探究CDIO理念下的專業課程實驗教學體系建設

◆趙剛

(西南石油大學計算機科學學院)

探究CDIO理念下的專業課程實驗教學體系建設

◆趙剛

(西南石油大學計算機科學學院)

高等學校專業教學計劃中的課程實驗教學在整個人才培養體系中占有極其重要的地位，它不僅可幫助學生驗證課堂所學知識與訓練基本技能，更重要的是對深入實施素質教育、切實培養學生具備學思結合、知行統一的探究精神與創新思維、實現培養創新性人才的目標而起著舉足輕重的作用。因此，隨著我國高等教育改革與研究步伐的加快，進一步開展專業課程的實驗教學體系研究與建設顯得十分有必要。

“可編程邏輯系統設計”是許多工科院校計算機相關專業的一門必修課程，它作為“數字邏輯”、“微型計算機技術”等原理性課程的后續及若干技術性課程的前導，對實踐環節的要求較高，尤其可體現實驗教學體系的作用和地位。因此，本文擬結合我校近幾年在該課程的建設與教學方面經驗，就高校工科類專業課程的實驗教學體系建設與目前先進的CDIO工程教育理念的融合提出以下的觀點與思考，以期與廣大高校教師共同探討。

一、規劃實驗教學內容

實驗教學內容必須緊扣課程的教學目標與教學內容，且在學時分配上應結合課程的性質進行總體考慮。因此，按照我校的教學計劃制訂原則，本課程總的學時被分配為56學時，而在具體制訂教學大綱時，我們參考了教育部計算機科學與技術專業教學指導委員會的建議，將實驗學時設定為26學時，基本達到了理論與實踐1:1的學時分配比例，從而首先為教學目標的順利達成提供了較為充足的學時保障。

課程共安排了8個必須完成的實驗項目，除第一個項目為幫助學生掌握IDE集成開發環境的基本使用方法、認識一般可編程邏輯系統設計的輸入、綜合及仿真等主要環節外，其它七個項目則基于由淺入深、由點及面的原則，依次安排了驗證型、設計型、以及綜合型等三類不同性質的實驗。

在3個驗證型實驗中，加法器設計共分配4學時，通過1位加法器及n位加法器的設計練習，使學生加深對VHDL設計中行為描述、數據流描述與網表描述等三種不同描述風格的認識，同時達到對基本程序設計方法的熟練掌握目的;譯碼器設計共分配2學時，通過3－8譯碼器及7段碼譯碼器的設計練習，使學生快速掌握VHDL程序的基本結構及其編程方法，并進一步加深對系統設計的硬件適配及配置下載環節的認識和理解;而計數器設計實驗同樣分配2學時，通過對4位同步加、減法計數器的設計，使學生能較好地掌握同步時序控制的基本方法，同時掌握LPM參數化模塊庫中的功能塊調用方法。

在3個設計型實驗中，交通信號燈控制器設計實驗共分配4學時，通過設計一個簡單的交通燈信號控制器，使學生掌握利用ASM算法狀態機設計同步時序系統的方法，加強認識狀態機的典型VHDL程序結構;ADC控制器設計實驗共分配4學時，通過設計ADC0809或ADS801的工作控制器，對比A/D轉換過程的軟件與硬件控制方法，進一步鞏固利用狀態機實現同步時序系統的知識;乘法器設計實驗共分配4學時，通過8位移位相加乘法器的設計，幫助學生理解可編程邏輯系統設計中的自頂向下設計思想，掌握原理圖與VHDL編程相結合的混合設計方法。

課程最后通過設計一個簡單微處理器系統，使學生認識并理解復雜時序系統的狀態機劃分方法，培養學生綜合運用各類構建塊和狀態機思想進行系統設計的能力，并提供較為充分的開拓創新空間。

二、搭建實驗教學平臺

要圓滿完成實驗教學內容，順利實現實驗教學目標，一定需要兼具高性能、高可靠性和高效率的配套實驗教學平臺，以支持學生在課內外方便地將自己的實驗設計在硬件電路中進行實際驗證，從而幫助其對所學習知識內容的理解、消化與接收。

就“可編程邏輯系統設計”課程而言，長期以來國內市場上缺乏合適的實驗教學平臺。為此，我校組織教師自行研制了一種基于FPGA(即在線可編程門陣列器件)的綜合實驗教學系統，并以此為平臺支持本課程及其后續課程的實驗教學需要。該系統采用一塊Altera公司的新一代中規模FPGA產品CycloneⅡEP2C35，不僅可滿足本課程的各項基本實驗教學任務需要，同時還配以眾多豐富的外圍設備，可很好地支持開展綜合性較強的實驗項目。系統采用完全開放式結構，充分保證在教學過程中能讓學生接觸到所有硬件資源，從而加深對設計的理解和認識，為在課程實驗教學中組織學生擴展進行其它應用性、創新性實驗提供了條件基礎。

同時，為方便學生在課外繼續進行實驗，我校教師還研制了一種便攜式實驗系統，盡管其FPGA片內資源及外圍設備相對較少，但仍然配置了較為完整的功能設備，并具備了輕便、小巧的優點，可供學生隨身攜帶至圖書館、教室、實驗室和寢室等各種場合，從而達到課程實驗教學的延伸與拓展。兩類系統基于同一廠家的FPGA產品系列，且功能結構設計完全一致，因此可保證學生在一套系統上所做的實驗設計能輕易在另一套系統上進行調試與驗證，二者共同構成了本課程的實驗教學平臺。

三、探尋實驗教學模式

不可否認的是，長期以來我國高校傳統的實驗教學模式一直存在著這樣的問題。由于制訂專業教學計劃與課程教學大綱的習慣性思維方式，一般來講，大多數課程的實驗教學內容均與理論教學(更加準確地講，應該是課堂講授)內容合在一起而存在，且在學時比例分配上有著前者較輕、后者較重的特點，在文字描述上也遵循著先理論教學后實踐教學的安排順序。由此，無論是在教師還是在學生中，均容易造成認識和理解上的一個誤區，那就是實驗教學是理論教學的附屬，二者自然會有主次之分。并進而造成教師在實驗教學的設計、組織、操作、考核等環節上出現了重課堂講授、輕實驗操作的現象。具體的表現是，不少教師在開展實驗教學時，所采取的基本方式是首先布置任務，然后讓學生自行操作練習，而在此過程中教師針對學生遇到的問題進行個別解答。顯然，這樣的方式只能算作是實驗指導，而非實驗教學，由于缺乏必要的教學設計，故教學效率不高，教學效果也難以保證。

遵循教改的精神，經過幾個學期的探索與實踐，本課程逐漸形成了“課內+課外”、“主導+主動”、“驗證+探究”的實驗教學模式。盡管在大綱制定、學時分配等方面仍然基于傳統的設計方式，但在實施過程中卻有效轉變了教師與學生過去習慣的重教室而輕實驗室的觀念，特別強調了實驗教學中的目標設計、過程引導、討論總結以及教學延伸等各個環節的組織與開展。

針對教學大綱安排的26學時課內實驗學時，課程共設計8個相對完整但卻又相互關聯的實驗項目。每個項目按其在課程中性質和難度不同而分配不等的學時，但均要求學生在課外自行安排等量的附加學時以加強練習，從而形成“課內+課外”的基本教學模式。為此，在每個實驗項目的設計中，并非像傳統方式中直接給出一個需要完成的具體任務，而是基于綜合案例教學的思想，將一個功能較為完整的實驗項目分解成多個不同階段的任務，然后由教師逐步提出每一階段的任務和目標，帶領學生采用適當的方法分步驟循序完成。而在此過程中，應特別注重教師的引導作用和啟發手段，需要在每一階段任務完成后即組織學生共同分析與討論，針對已完成任務進行尚存的問題分析，并由此引伸出下一階段需要解決的問題。同樣在操作過程中，教師還可以針對實驗中的難點問題進行適當程度的演示，以幫助學生更好地理解任務，啟迪主動解決問題、創新解決問題的思維。

通過上述方法，很容易做到對學生的課外實驗教學任務要求。絕大多數的課內實驗教學任務設計均遵循“驗證+探究”的方式，亦即首先通過教師的引導，使學生分階段、分步驟完成一些驗證型(但也可以是設計型)的實驗內容，然后逐漸過渡到要求完成較為綜合的任務，并在每次課后均留下需要繼續完成的任務。于是學生可結合實驗平臺中的便攜式設備，在圖書館、教室甚至寢室里均可以繼續開展自主的探究式實驗學習，從而有效地降低了傳統實驗教學方式的時空限制，大大提高了實驗教學的效率和質量。

四、結束語

本文結合我校開設的計算機相關專業課程“可編程邏輯系統設計”的課程建設與教學活動，主要針對高等學校工科類專業課程如何更好地構建滿足課程教學需要、促進教學質量提高的實驗教學體系進行了論述。實驗教學是高等學校實現素質教育和創新教育的重要環節和前沿陣地，也是高等學校教育教學改革的基礎、前提和保證。通過科學規劃與課程性質與課程總體教學目標相匹配的實驗教學內容，合理搭建可完全支持教學活動開展的高效實驗教學平臺，綜合采用“課內+課外”、“驗證+探究”、“主導+主動”的新型實驗教學模式，再充分結合客觀、全面、真實、多元的實驗教學考核手段，可形成一套邏輯完整、行之有效、且充分體現CDIO工程教育理念的專業課程實驗教學體系，從而為實現課程教學目標、促進知識向能力轉化、培養學生科學素養與探究精神提供了基礎條件支持。

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