《大規模可編程邏輯器件設計》課程的實驗教學改革探索

摘 要： 課程教學包括課堂教學和實驗教學，其中實驗教學內容的設計是重要的教學環節，只有精心設計和組織實驗教學內容，針對實驗教學和實踐環節對課程教學的新要求和新特點，逐步修訂和完善新的教學內容，探索和提煉新的教學模式和教學手段，才能有效地提高教學質量。本文從《大規模可編程邏輯器件》課程的特點出發，針對培養具有實踐創新能力的大學生需求，深入剖析了目前該課程實驗教學環節中存在的主要問題，提出了課程實驗教學方法改革的一些措施，通過使用教學演示軟件和實驗考試軟件，以期強化課堂教學效果，提高學生的實驗動手能力和具體操作技巧，從而激發學生的學習興趣，增強學生的學習動力，提高教學質量。

關鍵詞： 可編程邏輯器件 教學軟件 實驗教學 教學內容

隨著集成電路技術的迅猛發展，作為電子設計自動化（EDA）硬件基礎的大規模可編程邏輯器件（Programmable Logic Devices，PLD）得到廣泛應用，PLD通過編程可以靈活方便地構建和修改數字電子系統。PLD設計技術的發展和普及給數字系統設計帶來了革命性的變化，傳統的“固定功能集成塊+連線”的設計方法正逐步退出歷史舞臺，而基于大規模可編程邏輯器件的設計方法正在成為電子系統設計方法的主流。作為電子科學與技術專業課的《大規模可編程邏輯器件設計》，主要講授大規模可編程邏輯器件的原理與應用，幫助學生了解和熟悉大規模可編程邏輯器件設計的基本思想，掌握數字系統設計的方法、CPLD/FPGA器件、流行的EDA設計軟件和HDL設計語言等，并通過范例教學和實驗課的上機實驗，使學生掌握用Verilog和VHDL語言設計開發常用的數字電路和數字系統的技能，提高解決實際問題的能力[1]。

在實際的教學與實驗過程中，教學手段和教學方法過于單一，僅僅通過多媒體課件的教學手段，由教師講授程序范例，缺乏學生的課堂參與和互動，難以使學生較好地掌握EDA設計軟件和硬件描述語言（HDL）等。此外，該課程的實驗教學內容較多，需要在實驗課前指導學生掌握有關的EDA設計軟件操作，而僅通過課堂教學和多媒體課件難以實現教學目標[2，3]。因此，依據電子科學與技術專業本科生的該課程實際教學情況，筆者詳細分析了實驗教學過程中存在的問題，提出了關于實驗教學的改革方案。

一、目前教學中存在的問題

1.在課堂教學方面，教學手段和教學方法過于單一，僅由教師講授程序范例，缺乏學生的課堂參與和互動，難以提高學生的實踐和動手能力。教師在課堂上采用常規講法，費時費力，學生對所講內容仍無法徹底理解，難以實現對所學知識的靈活運用。

2.在實驗課程方面，存在學生對實驗準備嚴重不足，對實驗缺乏獨立思考的能力等問題。課前預習嚴重不足，導致實驗課時，學生把大多數時間、精力放在程序的編寫和設計上。由于大多數學生都是第一次接觸硬件描述語言，對Verilog語法不能很好地理解和運用，例如并行語句等，程序設計占用時間過多，導致調試、仿真、修改、完善時間不夠，部分學生不能完成實驗任務。

3.在考查學生實際操作能力的實驗考核階段，缺乏對學生實際掌握有關EDA軟件操作的能力進行量化考核的有效手段和工具。截至目前，該課程只是通過卷面的考試來考核學生對有關EDA設計軟件和HDL設計語言等的掌握效果，沒有通過實驗考試來考核學生實際動手能力的過程，只是對學生利用HDL語言編寫相關設計程序進行考試，對EDA軟件的操作考核只是停留在卷面上，這種死記硬背通過考試的方法不適合《大規模可編程邏輯器件設計》這門以實踐為主、強調動手能力的課程。

綜上所述，在大規模可編程邏輯器件設計課程的教學過程中還存在一些嚴重影響教學5d733c2d60c94e01881c49415021d3e9質量的因素。為了響應國家“十二五”規劃中明確提出的建設創新型國家的任務，培養創新型大學生的要求，我們必須逐步改革和完善現有的教學模式、教學手段和實驗方法[4，5]，提高教學質量，為培養開創未來的全面發展型人才奠定基礎。

二、實驗教學改革的整體規劃

為了優化實驗教學和實踐環節，提高學生的動手能力，突出實驗教學的重點，必須摒棄傳統的教學思路，重新構建實驗教學體系。在實驗教學中要貫徹“激發興趣、夯實基礎、引導創新、全面培養”的教學方針，通過對教學手段和實驗方法的改革，擴展“范例”教學模式，對教學內容進行重新設計，采用新的教學手段，整個課程主要圍繞大規模可編程邏輯器件實際的設計開發流程展開，加強課堂教學與實踐的緊密結合，使學生明確本課程的學習目標是掌握大規模可編程邏輯器件的具體設計和使用流程，進而提高學生的課堂參與度和互動性，增強其學習主動性。

三、實驗教學改革的具體內容

對實驗教學內容的設計要堅持“從實踐出發，通過實例化教學，強調設計流程，提升學生參與度和互動性”的原則[6]。實例化程序和設計流程是本課程的主要內容，要求學生對HDL語言和EDA軟件設計流程等深入理解[7]，熟練掌握。因此，這部分教學內容要通過教學演示軟件進行詳細講解，并利用該軟件作為教學手段提高學生在課堂教學中的參與性和互動性。

對實驗考核部分，通過實驗考試軟件系統對學生的實際實踐能力進行考核，并給出量化的評判和考核結果，根據考核結果有針對性地給出如何提高其實驗實踐能力的指導性意見，使該實驗考試軟件系統不僅成為進行實驗考核的有效手段，而且作為學生檢驗自己實際動手能力的標準，根據評判結果縮短學習差距，增強學習效果。具體的實驗教學改革內容如下：

1.《大規模可編程邏輯器件設計》課程教學演示軟件系統方案設計及開發。開發用于《大規模可編程邏輯器件設計》課程的教學演示軟件，通過該軟件的使用，與具體實驗實踐相結合，強化課堂教學效果，提高學生對EDA軟件的掌握能力。在教學演示軟件設計和開發過程中，如何選擇教學的實例化程序，如何設計教學演示軟件系統，使得其與實踐過程一致并提高學生的參與度和互動性是需要解決的關鍵問題。首先給出典型器件的結構模型，分析其各組成電路的結構，明確具體的設計要素和使用流程及方法，然后通過實例化教學，運用Verilog和VHDL講授程序設計，進而逐步完成大規模可編程邏輯器件的全部設計流程和下載。并通過對電子科學與技術專業本科生實際課堂教學的運用，考察該軟件系統的教學效果，對該軟件系統進行改進和完善，進而提高學生的課堂參與度和互動性，增強其學習主動性。

2.《大規模可編程邏輯器件設計》課程實驗考試軟件系統設計與開發。開發用于《大規模可編程邏輯器件設計》課程的實驗考試軟件系統，在實驗考試軟件系統的設計和開發過程中，如何有針對性地考核學生實際掌握有關EDA軟件操作的技能，對考核結果進行量化評判，并針對每個學生的成績給出量化的指導性意見，幫助其提高實踐能力是需要解決的另一個關鍵問題。通過該軟件系統可以對學生掌握有關EDA軟件的操作能力做量化的考核，給出具體的評分標準和結果，對學生的實際操作能力做出量化的、具有實際指導意義的評判，從而為課程教學和學生學習及實驗教學的改進和實踐能力的提高制定明確且切實有效的目標。

四、結語

《大規模可編程邏輯器件設計》是一門強調實驗教學和實踐環節的課程，只有通過強化實驗教學，才能提高學生實踐和創新能力，而教學演示軟件的引入可以強化課堂教學效果，提高學生的實驗動手能力和具體操作技巧。實驗考試軟件的引入可以對學生的實際操作能力做出量化的、具有實際指導意義的評判，從而為課程教學和學生學習及實驗教學的改進和實踐能力的提高制定明確且切實有效的目標，進而有效提高實驗教學質量，為培養具有實踐創新能力的科技創新型人才奠定基礎。

參考文獻：

[1]湯勇明，鄭姚生，吳忠等.“可編程邏輯器件的基礎與應用”課程建設與教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007（29）.

[2]沈建國，王秉舉.可編程邏輯器件課程的探索與實踐[J].高等理科教育，2004（54）.

[3]石新峰，牟光臣.《可編程邏輯器件原理及應用》課程實踐教學研究[J].新鄉學院學報（自然科學版），2009（6）.

[4]錢昕.可編程邏輯器件（PLD）課程考試改革的探索[J].時代教育，2012（12）.

[5]張巧文，楊亞萍，朱仲杰等.基于CDIO理念的可編程邏輯器件應用教學方法探索[J].中國電力教育，2011（19）.

[6]劉建華.基于項目教學法的《可編程邏輯控制器》課程改革[J].新課程研究，2011（2）.

[7]康勝武，廖艷娥，毛哲.關于有效開展EDA教學的探討[J].中國電力教育，2009（5）.

天津工業大學高等教育教學改革研究項目（項目編號：2012-3-18）。