以實驗教學為先導的理論教學改革

倪曉明

摘要：傳統教學模式中實驗教學是為理論教學服務的，為了更好地發揮實驗教學的優勢，我們以實驗教學為先導，打破按教材和大綱順序授課的思路，精心設計實用性強的實驗項目，以實驗項目為中心安排理論課的授課順序和授課內容，徹底顛覆傳統理論教學與實驗教學的關系。讓學生帶著問題去實驗、帶著興趣去聽課、提高學生自主學習的能力，增強學生的創新意識。

關鍵詞：實驗教學；理論教學；自主學習

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0174-02

一、目前高校實驗教學的地位和現狀

目前在高等院校中實驗教學在整個教學體系所處的地位越來越重要，其重要性甚至超過了理論教學。實驗教學不僅可以提高學生的動手能力，而且可以增強學生的自主學習意識，加深學生對相關課程及專業的理解程度。

但受到傳統教學模式的影響，各高校對實驗教學的重視還僅僅停留在實驗學時的增加和實驗經費的投入層面，實驗教學始終是理論教學的補充和輔助。多數高校實驗教學和理論教學分開進行，在教學安排上實驗教學在進度上略滯后于理論教學，學生先學習理論知識，再進行實驗操作，這樣使得實驗教學的優勢不能最大限量地發揮出來；另外實驗課教師和理論課教師由不同老師擔任，很容易導致實驗教學與理論教學的脫節。為了充分發揮實驗教學的作用，我們有必要對實驗教學和理論教學進行科學的整合。

二、實際教學經歷

筆者所在的專業是一個專業授課教師相對缺乏的教學單位，部分課程的實驗教學和理論教學由一位教師承擔，這樣便給筆者實驗教學和理論教學相結合的研究提供了良好的環境。以筆者所教授的《HDL與EDA》這門課為例，在前幾輪授課中，還是采用了傳統的教學方式，先講理論課，等理論課的知識點足夠支撐實驗，才開始實驗課的教學。由于是一個老師獨立完成理論和實驗的教學，所以在實驗課上通常會提醒學生注意哪些知識點，而在理論課上也常常和學生一起分析實驗過程中所遇到的問題及解決方法。這樣幾輪下來，理論知識的教學與實驗教學完全融為一體，在實驗的過程中不僅使學生的動手能力得到提高，而且可以使學生更好地把理論和實驗聯系起來。

但學生自主學習的能力和學習的熱情并沒有太大改觀，于是筆者在進行了幾輪傳統教學后，改變了理論教學和實驗教學的順序，以實驗教學為中心，以實驗項目為先導引出理論教學中的知識點，充分發揮實驗教學的優勢，徹底打破原教材和大綱中授課順序的限制，把理論教學揉入每個實驗項目。讓學生帶著問題看書或上網查閱資料，帶著問題進入實驗室，解決部分問題走出實驗室，解決全部問題結束理論課學習，撰寫實驗報告和學習總結，這個報告和總結已經不再是簡單的局限在實驗角度，它可以作為學生對所學知識的理解和掌握情況的總結。這樣才可以更好地發揮實驗教學的引導作用，突顯實驗教學的重要性；同時還提高了學生主動學習、主動解決問題的能力，學生的學習積極性被充分調動起來，教學效果顯著。

三、具體教學案例

以《HDL與EDA》這門課的開學第一課為例，開學的第一節課不再是傳統的理論教學——介紹FPGA和硬件描述語言（HDL），而是實驗教學——流水燈設計，在這個實驗中學生需要完成從代碼編寫，到程序下載，再到功能實現的全套過程。這對于對FPGA沒有任何了解的學生而言確實極具挑戰，這時教師的引導就起到了至關重要的作用。

1.布置實驗課前預習作業

上網查閱資料，盡可能多地了解CPLD、FPGA的發展進程；CPLD、FPGA的功能、用途及應用領域。了解硬件描述語言的歷史、分類及相對于普通原理圖描述電路的優勢。

獨立安裝QII軟件，嘗試學習QII軟件的基本使用方法，并利用Verilog HDL編寫簡單流水燈程序。

預習作業要求學生前期投入很大，可很大程度上鍛煉學生自主學習的能力，使學生在上課前對本節課的教學有了初步的了解。

2.實驗課——教師引導講解與學生動手相結合

實驗課上教師的引導非常重要，剛剛做過預習的學生層次是不同的：預習較好且學習能力較強的學生可能已經大致掌握了相應的知識點，只需少量的點撥，解決心中的部分疑問；中等程度的學生可能看了許多資料后思路有些混亂；少數預習投入少的學生也許只是記住了幾個專有名詞。這些都沒關系，實驗課的目的就是引導學生并幫助學生梳理知識，使學生掌握利用QII軟件編寫流水燈程序、下載代碼到芯片中并使LED燈循環輪流掃描的全套過程，進而對FPGA有直觀的、感性的認識，初步了解它的用途，并對硬件描述語言的基本框架結構有所了解。

查看實驗平臺上FPGA芯片，對FPGA形成初步印象，初步理解FPGA的功能和用途。

利用多媒體教學直接演示如何利用Altera公司的QII軟件實現從代碼編寫到下載到實現功能的最精簡過程，并要求學生熟練掌握。雖然學生第一次接觸QII軟件，但以現在學生對計算機使用的熟練程度，此部分掌握起來基本沒有難度。

實驗課結束后，要求學生再次對實驗課前的預習內容進行梳理和補充，此時可以先不寫實驗報告。

3.理論課講解

經歷了預習和實驗課，學生已經從感性上對FPGA有了一定的了解，知道FPGA長什么樣、FPGA是做什么的，這時教師開始系統講解FPGA的歷史及發展、FPGA的功能及適用領域、FPGA的內部結構等，學生在聽課過程中一直浮現出的是實驗平臺上的FPGA芯片，做到了有的放矢。

通過實驗課上編寫第一個Verilog HDL代碼，理論課上教師可以講述硬件描述語言的產生及發展、講述目前流行的兩大硬件描述語言并進行簡單對比，講述Verilog HDL的基本架構等。

通過實驗課上利用QII軟件從代碼編寫到下載到實現功能的全過程，講述FPGA與硬件描述語言（HDL）之間的聯系，語言是如何以邏輯網表的形式被映射到FPGA芯片上并實現相應功能的。

所有的一切學生都是經歷過的，理論教學不再是紙上談兵，而是變得極為具體、親切，極大地提高了學生的學習熱情，同時教師的教學廣度和深度也會得以施展。

4.學生撰寫課后總結和實驗總結

這是一個鍛煉學生對知識總結和升華能力的過程，這不是一份簡單的實驗報告，也不是傳統意義上的課后作業，這份報告需要反映出學生對教學內容和實驗內容的理解和總結、對各知識點之間關聯性的擴展。

經過以上四個過程，便完成了一個完整的教學單元，先進行課前預習，學生前期投入較多，但可以培養學生自主學習能力；再進行實驗教學，教師在實驗教學過程中要對相應知識點進行適度梳理，此部分教師的投入相對于傳統實驗教學多些，可提高學生的動手能力；再進行理論教學，對實驗項目所涉及的知識點進行詳細講解，達到知識點全覆蓋。最后學生撰寫學習總結，實現對知識的總結和深化，有助于學生對知識的理解和把控更加深入扎實。

先上實驗課，接下來的理論課把相應的教學內容補全，如果實驗項目設置合理，是可以把一學期大部分教學內容涵蓋在里面的。這樣做，教師的實驗教學工作量會有所增加，但理論課可擴展空間會增大。學生課前精力的投入會有所增加，但教學效果會有很大的改善，學生會從中獲取更多的能力。

四、教學方式的設置需要解決的重點問題

如何設置與工程實踐緊密相連的實驗項目，并且該實驗項目在廣度上需要涵蓋盡可能多的知識點，在深度上也要滿足教學要求，極大限度地提高學生的動手能力。

如何設置與實驗項目相配套的若干預習引導題目，此處如設計巧妙，可大幅度提高學生自主學習能力，開闊學生的視野。

如何按實驗項目對理論教學知識點進行整合，形成新的理論教學體系。

如何引導學生撰寫實驗報告，進行學習總結，進而提高學生的綜合概括能力。

在《HDL與EDA》這門課中我們設置了如流水燈、數據選擇器、編碼器與譯碼器、分頻器、同步異步、數字鐘、狀態機等實驗，由于Verilog HDL語言本身難度不大，所以通過這些實驗完全可以覆蓋大部分理論教學內容，沒有覆蓋的內容可以在理論課教學中作必要補充。

通過以上的課程設置，旨在更充分發揮實驗教學的作用，使之不僅停留在驗證、設計、綜合上，還能起到啟發、引導作用，進一步提高學生自主學習的能力和創新能力。

五、在工科教學中的擴展

這種教學方法，也適用于許多工科課程的教學，例如《單片機》，如果按著傳統教學方法把單片機的CPU、存儲器、I/O口、中斷、定時計數器、串口都講完再做實驗，學生會一直抱著懷疑的態度學這些內容，他們不知道學這些東西的用途是什么。等真正開始實驗時，又會忘記講過的內容，不如先上實驗，例如可以設置用按鈕控制定時計數器計數的實驗，這樣可以把定時計數器和中斷兩個知識點顯現出來，學生做過實驗后，對定時計數器和中斷的軟件處理方法和硬件寄存器都會有一定的認識，這個時候再上理論課，相信一定會極大提高學生的學習興趣的。

六、結語

當前實驗教學是高等院校教學的重要組成部分，在整個教學過程中具有不可替代的重要地位，是學生理論聯系實際的重要途徑，它在培養學生綜合素質和創新能力方面也有著不可替代的重要作用，所以我們應該從整體上對理論教學和實驗教學進行整合和把控，萬不可把理論教學和實驗教學人為地割裂開來。

參考文獻：

[1]EDA先鋒工作室.Altera FPGA/CPLD設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2]夏宇聞.Verilog 數字系統設計教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

（責任編輯：劉翠枝）