基于FPGA技術(shù)的參與式教學(xué)在“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程中的應(yīng)用

張琥石 陳妮 何婷婷 黃千芮 莫寧寧

廣西醫(yī)科大學(xué) 廣西南寧 530021

1 研究背景

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門(mén)主干課程，在整個(gè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中具有重要地位。此門(mén)課程作為“單片機(jī)原理與應(yīng)用”“醫(yī)用傳感器”等多門(mén)專業(yè)課的前置課程，要求學(xué)生不僅需要掌握其基本理論知識(shí)，還要求學(xué)生能系統(tǒng)地掌握和應(yīng)用數(shù)字電路進(jìn)行電路分析、應(yīng)用和設(shè)計(jì)，這些技能可以稱得上生工專業(yè)的“看家本領(lǐng)”。

然而在實(shí)際教學(xué)中，此門(mén)課的實(shí)際教學(xué)效果并不是很好，從教師和學(xué)生兩個(gè)角度進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前的“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)主要存在“四個(gè)脫節(jié)”。

(1)教學(xué)內(nèi)容與數(shù)字電路的前沿發(fā)展趨勢(shì)脫節(jié)。數(shù)字電路是一門(mén)新興學(xué)科，發(fā)展日新月異，每年都涌現(xiàn)大量的新技術(shù)、新產(chǎn)品。而目前我們使用的教材中很多內(nèi)容已經(jīng)陳舊過(guò)時(shí)，與當(dāng)前數(shù)字電路的發(fā)展前沿脫節(jié)。目前FPGA早已成為數(shù)字電路領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，是數(shù)字電路未來(lái)的發(fā)展方向。然而在目前數(shù)字電路的實(shí)際教學(xué)中，幾乎沒(méi)有介紹FPGA的相關(guān)知識(shí)，反而用了很大篇幅講解TTL電路。

(2)理論課與實(shí)驗(yàn)課脫節(jié)。然而目前這門(mén)課的實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)存在著很多問(wèn)題，首先，實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)了大量74系列的TTL電路實(shí)驗(yàn)，而TTL系列屬于淘汰產(chǎn)品[1]，學(xué)生無(wú)法從中學(xué)習(xí)數(shù)字電路最前沿的知識(shí)；其次，目前的實(shí)驗(yàn)大部分屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)知道結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程只是機(jī)械地重復(fù)操作，這樣無(wú)益于學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)；再次，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)課時(shí)所限，只能設(shè)計(jì)一些小規(guī)模電路實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)容量小，無(wú)法涵蓋理論課的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，有一些知識(shí)點(diǎn)學(xué)生無(wú)法通過(guò)實(shí)踐來(lái)鞏固。綜上所述，目前的實(shí)驗(yàn)課設(shè)置是存在問(wèn)題的，與理論課相脫節(jié)。

(3)傳統(tǒng)的授課方式與當(dāng)前課程的實(shí)際需求相脫節(jié)。傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生聽(tīng)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式顯然無(wú)法在一節(jié)課的時(shí)間里講明講透很多復(fù)雜的數(shù)字電路知識(shí)點(diǎn)。因此，傳統(tǒng)教學(xué)模式在“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)中就遇到了困難，影響了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的理解。

(4)課前、課中、課后脫節(jié)。“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”每次課有三個(gè)學(xué)時(shí)，時(shí)間長(zhǎng)，課程信息量大，因此老師多次強(qiáng)調(diào)必須要做課前預(yù)習(xí)，以保證聽(tīng)課效果。然而由于本門(mén)課程的課本和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)內(nèi)容多，難度大，學(xué)生很難在沒(méi)有老師的指導(dǎo)下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，這就使學(xué)生容易產(chǎn)生倦怠感。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，僅有3.3%的學(xué)生認(rèn)真進(jìn)行了預(yù)習(xí)，而60.71%的學(xué)生認(rèn)為課本的資源沒(méi)有整體導(dǎo)航，無(wú)從看起。課后作業(yè)是鞏固知識(shí)的重要手段，但因?yàn)閷W(xué)生在課中掌握的知識(shí)點(diǎn)不牢，課后作業(yè)寫(xiě)起來(lái)也困難重重，最終大部分流于應(yīng)付。

FPGA(Field Programmable Gate Array)全稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列，是近年來(lái)廣泛使用的一種數(shù)字電路，代表了數(shù)字電路發(fā)展的最前沿技術(shù)，器件屬于專用集成電路中的一種半定制電路，是可編程的邏輯列陣，能夠有效地解決原有的器件門(mén)電路數(shù)較少的問(wèn)題，具備速度快、功耗低、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字電路的設(shè)計(jì)[2]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式也在發(fā)生著變化，參與式教學(xué)進(jìn)入了我們的視野。參與式教學(xué)是指以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生需求設(shè)計(jì)富有趣味、意義和挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，運(yùn)用多種教學(xué)方法營(yíng)造輕松和諧的課堂氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生積極、平等參與到教學(xué)過(guò)程中的一種學(xué)習(xí)方法[3]。教師作為協(xié)助者、引導(dǎo)者等角色，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，使學(xué)生積極參與到課堂中來(lái)，在互動(dòng)中建構(gòu)知識(shí)、提高能力、體驗(yàn)情感、激發(fā)潛能。

基于FPGA技術(shù)和參與式教學(xué)的這些特點(diǎn)，我們將FPGA技術(shù)引入目前的數(shù)字電路教學(xué)中，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸數(shù)字電路的最前沿技術(shù)。運(yùn)用參與式教學(xué)方法將這一全新的技術(shù)教授給學(xué)生，讓學(xué)生更好地參與到教學(xué)過(guò)程中來(lái)。而利用參與式教學(xué)表現(xiàn)力強(qiáng)、便于師生互動(dòng)的特點(diǎn)，解決目前教學(xué)中出現(xiàn)的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、理解困難等難題。因此，基于FPGA技術(shù)，在“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程中開(kāi)展參與式教學(xué)中是有實(shí)際意義的。

2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇

FPGA的教學(xué)是基于開(kāi)發(fā)板展開(kāi)的，我們選用了小腳丫STEP-MXO2二代FPGA開(kāi)發(fā)板，此板采用了DIP40封裝，板卡尺寸為52mm×18mm，小巧精致，攜帶方便。另外，板載資源也是十分豐富，包含4路輕觸按鍵、4路撥碼開(kāi)關(guān)、8路用戶LED、2路RGB_LED三色燈[4]。其最大的優(yōu)勢(shì)是體積小巧、引腳齊全，學(xué)生即使不在實(shí)驗(yàn)室也可以使用。此板還提供了大量外接模塊，使用杜邦線連接后即可拓展功能，完全符合我們的教學(xué)需求。

FPGA是一個(gè)很大的概念，其中包含了眾多的知識(shí)點(diǎn)，然而并不是要在一個(gè)學(xué)期的“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”教學(xué)中教授全部的這些知識(shí)點(diǎn)，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，我們要根據(jù)學(xué)生和課時(shí)的實(shí)際情況，選出適合出現(xiàn)在我們的“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)之中的知識(shí)點(diǎn)，將適合以參與式教學(xué)為載體的知識(shí)點(diǎn)傳授給學(xué)生。

在知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置上，主要分為硬件和軟件。軟件上要掌握的知識(shí)點(diǎn)為Verlog HDL語(yǔ)言、Quartus Prime軟件的使用、ModelSim仿真軟件的使用。硬件知識(shí)主要是介紹開(kāi)發(fā)板的硬件資源與接口，以及各拓展模塊的硬件電路。理論課與實(shí)驗(yàn)課互相結(jié)合，開(kāi)展參與式教學(xué)，把新的知識(shí)點(diǎn)盡快融入整門(mén)課的教學(xué)體系。

本項(xiàng)目在相關(guān)教育教學(xué)理論的指導(dǎo)下，依托參與式教學(xué)，在“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程中引入FPGA相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，以達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量、提高教學(xué)效果、滿足學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)熱情的目的，與課堂授課相結(jié)合，解決目前教學(xué)中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題。

3 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

引入FPGA相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，開(kāi)展參與式教學(xué)。參與式教學(xué)終究只是手段，目的是要把它運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)中，順利引入FPGA知識(shí)點(diǎn)，提升教學(xué)水平。本項(xiàng)目擬將基于FPGA知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)展參與式教學(xué)。

在橫向上，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將一節(jié)實(shí)驗(yàn)課分為“課前模塊”“課中模塊”和“課后模塊”三個(gè)模塊。在縱向上，將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)相結(jié)合，開(kāi)展參與式教學(xué)。

根據(jù)參與式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，將一次課分為“課前模塊”“課中模塊”“課后模塊”三大部分。

“課前模塊”，準(zhǔn)備“課前引入材料包”，這個(gè)材料包包括PPT、視頻、圖片、微課等多種教學(xué)素材，素材力爭(zhēng)做到較好的交互性與趣味性，目的是讓學(xué)生對(duì)這節(jié)課要講授的知識(shí)先進(jìn)行學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)。同時(shí)利用“小腳丫”開(kāi)發(fā)板不在實(shí)驗(yàn)室也可以使用的特點(diǎn)，讓學(xué)生在“引入包”的引導(dǎo)下提前接觸實(shí)驗(yàn)，接觸開(kāi)發(fā)板，在自行摸索的過(guò)程中激發(fā)學(xué)生思考，做到帶著問(wèn)題進(jìn)入課堂，同時(shí)能夠吸引學(xué)生，使學(xué)生能更好地參與到教學(xué)過(guò)程中。

“課中模塊”，在參與式教學(xué)中，教師主要起引導(dǎo)作用，在上課前，隨機(jī)抽取幾位學(xué)生用PPT講述一下自己在課前學(xué)習(xí)的收獲、遇到的問(wèn)題。老師通過(guò)他們的講述，掌握學(xué)生課前自學(xué)的情況，找出他們學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)也引起學(xué)生的共鳴。針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，開(kāi)展參與式教學(xué)。根據(jù)大家的討論結(jié)果，教師做到“有的放矢”，有針對(duì)性地開(kāi)始授課。在授課過(guò)程中，講授到關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)時(shí)，再次與學(xué)生互動(dòng)，通過(guò)提問(wèn)的方式，再次加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)。

經(jīng)過(guò)課前的獨(dú)立學(xué)習(xí)及課中的反復(fù)學(xué)習(xí)鞏固應(yīng)用，學(xué)生會(huì)對(duì)FPGA知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)整體性了解和掌握，學(xué)生“主動(dòng)學(xué)習(xí)”為主，“被動(dòng)接受”為輔，教師“引導(dǎo)教學(xué)”為主，“包攬教學(xué)”為輔，培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升學(xué)生習(xí)熱情，為實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課后教學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)教師的教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展發(fā)揮著重要的導(dǎo)向作用，是促進(jìn)課堂教學(xué)模式改革、提高課堂教學(xué)有效性的重要手段。

“課后模塊”針對(duì)學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)，有針對(duì)性地布置課后作業(yè)，并通過(guò)各類社交軟件與學(xué)生保持交流，及時(shí)解決學(xué)生作業(yè)中的問(wèn)題。通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)生作業(yè)完成的情況，教師及時(shí)掌握學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握的情況。

通過(guò)開(kāi)展參與式教學(xué)，構(gòu)建“課前、課中、課后教學(xué)模塊”，極大地拓寬了課程的寬度與廣度，讓一節(jié)課可以容納更多的內(nèi)容。同時(shí)也極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與興趣，讓學(xué)生更好地參與到整個(gè)教學(xué)過(guò)程中。因此，我們可以借助參與式教學(xué)，改變以往數(shù)字電路課程老師主講的傳統(tǒng)方式，本課題將把參與式教學(xué)與FPGA技術(shù)相結(jié)合，以參與式教學(xué)為媒介，在“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程中引入FPGA相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為主體，構(gòu)建“課前—課中—課后”三位一體的教學(xué)模式，充分參與式的教學(xué)特點(diǎn)打破時(shí)空的限制，使得學(xué)生能更好地參與到教學(xué)過(guò)程中，提升教學(xué)效果。

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而目前的實(shí)驗(yàn)課由于課時(shí)的限制，只能設(shè)置一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)雜、耗時(shí)多的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則難以展開(kāi)。這就導(dǎo)致學(xué)生缺乏自己設(shè)計(jì)電路的經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)重影響了學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。而引入FPGA相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，增加了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度，課時(shí)更顯吃緊。而參與式教學(xué)可以很好地解決這一問(wèn)題，該方法打破了“課上—課下”的限制，學(xué)生可以通過(guò)“課前模塊”學(xué)習(xí)FPGA實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，這樣在實(shí)驗(yàn)課的有限時(shí)間內(nèi)，就能完成一個(gè)較復(fù)雜的FPGA設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)引入?yún)⑴c式教學(xué)，可以對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)課模式進(jìn)行改革，加入更多的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這樣不僅能加深學(xué)生對(duì)數(shù)電知識(shí)的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

4 實(shí)施效果

選取20級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生作為對(duì)照組，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)；而選取21級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生作為觀察組，開(kāi)展基于FPGA的參與式教學(xué)。通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷，以及期末成績(jī)對(duì)比，比較兩種教學(xué)方式的教學(xué)效果。

調(diào)查問(wèn)卷主要包含“對(duì)本門(mén)課程理論課教學(xué)滿意程度”“對(duì)本門(mén)課程理實(shí)驗(yàn)課課教學(xué)滿意程度”以及對(duì)“本次課的課堂氛圍滿意程度”，選項(xiàng)5分為最滿意，1分為最不滿意，以下為調(diào)查結(jié)果。

圖1 理論課滿意度問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

圖2 實(shí)驗(yàn)課滿意度問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

從上面的統(tǒng)計(jì)可以看出，觀察組在三個(gè)調(diào)查中給出4分以上的人數(shù)比例增多，而2分以下的人數(shù)明顯減少。因此我們可以得出結(jié)論，通過(guò)引入FPGA相關(guān)知識(shí)，開(kāi)展參與式教學(xué)，能夠活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能更好地參與課堂活動(dòng)，顯著提升學(xué)生課堂滿意度。

課堂教學(xué)完成后，比較兩班期末成績(jī)，分析兩種教學(xué)方法下學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。

兩組學(xué)生期末平均分比較表

從上表中可以看出，觀察組的學(xué)生成績(jī)比對(duì)照組的學(xué)生高出了12.1分。因此我們可以認(rèn)為，通過(guò)開(kāi)展參與式教學(xué)，學(xué)生能夠更好地吸收和理解所教授的知識(shí)點(diǎn)，起到了提升課堂教學(xué)效果的作用。

5 結(jié)論

將FPGA內(nèi)容引入“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程，增加了課程內(nèi)容，增大了課程的難度，學(xué)生學(xué)習(xí)與理解遇到了新的問(wèn)題。本研究創(chuàng)造性地引入了參與式教學(xué)法，以參與式教學(xué)法為媒介，向?qū)W生教授FPGA相關(guān)知識(shí)。構(gòu)筑了“課前”“課中”“課后”三個(gè)模塊，針對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行量身定做，選用最適合的方式進(jìn)行展示，這樣知識(shí)點(diǎn)經(jīng)過(guò)精心編排，實(shí)現(xiàn)主題突出，內(nèi)容具體。極大地拓展了課程的寬度與廣度，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生參與到整個(gè)教學(xué)過(guò)程中來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好地掌握FPGA相關(guān)知識(shí)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，較之傳統(tǒng)的教學(xué)方法，該教學(xué)模式能顯著提高學(xué)生的參與度與課堂滿意度，提升教學(xué)效果，能夠解決目前在“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，是一套行之可效的教學(xué)方法。