基于FPGA 的新工科數(shù)字電路課程改革探索

王華東 晏中華 何 豐

（重慶郵電大學光電工程學院 重慶 400065）

0 引言

數(shù)字電路課程作為電子相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎課程，其課程建設和教學方法一直高校相關(guān)專業(yè)教師關(guān)注的重點。然而，隨著信息技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于傳統(tǒng)74 系列中規(guī)模芯片為基礎的數(shù)字電路課程教學內(nèi)容已經(jīng)無法滿足新形勢下電子工程相關(guān)專業(yè)教學的要求。為解決當前數(shù)字電路課程教學面臨的難題，更好地滿足新工科以及專業(yè)工程對數(shù)字電路的要求，許多高校數(shù)字電路課程團隊都做出了很多很好的課程改革工作，極大提升了數(shù)字電路課程教學的效果。[1-6]

在這些實踐中，將FPGA 引入數(shù)字電路課程，取代傳統(tǒng)的74 系列模塊已經(jīng)成為目前大多數(shù)數(shù)電課程團隊的共識，并且基于FPGA 平臺，提出了很多新的教學方法和考核手段，使得數(shù)字電路課程的教學更加注重學生的實踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的鍛煉。為解決目前我校數(shù)字電路課程教學中存在的問題，參考兄弟院校的改革經(jīng)驗，對如何將FPGA引入數(shù)字電路課程的教學工作，展開了探索研究。[5-7]

1 數(shù)字電路課程教學改革試點

選擇引入FPGA，需要選擇FPGA 設計電路的方式。多數(shù)兄弟院校采用VHDL 等邏輯語言的方式設計邏輯電路，但基于實際情況，數(shù)字電路課程學時有限，采用VHDL 進行數(shù)字邏輯電路對絕大多數(shù)學生不具備可行性，[7]因此采用原理圖設計的方式進行邏輯電路設計。這種方法的好處是和傳統(tǒng)的邏輯電路設計方法兼容，學生易于學習掌握，無需額外學習新的語言。FPGA 開發(fā)板選擇小腳丫開發(fā)板，開課后發(fā)給學生，供學生課后學習使用，學期末課程結(jié)束后回收開發(fā)板。目前教學試點進行了兩期，具體總結(jié)如下。

1.1 第一期教學改革試點

第一期課程試點的主要措施有：（1）制作EDA軟件和FPGA開發(fā)板的教學視頻，要求學生通過課后自行觀看教學視頻來掌握如何使用EDA軟件通過原理圖的方式設計和仿真邏輯電路；（2）布置兩次FPGA 課程設計作業(yè)，分別布置組合邏輯電路題目和時序邏輯電路題目。每次學生可以從多道題目中任選一道完成，課程設計題目考核結(jié)果計入平時成績，占總平時成績的30%，每次占15%。FPGA 開發(fā)板及EDA 軟件的相關(guān)學習資料放在QQ 群共所有同學下載。

試點結(jié)果顯示，大多數(shù)學生對于FPGA開發(fā)板用于數(shù)字電路課程學習都表現(xiàn)出較大的興趣。此外，在學習EDA 軟件使用方法中，學生會遇到各種問題，但大多數(shù)問題都高度相似，實際上可以通過總結(jié)常見問題來幫助學生快速掌握EDA軟件和FPGA 開發(fā)板的使用。這個結(jié)果實際上表明在不過分增加學生負擔的情況下，將FPGA 用于數(shù)字電路課程是可行的。這也是第一期試點的最大收益。試點中也出現(xiàn)了很多問題。首先是由于沒有約束，大多數(shù)學生在短暫的FPGA 學習后，很快便放棄學習，最后采用抄襲的方式完成FPGA 課程設計。其次，期末測試結(jié)果顯示，進行這種教學改革的班級，其數(shù)字電路課程的期末測試成績相比較未進行改革的班級并未得到提升，表明直接將FPGA開發(fā)板引入數(shù)字電路理論教學的實際，并沒有達到初始的預期。

對于第一次課程教學改革試點的結(jié)果進行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)未達到預期結(jié)果的因素可能包括以下幾個方面，第一：由于監(jiān)督未到位，實際上FPGA 學習流于形式，因此導致教學效果不理想。第二：FPGA 學習與傳統(tǒng)課程內(nèi)容獨立，試點增加了學生的學習負擔，但并沒有對理論課程學習帶來幫助。

1.2 第二期數(shù)電課程教學改革試點

為解決第一期試點中存在的問題，又開展了第二期教學試點工作。本期試點在前期方案基礎上進行了一些改進，主要有以下幾點：（1）在理論教學過程中，減少了部分傳統(tǒng)74 系列芯片使用的教學內(nèi)容，以減輕學生學習負擔；（2）所有的設計作業(yè)均要求學生在EDA 軟件和FPGA 開發(fā)板上完成，并驗證自行設計數(shù)字電路是否正確。（3）將兩次課程項目設計改成固定題目和自選題目，固定題目要求單人完成，考核由助教檢查完成情況；自選題目采用分組完成的方式，考核采用學生自行演示設計，各組之間相互打分，按分數(shù)排序給出最終成績的考核方式，以發(fā)揮學生主觀能動性，減少抄襲。

試點結(jié)果顯示，有接近一半左右的學生在課程中基本能夠掌握相關(guān)EDA 軟件的開發(fā)板的使用，主動完成相應的邏輯電路設計題目。其次，自主選題確實能夠有效激勵學生的主觀能動性和創(chuàng)新能力。如在考核中，部分同學基于FPGA 開發(fā)板，完成了諸如呼吸燈、翻閱障礙小游戲、斗地鼠、二人猜拳等有趣的FPGA 設計，達到了一定的預期。當然，考核中也出現(xiàn)了相同的設計題目，對此，在考核打分時制定了特殊的規(guī)則，所有成績在排序前需要進行加權(quán)處理，如果一個題目是該組獨有，加權(quán)系數(shù)為1，如果有兩組相同，加權(quán)系數(shù)為0.9，三組相同為0.85，四組及以上為0.8，希望能夠?qū)Τu現(xiàn)象有所懲罰。

在第二期試點發(fā)現(xiàn)了一些新的問題，主要有以下幾點：第一，由于設計作業(yè)均要求學生在FPGA 內(nèi)完成，使得作業(yè)的檢查很困難，作業(yè)完成完全依賴于學生的自覺性。后期檢查顯示接近一半的同學在無監(jiān)督的情況下，課程后期不會去主動完成設計作業(yè)。第二，傳統(tǒng)理論教學內(nèi)容和FPGA 學習存在一定的不兼容，前者重視74 系列模塊的使用方法，而后者的電路設計非常靈活，并不拘泥具體模塊的使用技巧。第三，在試點過程中，由于事先沒有對數(shù)字電路課程理論教學和實驗教學進行良好的協(xié)調(diào)，導致在教學內(nèi)容和教學方法上都產(chǎn)生了沖突，降低了學生的學習效率，也弱化了試點的效果。

2 數(shù)字電路課程教學下一階段探索思考

前期的試點，證實FPGA技術(shù)能夠應用于數(shù)字電路課程的理論教學當中，并且具有相比較傳統(tǒng)方法獨有的優(yōu)勢。然而實踐表明，要想讓FPGA 技術(shù)在數(shù)電課程能發(fā)揮更大作用，還需要解決很多現(xiàn)實的問題。在分析總結(jié)試點中存在的問題基礎之上，我們對如何開展下一階段數(shù)字電路課程改革探索有了初步的思路。具體包含以下幾個方面：

第一，數(shù)字電路課程理論教學和實驗教學涉及FPGA部分的內(nèi)容進行統(tǒng)一規(guī)劃，并根據(jù)理論教學和實驗教學自身的特點，重新分配教學內(nèi)容和考核內(nèi)容。譬如，將EDA 軟件的教學以及FPGA開發(fā)板的使用方法學習放在課后和實驗課上，并且實驗室提供資源更為豐富功能更為強大的FPGA 開發(fā)板以提供學生進行更深入的學習研究。

第二，對數(shù)字電路課程理論教學內(nèi)容進行優(yōu)化調(diào)整，減少傳統(tǒng)教學中的74 芯片使用方法的相關(guān)內(nèi)容，增加模塊化設計邏輯電路的內(nèi)容。在不增加學生學習負擔的基礎上，調(diào)整學習重點，培養(yǎng)學生的數(shù)字邏輯電路設計能力，同時激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，為學生后續(xù)課程學習及相關(guān)電子競賽打下好的基礎。

第三，優(yōu)化數(shù)字電路課程的考核方案。新的考核方案將繼承目前FPGA 測試中一些證明有效的方案(如學生FPGA 項目自主選題，學生自主對項目打分等)，并且結(jié)合傳統(tǒng)書面考核(如作業(yè)和測試)和FPGA 題目兩種方式，盡量發(fā)揮其各自的優(yōu)點，相互補充比較。此外，希望在未來進一步采用網(wǎng)絡手段，來提升考核測試的效率，降低教師的工作量。此外，解決如何有效監(jiān)督學生的學習是需要考慮解決的問題。

3 總結(jié)

可以看到，今后的數(shù)字電路課程將從目前的74 系列芯片體系轉(zhuǎn)移到FPGA 體系。如何適應這種變化是目前所有高校數(shù)字電路課程教學團隊面臨的挑戰(zhàn)。本文介紹了我們在將FPGA 引入數(shù)字電路課程理論教學試點過程中的一些嘗試，總結(jié)了課程改革試點中的經(jīng)驗，也對試點中存在的問題展開了分析，并介紹了后續(xù)進一步課程改革的思路，希望能夠得到相關(guān)同行對我們工作的建議和指導，使得我們能更好地開展今后的數(shù)字電路課程的改革工作。