情況和生源情況，制定了符合我院電子信息專業(yè)學(xué)生實(shí)際情況的數(shù)字通信技術(shù)、EDA技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、現(xiàn)代交換技術(shù)等課程標(biāo)準(zhǔn)與人才培養(yǎng)方案，考試大綱，編寫了實(shí)用教程與相關(guān)課程輔導(dǎo)書。

（2）編撰規(guī)范的EDA技術(shù)及應(yīng)用、通信原理課程習(xí)題試題集與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，盡可能編寫適合我專業(yè)學(xué)生的移動(dòng)通信技術(shù)、EDA技術(shù)及其應(yīng)用教材。

（3）開發(fā)學(xué)習(xí)環(huán)境，開放網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及系統(tǒng)，包括教室、學(xué)習(xí)資源網(wǎng)站、課件等。學(xué)生在校內(nèi)外可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自主學(xué)習(xí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的腦、眼、耳、手，使教學(xué)不再枯燥、教學(xué)效果更直觀，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果[9]。

（4）積極探索多種教學(xué)方法，并將其靈活運(yùn)用到課程教學(xué)中，如 “項(xiàng)目教學(xué)法”“案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”“小組討論教學(xué)法”以及“學(xué)生示范教學(xué)法”等，以各模塊設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（5）改變單一考核方式，提供約10套模擬考試題，針對(duì)某些操作性較強(qiáng)的科目設(shè)置了理論試題和機(jī)試試題，防止學(xué)生為了考試而被動(dòng)學(xué)習(xí)，提升了課程項(xiàng)目實(shí)踐在考核中的比重。

（6）利用我專業(yè)電子信息協(xié)會(huì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，根據(jù)學(xué)生興趣成立程序設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)興趣小組，提高學(xué)生對(duì)編程、做項(xiàng)目的積極性與動(dòng)手編程能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（7）改變傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，以實(shí)驗(yàn)箱為主，將示波器作為檢測(cè)波形工具，通過硬件調(diào)試驗(yàn)證理論知識(shí)的正確性。由于這種實(shí)驗(yàn)方法硬件電路的不穩(wěn)定性，需要通過調(diào)節(jié)一系列電位器后才能夠使波形輸出，實(shí)驗(yàn)效果不理想，沒有任何創(chuàng)新之處。若采用軟件編程方式，以任務(wù)項(xiàng)目為目標(biāo)，既可加深對(duì)理論知識(shí)的理解，又可靈活應(yīng)用軟件語言，并通過軟硬件的仿真驗(yàn)證，使結(jié)果更穩(wěn)定清晰，讓學(xué)生有一定的成就感，提高其學(xué)習(xí)興趣[10]。

（8）對(duì)比EDA技術(shù)與傳統(tǒng)電子技術(shù)設(shè)計(jì)方法，大大縮短了電路產(chǎn)品的研制周期，提高了產(chǎn)品的可靠性、降低了成本。日趨進(jìn)步和完善的EDA技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法而成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心，它是電子技術(shù)類課程教學(xué)改革的重要方向。將該技術(shù)與電子信息專業(yè)數(shù)字通信技術(shù)有效結(jié)合，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[11]。

5 結(jié) 語

本項(xiàng)目組成員擁有多年的電子信息專業(yè)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)《數(shù)字通信技術(shù)》《EDA技術(shù)及應(yīng)用》《移動(dòng)通信技術(shù)》《可編程控制實(shí)訓(xùn)》等相關(guān)課程之間的關(guān)系有深入研究，對(duì)各課程在通信系統(tǒng)中的作用非常明確，現(xiàn)已將《數(shù)字通信技術(shù)》《移動(dòng)通信技術(shù)》等多門通信專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與《EDA技術(shù)及應(yīng)用》有效結(jié)合，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]徐運(yùn)武.EDA技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（12）：94-96.

[2]王誠(chéng)，吳繼華，EDA先鋒工作室.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì) （基礎(chǔ)篇）[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3] S Sjohoim，L Lindl.用VHDL設(shè)計(jì)電子線路[M].邊計(jì)年，譯，北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[4]朱小龍.EDA 實(shí)踐教學(xué)與學(xué)生工程實(shí)踐素質(zhì)的培養(yǎng)[J].教育與職業(yè)，2010（33）：165-166.

[5]周澤湘，徐運(yùn)武.基于VHDL的QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（9）：89-90.

[6]王正勇，李國(guó)軍，霍福翠.EDA技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：高等教育出版社，2012.

[7]張艷，靳孝峰.對(duì)EDA技術(shù)課程教學(xué)改革的探討[J].教育與職業(yè)，2011（21）：143-144.

[8]徐運(yùn)武，李艷.基于CPLD分組與交織器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（12）：106-109.

[9]張熠，常春耘，楊英強(qiáng).信息化條件下電類專業(yè)教學(xué)資源建設(shè)的探討[J].中國(guó)電力教育，2011（1）：61-62.

[10]孫世菊，韓偉，王艷秋，等.高職電子信息類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的改革探索[J].中國(guó)科技信息，2010（10）：274-275.

[11]羅文超，徐釗，盛祥佐.一種基于DDS的QPSK調(diào)制器及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2007，47（4）：156-158.

[12]王正勇，李國(guó)軍，霍福翠.EDA技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint