ＶＨＤＬ實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與探索

[摘要]文中介紹了VHDL的主要特點(diǎn)，分析了妨礙學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣發(fā)展的原因，闡述了如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提出了一些VHDL實(shí)驗(yàn)課的改革設(shè)想，給出了以VHDL為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力的方法。

[關(guān)鍵詞]VHDL語(yǔ)言 實(shí)驗(yàn)興趣 CPLD/FPGA

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的高速處理電路采用CPLD/FPGA來(lái)設(shè)計(jì)。由于其高速度、高可靠性、高集成度等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制，智能儀器儀表，數(shù)據(jù)采集、通訊、數(shù)字圖象處理等領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中不可缺少的重要角色，所以學(xué)習(xí)硬件描述語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)已成為電子信息類學(xué)生必選課之一。

在VHDL學(xué)習(xí)中，理論與實(shí)踐是緊密聯(lián)系，相輔相成的，用理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，用實(shí)踐來(lái)加強(qiáng)理論。在教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課占據(jù)很大的比例是非常重要的，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)成為一個(gè)愉快的學(xué)習(xí)過(guò)程，發(fā)展學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，值得我們深入研究。

一、VHDL語(yǔ)言的主要特點(diǎn)

VHDL語(yǔ)言最早由美國(guó)國(guó)防部提出的。用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)字邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是電子電路設(shè)計(jì)方法上的一次革命性變革。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，VHDL描述電路行為的算法有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)層次較高、用于較復(fù)雜的計(jì)算時(shí)，能盡早發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，縮短設(shè)計(jì)周期。；(2)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，修改方便，系統(tǒng)硬件描述能力強(qiáng)；(3)可讀性好，有利于交流，適合于文檔保存；(4) VHDL語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、移植性強(qiáng)；(5) VHDL類型眾多而且支持用戶自定義類型，支持自頂而下的設(shè)計(jì)方法和多種電路的設(shè)計(jì)。

VHDL代碼與一般計(jì)算機(jī)程序代碼的異同：計(jì)算機(jī)程序是按CPU的時(shí)鐘節(jié)拍順序工作的，而VHDL是硬件描述語(yǔ)言的簡(jiǎn)稱，它與計(jì)算機(jī)程序代碼有本質(zhì)的區(qū)別，它是硬件的描述，而硬件是并行工作的，不過(guò)VHDL語(yǔ)言也借鑒了計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言的部分功能。

二、妨礙學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣發(fā)展的原因分析

1.實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容與形式不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生最感興趣的是那些有所了解卻又非完全已知、能夠引起思考的東西，而教材中的實(shí)驗(yàn)大多具有已知程序、已知實(shí)驗(yàn)結(jié)果的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)只需查找代碼后輸入即可，很容易流于重復(fù)與枯燥。

2.實(shí)驗(yàn)課與考試內(nèi)容脫節(jié)。由于實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容在考試時(shí)很難體現(xiàn)或是體現(xiàn)很少，因此，學(xué)生將大部分精力與時(shí)間用于理論課學(xué)習(xí)。上實(shí)驗(yàn)時(shí)，心中無(wú)數(shù)，只求機(jī)械地模仿教師的操作過(guò)程以完成實(shí)驗(yàn)，很少考慮實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題等，不能主動(dòng)地學(xué)習(xí)和思考。長(zhǎng)此以往，實(shí)驗(yàn)也就失去了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的意義。

3.教師的教育、教學(xué)思想和策略不當(dāng)。不少學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)小心翼翼、縮手縮腳，不敢大膽實(shí)驗(yàn)，害怕自己一不小心把實(shí)驗(yàn)儀器給弄壞了，所以在實(shí)驗(yàn)時(shí)采取避而遠(yuǎn)之的態(tài)度，在實(shí)驗(yàn)課上不能全身心地投入學(xué)習(xí)，抱著不求有功，但求無(wú)過(guò)的態(tài)度。教師在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)以身示范，鼓勵(lì)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)規(guī)則做實(shí)驗(yàn)，不要擔(dān)心損壞實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生放下思想包袱。培養(yǎng)學(xué)生的自信心和勇于探索的精神。

三、如何激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣

興趣是激發(fā)學(xué)生深入探索的動(dòng)力源泉，因此培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中的重中之重，CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)不僅能看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，而且能與實(shí)際生活相聯(lián)系。

1.發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用。在CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要著重引導(dǎo)學(xué)生有目標(biāo)、有重點(diǎn)地進(jìn)行訓(xùn)練，既重視硬件描述能力的培養(yǎng)，又注意養(yǎng)成科學(xué)思維方法。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要積極引導(dǎo)，使學(xué)生從內(nèi)心體驗(yàn)到他們親自動(dòng)手實(shí)踐而帶來(lái)的喜悅和成就感。有意識(shí)、有目的地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生持久的認(rèn)知興趣，使之不僅成為上好實(shí)驗(yàn)課的動(dòng)力，也能成為促進(jìn)學(xué)生心理品質(zhì)良好發(fā)展的重要因素。

2.對(duì)學(xué)生采取分層教學(xué)及個(gè)性化教學(xué)的方式。由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因?qū)W生的素質(zhì)和接受能力的不同，如果采用相同的題目會(huì)造成有的學(xué)生來(lái)不及做而有的學(xué)生無(wú)事可做的情況，因此除做好規(guī)定實(shí)驗(yàn)外，還可對(duì)部分學(xué)生增加探索性實(shí)驗(yàn)，綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等，以多種方式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

3.注重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度。由于CPLD/FPGA的靈活性較強(qiáng)，可以根據(jù)實(shí)際條件設(shè)立一些無(wú)現(xiàn)成教材，學(xué)生可自由發(fā)揮的實(shí)驗(yàn)題目，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生以科學(xué)的思維方式來(lái)觀察和獨(dú)立地分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，既有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣又有利于加深對(duì)理論的理解。同時(shí)，在CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)中會(huì)由于諸多原因（如源代碼錯(cuò)誤，或是目標(biāo)代碼錯(cuò)誤，接線錯(cuò)誤，等等）造成學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不能獲得預(yù)期的結(jié)果，這時(shí)一定要引導(dǎo)學(xué)生自己獨(dú)立地分析失敗原因，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思維的能力和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)態(tài)度。

4.重視教師專業(yè)業(yè)務(wù)能力的鍛煉。CPLD/FPGA在各個(gè)領(lǐng)域得到了的廣泛應(yīng)用。而我們的教師更多的是從學(xué)校走進(jìn)學(xué)校，未經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)上的實(shí)踐或?qū)嵺`較少。所以實(shí)驗(yàn)教師更應(yīng)走出去，接觸較為先進(jìn)的一線工廠實(shí)際，鍛煉自己的業(yè)務(wù)能力。

四、對(duì)現(xiàn)有CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)的一些改革設(shè)想

1.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。（1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)注意其可比性。例如，在學(xué)習(xí)運(yùn)用VHDL語(yǔ)言描述硬件電路時(shí)，由于這種語(yǔ)言不僅具有硬件特性而且還具有軟件特性，所以在學(xué)習(xí)時(shí)可以對(duì)比以前學(xué)過(guò)的C語(yǔ)言來(lái)理解其硬件描述思路。（2）設(shè)置必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，給學(xué)有余力的學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性和個(gè)性特長(zhǎng)的條件。例如，在三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，可將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成三相三拍驅(qū)動(dòng)和三相六拍驅(qū)動(dòng)。（3）鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生提出不同的設(shè)計(jì)方案和解題途徑，并能從中優(yōu)選最佳方案和途徑。

2.改革教學(xué)方法。（1）明確實(shí)驗(yàn)課的地位和目的，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性，讓學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)課，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”。（2）突出學(xué)生的主體地位。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)要精講多練，在教師的有效引導(dǎo)和組織下，以學(xué)生獨(dú)立活動(dòng)為主，教師教授為輔。

3.重視發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐作用。CPLD/FPGA有著廣泛的社會(huì)應(yīng)用。把實(shí)驗(yàn)課堂與社會(huì)課堂結(jié)合起來(lái)，組織課外參觀見(jiàn)習(xí)、技術(shù)創(chuàng)新等活動(dòng)，既拓展了學(xué)生的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力，又能使學(xué)生畢業(yè)后，適應(yīng)未來(lái)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.改革教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備?，F(xiàn)在，大多數(shù)學(xué)校的CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是從各個(gè)公司購(gòu)買的成套的實(shí)驗(yàn)箱，這種設(shè)備在一定程度上能夠鍛煉學(xué)生的硬件描述能力而無(wú)法鍛煉學(xué)生的硬件配置和芯片內(nèi)部資源運(yùn)用能力。因?yàn)閺墓举?gòu)買的成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，我們只能按照開(kāi)發(fā)人員預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且沒(méi)有硬件設(shè)計(jì)圖紙，我們對(duì)器件之間的接口，硬件之間的信號(hào)傳遞無(wú)從了解。因此，我們有必要自制一些CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)自制的CPLD/FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)備講解硬件描述和芯片資源分配，不僅能使學(xué)生在硬件語(yǔ)言描述方面而且還能使學(xué)生在硬件電路設(shè)計(jì)方面以及芯片資源分配等方面得到實(shí)踐的鍛煉，使學(xué)生在CPLD/FPGA應(yīng)用方面得到質(zhì)的提高，為以后工作中應(yīng)用CPLD/FPGA打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總之，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，只要我們教師懷著高度的責(zé)任感，注意探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)律，啟迪學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，營(yíng)造一種輕松、和諧的教育氛圍，便能為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)造力、思維能力等方面創(chuàng)造有利的條件，從而使知識(shí)與能力同步增長(zhǎng)，把素質(zhì)教育落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)：

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［2］ 徐玓 .HDL硬件描述語(yǔ)言教學(xué)實(shí)踐[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院黨報(bào)，2007，（01）.

（作者單位：吉林長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息學(xué)院）