基于verilog HDL的FPGA應用設(shè)計的高職課程教學探究

李志貴?劉睿強?周勝

摘 要：FPGA技術(shù)的相關(guān)課程具有實踐性和應用性非常強的特點，結(jié)合高職學生的實際情況，本文闡述了FPGA技術(shù)的課程教學改革的基本思路，旨在提高學生的團結(jié)協(xié)作、溝通交流和分析解決問題等能力，進一步滿足用人單位的需求，從而提高學生的就業(yè)競爭力。

關(guān)鍵詞：FPGA;高職課程

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，是1985年美國Xilinx公司率先推出的一種新型的可編程邏輯器件。其具有規(guī)模較大、集成高、靈活性強和實現(xiàn)邏輯范圍廣的特點。這些特點既克服了原有可編程邏輯器件規(guī)模小，又解決了專用集成電路投片成本高和開發(fā)周期長的不足。FPGA現(xiàn)常用于專用集成電路設(shè)計的原型驗證，以便及早發(fā)現(xiàn)仿真工具不容易發(fā)現(xiàn)的錯誤并及早更改，避免投片損失。隨著FPGA 技術(shù)的快速發(fā)展，其在視頻圖像處理、通信技術(shù)、數(shù)字信號處理和嵌入式等領(lǐng)域得到廣泛應用。

近年來，隨著國家對集成電路產(chǎn)業(yè)的高度重視，整個行業(yè)對FPGA相關(guān)的高素質(zhì)人才需求急劇增加。經(jīng)過大量的網(wǎng)絡調(diào)研，行業(yè)企業(yè)急需的崗位主要集中在基于FPGA的數(shù)字芯片原型驗證和FPGA應用設(shè)計兩方面。為滿足社會需求，各高校電子類相關(guān)專業(yè)開設(shè)了硬件描述語言和FPGA應用技術(shù)等相關(guān)課程。但是由于高職學生對數(shù)字電路和編程基礎(chǔ)等課程掌握不夠扎實，再加上學校實訓條件及師資的嚴重短缺，授課教師會有意識地偏重講授硬件描述語言等理論課程，而在FPGA應用技術(shù)方面投入的精力相對較少。這就直接導致高職學生理論知識學習效果差，實踐操作也未跟上，整體技能掌握的效果不佳，在就業(yè)時也就難以滿足企業(yè)的要求。因此，《FPGA應用設(shè)計》相關(guān)課程教學改革具有現(xiàn)實意義。

學校課程團隊成員就行業(yè)企業(yè)對FPGA人才的需求進行了詳細的調(diào)查與分析，同時提出了初步的課程整合方案，重新設(shè)計教學內(nèi)容，新增部分實踐教學內(nèi)容，重新制定了《FPGA應用設(shè)計》課程的考核及評價標準。課程整合主要包括《FPGA應用設(shè)計》和《verilog HDL硬件描述語言》兩門課程合二為一。在學生掌握硬件描述語言基本語法的同時，更加強調(diào)學生對FPGA器件的應用能力，鼓勵學生養(yǎng)成自主學習的能力，鼓勵學生加入成立的“工匠工坊”并積極參加相關(guān)的技能競賽，培養(yǎng)學生的工匠精神。從而提高學生的工學一體化的思想，并使學生潛移默化地形成創(chuàng)新性思維，具有行業(yè)企業(yè)認可的工程素質(zhì)和實踐能力?；谏鲜鏊枷?，課程改革的思路基于如下六點進行實施：

1）明確教學目標，滿足企業(yè)需求。即通過對集成電路相關(guān)企業(yè)級網(wǎng)絡進行調(diào)研，掌握企業(yè)對學生在FPGA技術(shù)方面的技能需求，從而進一步明確FPGA技術(shù)的教學目標。為應對各企業(yè)的發(fā)展方向不同，開發(fā)工具也不盡相同的情況。教學目標應該重基礎(chǔ)、多實踐。在扎實的理論基礎(chǔ)上，讓學生多接觸典型的開發(fā)工具及開發(fā)環(huán)境。

2）整合課程資源，改變教學形式。根據(jù)專業(yè)特點、企業(yè)需求和教學目標，對原FPGA技術(shù)相關(guān)課程的教學內(nèi)容進行深入分析，依據(jù)教學內(nèi)容的關(guān)聯(lián)程度，制定課程整合方案，調(diào)整教學計劃，合理安排授課內(nèi)容，做好銜接，充分利用教學資源。使學生同時掌握公司的典型開發(fā)環(huán)境，代碼編輯工具以及基本的系統(tǒng)級設(shè)計方法。

3）調(diào)整實訓計劃，提高學習興趣。Verilog硬件描述語言實驗通常以Modelsim仿真為主，基本只能通過波形確認代碼的正確性，顯示不夠直觀，學生的學習興趣大大降低。因此需要增加FPGA開發(fā)實訓項目，增加的實訓項目最好是肉眼可以直觀地觀察效果，其高學生的學習興趣，從而讓學生熟悉開發(fā)板結(jié)構(gòu)、核心器件及外設(shè)結(jié)構(gòu)、連接方式，真正能熟悉開發(fā)工具，熟練掌握開發(fā)流程，鼓勵學生多動手、多實踐，真正做到學以致用。

4）加強師資培訓，緊跟時代步伐。由于微電子行業(yè)技術(shù)更新快，新技術(shù)及新工具層推出層出不窮，而學校常常又遠離技術(shù)更新的核心區(qū)域。因此必須加強師資隊伍建設(shè)，進行定期的技術(shù)培訓，及時更新授課老師的知識體系。通過定期培訓，可以為課程中的開發(fā)工具及實訓內(nèi)容進程及時的更新，以和最新的行業(yè)企業(yè)需求保持一致。同時通過參加培訓，使授課教師能有更多的機會直接與企業(yè)行業(yè)的一線技術(shù)開發(fā)工程師進行面對面地交流。及時了解行業(yè)的最新動態(tài)、趨勢、技術(shù)和主流的開發(fā)工具，更好地將最新的設(shè)計理念及行業(yè)信息及時地傳達給學生，緊跟時代發(fā)展的步伐。

5）變革教學方法，模仿實際工作。傳統(tǒng)的教學方法強調(diào)以課堂為中心、以講授為主，而FPGA相關(guān)課程本身以實踐操作為主，過分地知識點講授會影響學生的積極性、主動性及創(chuàng)造性的發(fā)揮，從而影響教學的效果。在 FPGA 技術(shù)的教學中，根據(jù)講授的內(nèi)容，采用不同的教學方法。除了課堂講授外，在教學具體實例時還應多采用演示法。而FPGA技術(shù)的實踐性和應用性很強，實踐操作的課程設(shè)置應該設(shè)計必要的難度梯度，可分為基礎(chǔ)性實踐、提高性實踐和綜合性創(chuàng)新實踐。在實踐教學中要堅持“重基礎(chǔ)與技能、求綜合與創(chuàng)新”的改革思路，加強學生工程思維的訓練、分析并解決問題的能力，提高實踐教學體系的創(chuàng)新性、綜合性。除常規(guī)的課堂教學外，還應引導學生完成網(wǎng)絡學習的教學方式，提高學生的自主學習能力，并根據(jù)團隊協(xié)作的思想，根據(jù)學生的自身特點進行科學分組，在教學實施過程中大家取長補短，高效完成實踐任務，為每個小組的階段性成果在課堂上進行成果發(fā)布，鍛煉學生的語言表達能力。最后，還應設(shè)計對應的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，由教師引導，根據(jù)課程的特點，學生在網(wǎng)絡上查詢資料，每位同學提出自己的創(chuàng)新思想，再進行課堂討論、分析，調(diào)動每個學生的創(chuàng)新思維，最后形成的創(chuàng)新思想可以用于中國“互聯(lián)網(wǎng)+”和中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等競賽。

6）革新考核標準，全面綜合評價。傳統(tǒng)以教師印象為主的考核評價方式難以讓學生信服。因而通過以教師對每個學生在項目中完成任務比重、創(chuàng)新性思維、學生宣講內(nèi)容及表現(xiàn)加上學生互評的結(jié)果作為學生FPGA應用能力的綜合評價結(jié)果的方式進行評價會更加公平。這同時也全面考察了學生的團隊協(xié)作、動手實踐、交流溝通、分析解決問題的綜合能力。

通過課程改革，學生的學習興趣明顯提高，有參加技能競賽的意愿的學生也明顯增多。大多數(shù)同學能獨立完成程序的編寫，通過反復地訓練掌握FPGA設(shè)計流程，參加“工匠工坊”的學生能獨立完成小型的創(chuàng)新設(shè)計。

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