《FPGA應(yīng)用開發(fā)》課程教學(xué)探討

賀敬凱

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院，廣東 深圳 518172）

引言

FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從原來的通信擴展到消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、測試測量等廣泛的領(lǐng)域，隨著FPGA應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對應(yīng)用人才的需求量越來越大，要求也越來越高。

FPGA應(yīng)用開發(fā)是電子類專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的技術(shù)主干課，本文作者長期從事FPGA應(yīng)用開發(fā)課程的教學(xué)，在教學(xué)過程中，注重校企合作，關(guān)注教學(xué)效果。經(jīng)過長期的教學(xué)洗禮和經(jīng)驗積累，作者對于FPGA應(yīng)用開發(fā)課程的教學(xué)逐漸形成了獨特的教學(xué)理念和實際可操作的、行之有效的措施。作者稱之為“以典型工作任務(wù)貫穿的項目實踐教學(xué)模式”。下面在教學(xué)實踐基礎(chǔ)上，著重從教學(xué)內(nèi)容和載體的改進完善措施以及教學(xué)理念兩個方面進行提煉，以推廣該類課程的教學(xué)思路和教學(xué)方法。

1 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)載體

教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)載體的選擇是重中之重，它涉及到要教授給學(xué)生的知識以及傳授知識的路徑。而FPGA類課程的實踐性非常強，選擇課程內(nèi)容和課程載體就顯得尤為重要。

1.1 精心選擇課程載體

這是非常重要的內(nèi)容，對課程的成敗起決定性作用。經(jīng)過多年實踐經(jīng)驗，作者總結(jié)出了“以開發(fā)板承載教學(xué)內(nèi)容”的教學(xué)理念。以前的教學(xué)大多用實驗箱承載教學(xué)內(nèi)容，但是實驗箱價格昂貴，更換周期長，與技術(shù)進步保持同步比較困難，相較而言，開發(fā)板成本低、數(shù)量多、可以做到三年一更新，可以最大程度地與最新技術(shù)保持同步。最近在教學(xué)過程中，作者也大力提倡“口袋實驗室”的教學(xué)理念?？诖鼘嶒炇沂菍﹂_發(fā)板作為載體的一種認可和延伸；口袋實驗室就是可以隨身攜帶的一塊開發(fā)板，可以隨時隨地做實驗，并且外留擴展接口，容許用戶使用面包板或萬能板搭建電路，并使用擴展接口連接到開發(fā)板上進行試驗。目前，作者在課堂上一直使用的開發(fā)板，包括Altera cycloneII EP2C8Q208開發(fā)板和Xilinx spartan3E xc3S100E開發(fā)板，教學(xué)時可以每個學(xué)生1套。

1.2 精心選擇課程內(nèi)容

在校企合作的基礎(chǔ)上，作者提煉了27個典型工作任務(wù)及其對應(yīng)的知識點。整個課程內(nèi)容則以27個典型工作任務(wù)為主線，按著知識遞進、難度遞進的原則，根據(jù)任務(wù)的知識點來組織內(nèi)容[1]。27個典型工作任務(wù)如表1所示。

表1 FPGA應(yīng)用開發(fā)典型工作任務(wù)

詳細的任務(wù)描述和對應(yīng)的知識點，以及內(nèi)容的編排，請參考文獻[1]。這些任務(wù)都基于FPGA開發(fā)板，任務(wù)的結(jié)果都通過開發(fā)板展現(xiàn)出來，直觀易懂。

1.3 修訂和完善教學(xué)設(shè)計，合理配置理論課和實踐課比例

每學(xué)年，學(xué)校都會統(tǒng)一安排時間組織教研室來優(yōu)化和完善教學(xué)設(shè)計。教研室根據(jù)一年來的實踐經(jīng)驗，會把優(yōu)秀的經(jīng)驗固化到課程設(shè)置和課程內(nèi)容中。本課程目前已明確是一門核心實踐教學(xué)課程，已將理論教學(xué)和實踐教學(xué)的比例確定為1:3，強調(diào)學(xué)生的實際動手和解決問題的能力的培養(yǎng)。為了使實踐教學(xué)發(fā)揮出更大的作用，作者一直堅持一次課安排4個學(xué)時，集中完成一個任務(wù)或相關(guān)聯(lián)的幾個知識點。其中，第一學(xué)時講解本次實踐課所需要的理論知識，“細講+粗講”相結(jié)合，細講的內(nèi)容在教材上，講完后要做到學(xué)生當場消化吸收，粗講的內(nèi)容還需要學(xué)生自己查資料才能消化吸收；后三學(xué)時則要求學(xué)生完成實驗的基礎(chǔ)部分和拓展部分。邊講理論邊實踐，理論與實踐的結(jié)合，既起到了理解和掌握理論知識的作用，又起到了理論指導(dǎo)實踐的作用。

2 教學(xué)理念

在教學(xué)實踐過程中，除了傳授知識外，培養(yǎng)學(xué)生的興趣、自信、學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新意識也是課堂教學(xué)非常重要的內(nèi)容。

2.1 注重培養(yǎng)學(xué)生的興趣

注重學(xué)生興趣的培養(yǎng)體現(xiàn)在項目的設(shè)置上。在表1的27個任務(wù)中，大量設(shè)置了學(xué)生非常感興趣的實驗項目。例如：4個數(shù)碼管滾動顯示手機號碼、可以測量人的反應(yīng)時間的反應(yīng)測量儀、有漸變效果的呼吸燈、在VGA上顯示彩條、在VGA上顯示信息、帶有校時和鬧鈴功能的數(shù)字鐘，等等。這些任務(wù)，都在課堂教學(xué)過程中，受到了學(xué)生的喜愛，經(jīng)受了實踐的檢驗。隨著教學(xué)過程的深入，學(xué)生對本課程的興趣也在逐步提升。

2.2 注重培養(yǎng)學(xué)生的自信心

課程內(nèi)容由簡單到復(fù)雜，因材施教。課程的內(nèi)容力爭做到“人人有事做，人人有成果”。在27個任務(wù)中，每個任務(wù)都有基礎(chǔ)部分和拓展部分，基礎(chǔ)部分包含每個同學(xué)必須要獨立掌握的知識，相對簡單，完成任務(wù)后必須上交成果，該成果將作為期末成績評定的非常重要的部分。而拓展部分，相對較難，課堂上對學(xué)生不做特別的要求，但是對于能夠獨立完成的學(xué)生則會在期末評定上加分。從教學(xué)實踐的情況來看，基礎(chǔ)部分學(xué)生都會有成果，拓展部分只有部分學(xué)生能完成。有了成果，學(xué)生就會有一種成就感，就會顯得更加自信。

2.3 注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

課程的教學(xué)完全采用項目化教學(xué)，以多個項目貫穿于整個課程。而且，課堂選用的項目具有趣味性和實用性，可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。選擇實用的、簡單的一些產(chǎn)品作為課堂教學(xué)內(nèi)容，利用學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生自主完成這些項目。由于這些項目是日常生活中常見的、實用的內(nèi)容，所以可激發(fā)學(xué)生對這些項目工作原理的好奇心，并激發(fā)學(xué)生自主完成這個項目的意識，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。目前已經(jīng)在課堂上選用的項目包括：流水燈、呼吸燈、反應(yīng)測量儀、序列檢測器、數(shù)碼管滾動顯示信息、數(shù)字鐘、數(shù)字跑表等。文獻[2]的任務(wù)著重于課堂教學(xué)，而在課外，學(xué)生可以參閱文獻[1]和文獻[2]選擇一些個人感興趣的項目利用口袋實驗室完成。本課程能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，最明顯的一個體現(xiàn)就是：有許多同學(xué)在本課程的后半階段會主動向教師申請將開發(fā)板帶回宿舍學(xué)習(xí)。

2.4 注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

項目化教學(xué)中，每個項目的內(nèi)容均包括基礎(chǔ)實驗和拓展實驗?；A(chǔ)實驗在教材中會對實驗內(nèi)容作詳細的闡述，課堂上也會全面地講解，學(xué)生在理解實驗原理的基礎(chǔ)上，可以完成基礎(chǔ)實驗。而拓展實驗，則需要學(xué)生自主查找資料，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，才能實現(xiàn)。比如：“數(shù)字鐘”項目的基礎(chǔ)實驗是完成時、分、秒計數(shù)，能夠校時，以保證當前顯示的時間與當前北京時間一致；拓展實驗則包含“鬧鈴功能、整點報時功能、顯示日歷功能”等等。拓展實驗的設(shè)置，主要目的就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。從目前的實踐情況來看，班級中只有學(xué)習(xí)基礎(chǔ)扎實的那部分學(xué)生才能很好地完成拓展實驗。拓展實驗一方面開拓了學(xué)生的視野，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，這部分表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生可進一步培訓(xùn)選拔作為大賽的參賽學(xué)生。

3 結(jié)語

作者在教學(xué)過程中，不斷地充實和完善教學(xué)講義，每隔兩三年都會把自己的教學(xué)成果加以提煉，公開出版教材。2010年至今，針對“FPGA應(yīng)用開發(fā)”及相關(guān)課程已公開出版了4部教材[1～2]，其中在清華大學(xué)出版社出版了《Xilinx FPGA應(yīng)用開發(fā)（第2版）》，該書在第一版的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化了教學(xué)項目。

從2008年至今，該課程的課堂教學(xué)效果良好,年年獲得教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀。本文作者從2008年至今，幾乎每年都指導(dǎo)學(xué)生參加全國省市各級各類技能大賽，參賽學(xué)生都是通過課堂教學(xué)發(fā)現(xiàn)的，然后再經(jīng)過進一步選拔和培養(yǎng)，截至目前，已獲得了省一等獎4項、省二等獎1項、市一等獎1項、市二等獎3項的成績。

課程教學(xué)要與時俱進，本文介紹的“以典型工作任務(wù)貫穿的項目實踐教學(xué)模式”還需要緊隨時代步伐，在研究學(xué)生群體學(xué)習(xí)規(guī)律的基礎(chǔ)上不斷改進完善。

參考文獻：

[1]賀敬凱.Xilinx FPGA應(yīng)用開發(fā)（第2版）[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2017.

[2]賀敬凱.Verilog HDL數(shù)字設(shè)計實訓(xùn)教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2012.