應用型本科FPGA課程教學模式的探索

邱欣寅+袁志騫

摘要：近幾年來，FPGA技術飛速的發展，眾多高校爭相開設FPGA課程，本文通過分析教學過程中出現的問題，提出了結合工程應用的課堂引導教學，以學生團隊為主體的項目實踐性教學，建立輔助教學手段等有效方法，改變了傳統的按部就班、單一的課堂教學模式，提高了教學質量。

關鍵詞：應用型本科；FPGA；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標 一、前言

FPGA技術經過二十多年的發展，現在已經被廣泛應用到各個領域，并成為越來越多領先技術的系統解決方案。從2000年起FPGA技術開始引入國內電子工程專業的研究生教學中，并在2005年后開始在本科生教學中大面積鋪開[1]。當時由于FPGA剛剛進入中國市場，無論對于教師、企業研發人員，還是本科生、研究生來說，FPGA的教學幾乎都是同時展開的，一切從零開始，摸索著前進。但7年后的今天，FPGA技術已經相當成熟，從當初的僅僅在研究生階段才開設的FPGA課程，到現在各大高校本科階段都爭相開設，FPGA技術的普及程度越來越高。但FPGA作為一種實用技術面臨的最大問題是產品性能更新換代的速度快，從教學內容、教學思想到教學資源都面臨不斷更新的問題。在這里不僅有一個教師如何適應電子技術的發展，自身不斷學習提高的問題，而且還有一個如何將新知識有效傳輸，讓學生學到真本事，使學生在畢業后能夠更快地適應工作的問題。

建設應用型本科為主的獨立學院，面臨的問題很多，但突出實踐教學，跟上技術的進步始終是我們應把握的方向。筆者在這7年中作為學生和教師的雙重身份，見證著FPGA在國內的發展，深深體會著FPGA教學的逐步變化，從不同的角度剖析現有FPGA教學中還存在的諸多問題。現在把教學過程中遇到的主要問題及解決方法與大家探討，希望可以更好地促進FPGA教學的發展。

二、FPGA教學的現狀及問題

長期以來，由于獨立學院實驗室條件有限，FPGA技術的課程教學僅僅局限在理論教學中，導致教學過程中出現了教師難教，學生難學的情況，嚴重影響了教學的效果，最終導致整個課程學習下來學生依舊無法獨立開發FPGA項目，僅僅是紙上談兵。傳統的FPGA教學一般都是先介紹可編程門陣列的結構特點，然后介紹EDA軟件工具的使用，接著花大量的時間講解硬件描述性語言[2]。這種傳統的按部就班式的教學模式，雖然對夯實理論基礎很有幫助，但是畢竟教學課時是有限的，對學生來說現在所學到的東西讓他們沒有方向感，甚至不知道這個FPGA到底怎么用、用在哪。如果一味進行課堂教學，缺少實際的動手操作或者工程實踐，就會造成學生的學習興趣不濃，現在很多學生都對這種傳統的教學模式感到枯燥。目前FPGA課程中硬件描述語言教學通常選擇VHDL語言，國內外教材也大多使用VHDL語言編寫。VHDL由美國軍方組織開發，正由于軍方的優勢，使其在1987年就成為了IEEE標準[3]。VHDL語法規范嚴謹，由于其歷史較長，參考資料及程序范例也更加容易尋找，但不足之處也是顯而易見的，對于學生來講，它是一種全新的、獨立的編程語言，無論對于電子專業或者計算機專業的學生來說都需要從頭學起，增加了學生的學習負擔，容易在一開始打擊學生的自信心。

三、改進FPGA教學的探討

FPGA這門課程的教學目標是要使學生在掌握基本原理的基礎上，能自主實現系統設計，這就需要給學生提供一個真實的系統設計案例，讓學生從中體會和感悟設計思想、設計過程以及分析問題的方法，在教學過程中，利用“逐項引導+項目驅動”的教學模式，培養學生的自主學習能力、系統設計能力和語言表達能力。本文結合我校FPGA課程改革前后的對比，探討FPGA教學模式的改變對FPGA教學所起到的效果。

1.結合工程應用的課堂引導教學。在學生學習FPGA的入門階段，尚未熟悉設計方法與技巧，對于FPGA的應用還一無所知，此時采用案例教學法最為適宜，結合工程應用的課堂引導教學，通過剖析工程案例，引導學生以個人自學、集體討論、小組展示演講等形式，分析和研究工程案例，從而激發帶動學生主動思考，培養學生發現問題、解決問題，歸納和總結問題經驗的能力。例如，在學生第一次操作實驗時，通常都會使用控制LED燈交替閃爍的方式學習對單個管腳的控制。而我在這個實驗的基礎上，引入十字路口交通燈的問題，引導學生分組討論如何利用現有知識實現實際工程應用，在實現的過程中，有何優點與不足，如何加以改進，如何完善功能等，在集體討論中，各組代表介紹本組的方案，其他各組可以提出反駁，引起辯論，最終得出最優方案，集體論證方案的可行性，確定最終方案，并在軟硬件中實現功能。通過這樣的課程學習，學生對FPGA設計的一般流程有了深刻的認識，極大地提高了學生主動學習的興趣，在一正一反的辯論中產生了更多的思想火花，加深了對FPGA應用的理解，解決實際問題的能力得到了極大加強。

2.以學生團隊為主體的項目實踐性教學。我校FPGA教學實驗平臺采用的是Altera公司的DE2-70實驗套件，不論是從性能上，還是擴展能力上，對于學生學習FPGA技術都是綽綽有余的。在采購數量上，我校根據實際各班人數，最終確定購買50套DE2-70實驗套件，其中40套用于課堂教學，另外10套用于學生課外科技活動，組織那些對FPGA技術充滿喜愛同時又有很強的專業動手能力的學生，讓他們以團隊的形式接觸FPGA技術更深入的內容。對于各方面表現較為出色的團隊，可提前進入畢業設計環節，部分優秀的學生加入教師的科研項目團隊中，將會取得更好的學習效果，達到學用結合、學以致用的目的。

由于本課程采取了課內外結合的教學模式，通過一定時間的學習和訓練，學生的動手能力有了很大提高，他們有很多機會參加各類電子設計大賽。例如我系兩屆學生參加“全國大學生電子設計競賽”均取得了令人鼓舞的好成績。反過來，組織學生團隊參加電子設計大賽，為獲獎團隊提供一定的物質獎勵和精神鼓舞，為這些團隊聯系校外實習實踐機會，以賽促學，又可有效激發不同層次學生的學習熱情，培養學生的團隊協作能力、動手能力和創新能力，帶動整個專業學生的學習風氣。endprint

3.建立輔助教學手段，彌補課堂不足。FPGA課程是一門實踐性特別強的課程，要真正學好FPGA，光靠上課這些課時是不夠的，需要學生在課后自主學習和研究。在自學的過程中會產生很多問題，對于不同類型、不同需求的學生，我們需要采用不同的輔助教學手段用以彌補課堂教學的不足。（1）充分利用網絡資源，打造第二教學陣地。巧用即時通信軟件和電子郵件搭建交流平臺，用不同方式滿足不同性格學生的需要。例如有些學生較善于溝通和理解，他們會使用QQ、MSN等方式進行交流，即時提問即時回答。但又有些學生不太善言辭，或者不喜歡即時表達，可以選擇使用電子郵件溝通，在二個工作日內會給予答復。充分利用我校開設的網上課程中心，建立網上教學平臺，提供教學以及相關技術資料和文檔供學生下載查看，并提供留言板供師生交流使用。同時在最大的工程師社區網站CSDN開設公共賬號，供學生使用，用于上傳和下載技術資料。（2）培養教師助手參與教學實踐活動。從優秀團隊中選出能言之人輪流擔任“小老師”，采取與任課教師共同備課、課堂上承擔部分輔導任務、課后教師點評等形式，使教師教學與學生學習相得益彰。因為大家都是學生，可能是同年級的，又或者是學長學姐，都是同學關系，所以很多不好意思問老師的問題，可以在同學間的“教學相長”中逐漸得到掌握，這也在一定程度上掃清了教師教學的盲區，從而提高整體的教學效果。

在實踐環節中，可能許多學生遇到的問題相同，但每位學生的理解卻不同，此時教師需要逐個回答他們的疑惑，影響了教師的教學進度和實踐效果，但在教學助手的協助下，教師可以從中抽離出來，解答更多不同的問題，讓不同程度的學生都可以解決學習中的疑點，提高整體教學質量。

4.從VerilogHDL語言入手，消除不必要的學習障礙。VeriogHDL創建之初是為更便捷、更有效地描述數字硬件電路和仿真而設計的，它的許多關鍵字與語法都繼承了C語言的傳統，只要有C語言基礎，可以很快采用VeriogHDL語言進行簡單的FPGA項目開發。對于教學中硬件描述語言的選擇上，到底是選擇VeriogHDL語言還是選擇VHDL語言，它們各有特點，但從學習的復雜度考慮，更加傾向于選擇VeriogHDL語言，縱觀各大高校歷年FPGA教學大綱，2009年之前主要以VHDL教學為主，但從2009年開始，發現VeriogHDL在中國發展勢頭強勁，以至于許多高校從2010年起把硬件描述語言教學改為了VeriogHDL語言。兩者在程序最終實現效果上差別不大，但是對于僅僅只有C語言基礎的電子專業工科學生來說，VHDL語言顯然是個大負擔。而與C語言有血緣關系的VeriogHDL語言更有優勢，同時也可以省下學時，把時間放到實驗中去[4]。

四、總結

以上只是筆者從事FPGA教學工作后的幾點想法，并通過實踐證明了其中的優點，但FPGA教學過程中仍然存在較多的問題，例如：教學團隊還不夠強大，只能憑著少數幾個教師自己摸索進行FPGA教學的改革試點；市場上適合個人開發學習使用的FPGA開發板種類還較少，同時配套教材更加缺乏等。總之，在有限的教學時間內，入門容易但靈活運用較難，暫且只能做到師傅領進門，修行靠個人的程度。筆者將在接下去的教學過程中繼續探索，爭取把FPGA教學做得更好，為提高應用型本科人才的實踐能力做出貢獻。

參考文獻：

[1]倪曉明.FPGA課程教學的實踐與探索[J].中國電力教育，2011，（35）.

[2]趙倩，等.面向電子通信類的EDA技術教學創新研究[J].中國電力教育，2011，（22）.

[3]盧慶利.FPGA實驗及課程設計的教學實踐與思考[J].實驗技術與管理，1998，（01）.

[4]馬鳴霄，等.基于FPGA的教學方法研究[J].學理論，2010，（35）.志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）05-0210-02endprint