基于微課的《可編程邏輯器件》課程改革與探究

呂石磊　王衛星　李震

【摘 要】本文對《可編程邏輯器件》課程教學實踐現狀進行了分析，針對培養高層次應用型和創新型人才的需求，探索將課程教學與微課相結合的新型教學模式，提出了基于微課的教學改革方案，以期達到培養學生對本課程的學習積極性，強化課程教學效果，提高教學質量的目標。

【關鍵詞】微課；可編程邏輯器件；考核方式

0 引言

《可編程邏輯器件》課程是我校“電子信息工程專業”的核心課程，是“電子信息科學與技術”專業和“通信工程”專業的必修課程，同時也是“電氣工程及其自動化”專業的選修課程，受益學生數量眾多。作為一門能夠直接應用于工程實際的技術課程，其教學內容與培養目標具有明確的針對性，與當前電子信息、通信、計算機等行業的企事業單位的技術應用需求具有較好的一致性。通過本課程的學習，學生能夠熟悉現代大規模集成電路的設計流程，理解自上而下的設計理念和模塊化設計策略，掌握可編程邏輯器件的基礎知識及開發工具的使用方法，可以使用高級硬件描述語言獨立設計中等規模邏輯電路系統[1]。本課程旨在培養學生具備現代數字電子系統的設計能力，這為學生對后續相關課程的學習及實踐能力的培養都具有積極作用。

1 課程教學的現狀分析

筆者在《可編程邏輯器件》課程的教學實踐中，發現本課程的教學模式與預期的教學效果仍存在一定偏差，主要分析如下：

1.1 在教學內容方面

側重于“以課堂教學為中心，以知識傳播為中心，以教師為中心”，偏重于理論教學，與本課程的教學要求和教學特點不相吻合。雖然近年來，學校的實驗教學條件與環境得到了很大改善，但是在本課程的教學模式上，大多教師仍采用“理論教學-實驗教學”的單一進程方式，缺少“實踐-理論-再實踐-再理論”的知識自我學習與自我凝練的過程，實驗教學與相關理論教學在內容上的緊密結合性有待于進一步改善和提高。

1.2 在教學效果方面

由于本課程屬于電子信息類學科的專業課程，課程內容涉及多門專業基礎課，包括電路基礎、數字電路技術、計算機接口技術、編程語言等，具有較強的邏輯性和嚴密性，若任課教師不能有效地激發和培養學生對本課程的學習興趣，則難以讓所有學生都跟上教學進度，達到“滾雪球”式的教學效果。作者在教學實踐中發現，每次在課程教學的后半期，授課班級基于本課程的學習情況會呈現較明顯的兩極分化狀態，大部分學生能夠熟練掌握課程內容，但是也存在少量學生對課程的基礎概念仍模糊不清。

1.3 在教學評價方面

本課程具有工科專業課程的一般共性，即課程作業和試題一般具有統一、明確的標準答案，主觀分析類型的考核方式相對缺少，這使得部分學生的考核成績不能完全反映出其對課程內容的掌握水平[2]。例如，本課程的設計習題往往存在幾種不同思路的解決方案，但是作者在批改作業、綜合測試及實驗考試的過程中發現，經常出現大部分學生，乃至全班都使用同一種解決方案的情況，這主要是因為在現有的教學模式下，學生對課程內容無法徹底理解，更難以實現對所學知識的靈活運用[3]。另外，課程考核方式的單一性也可能會導致部分學生出現借鑒，甚至抄襲他人作業的懶惰行為，從而不利于培養學生的獨立思考能力。

基于以上對《可編程邏輯器件》課程特點、人才培養方向以及教學現狀問題的分析，為了滿足高層次實用型和創新型人才培養的需求，有必要對本課程的教學內容和教學模式進行改革與創新。

2 基于微課的課程教學改革探究

2.1 微課概念及特點

微課以構建主義為指導，利用情境教學法設計教學，通過創設典型情境，激起學生的學習興趣，從而用情感活動加強認知活動[4]。微課是信息技術發展與教育變革時代相結合的產物，也是技術與教學應用融合的高級階段[5]。目前學術界對微課的概念尚未形成統一的定義，國內學者對微課的研究范疇包括“微教學過程”[4]、“微教學活動”[6]、“微教學資源”[7]等不同領域。微課的一般設計與制作流程如圖1所示。

微課的出現并不是對現有課堂教學模式的顛覆[8]，而是對傳統課堂學習的有效補充和資源拓展。微課以微視頻為載體，具有主題突出、目標明確、短小精悍、結構良好、資源多樣、應用靈活等特點，這使得微課可以支持翻轉課堂、移動學習、碎片化學習等多種學習方式。而且，微課的內容具有靈活性和針對性，適合于問題解決、技能操作、觀摩學習等小型教學任務，因此微課在工科課程教學活動中具有較為明顯的應用優勢。

2.2 基于微課的課程教學改革方案

基于上述對微課的學習與理解，作者將微課與《可編程邏輯器件》課程教學相結合，根據具體的教學問題及教學環境，靈活運用微課技術來豐富課程教學內容，改善課程教學模式。一方面，教師使用微課為學生展示、講解、剖析本課程的工程實例，加深學生對可編程邏輯器件設計及其硬件描述語言的理解與掌握水平；另一方面，學生根據教師布置的課程設計任務，通過自我學習和獨立思考，以微課的形式提交課程作業，形成一種新的課程考核方式。本文所提出的基于微課的《可編程邏輯器件》課程教學改革的具體實施方案如下：

2.2.1 課程初始階段

《可編程邏輯器件》課程的教學內容包括可編程邏輯器件結構、硬件描述語言、軟件開發工具等多個部分，其學習思路與傳統的數字電路課程有一定區別。在本課程的初始階段，學生需要掌握較多的技術名詞與概念，如電子設計自動化（Electronic Design Automation， EDA）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit， ASIC）、復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device， CPLD）、現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array， FPGA）、硬件描述語言（Hardware Description Language， HDL）以及綜合優化（Synthesize）、知識產權核（Intellectual Property Core）等。若是教師僅在課堂上對學生講述這些概念，則缺少形象性和直觀性，難以激發和調動學生對本課程的學習興趣。

因此，在課程的初始階段，教師應該以微型教學視頻的方式，結合部分硬件實體展示，按照“概念-原理-技術-產品-應用”的學習思路，向學生講述本課程的基礎知識，吸引和促使學生能夠在較短的時間里較好地理解相關概念，從而激發其對本課程的學習積極性。

2.2.2 課程進階階段

作為一門工程應用類課程，學生需要通過學習眾多工程實例來理解、積累和掌握本課程的教學內容。本課程的工程實例一般由硬件描述語言（VHDL或Verilog HDL）、邏輯電路圖、狀態圖（或狀態表）以及（功能或時序）仿真圖等多個部分組成。對于學生而言，長期重復“邏輯分析-代碼編程-仿真分析”的教學模式相對側重于理論教學，這不僅會讓學生感覺枯燥無聊，難以長時間集中精力學習；而且也會在無形中割裂“電路設計-代碼編程-硬件實現”之間的內在聯系，讓學生產生本課程僅是一門“軟件語言”的錯覺。然而，若將實驗教學搬入理論教學的課堂中，一方面，課程的教學效果會受到實驗條件和實驗設備的限制；另一方面，由于每個工程實例的調試、綜合、適配、編程配置等階段均需要耗費一定時間，這將導致學生難以利用有限的課堂時間來學習更多的理論知識。

因此，在課程的進階階段，教師應該挑選若干代表性工程實例，在課下事先制作微課，使用屏幕錄制和視頻處理軟件（如Camtasia studio、Screencast、屏幕錄像專家等）來展示可編程邏輯器件的軟件開發過程及其關鍵知識點，同時利用數碼攝像機或智能手機拍攝載入了設計文件的硬件系統的測試過程，旨在讓學生全面認識和掌握可編程邏輯器件的設計流程，從而進一步培養和增加其對本課程的學習興趣。本課程制作的微課課件實例如圖2所示。

2.2.3 學習應用階段

基于對本課程考核方式單一性所造成缺陷的考慮，本方案計劃在課程的學習應用階段，以微課為驅動，采用翻轉課堂教學模式，向學生布置一批有一定的工作量，難度適中的課程設計任務，本課程的部分設計題目如圖3所示。課程設計任務要求學生自由組成學習小組，每組3～5人，選定其中一個課程設計，合理分工，利用已經學習的相關理論知識及開發工具，仿照其在課程進階階段所學習的可編程邏輯器件設計流程，以“邏輯分析-代碼編程-仿真分析”為內容，自行制作微課課件，在課堂中展示并且給予必要的補充說明，最終由任課教師評價其微課作業的完成效果及優缺點，并且引導學生進行問題討論。部分學生制作的基于課程設計的微課課件如圖4所示。

因此，在課程的學習應用階段，將理論教學與實踐教學相融合的課程考核方式不僅能夠激發學生學習本課程的成就感，提高學生的動手能力，同時也能夠培養學生的獨立思考能力、創新能力和團隊合作精神。另外，本課程的一個特點是相關的軟件開發工具多樣化，包括Quartus II、Max+plus II、ModelSim等，軟件功能較為豐富，因此學生可以在實驗室之外，不需要借助硬件實驗箱或開發板，也可以較容易地實現對硬件描述語言的功能仿真和時序仿真，這也是學生能夠以微課形式提交課程作業的必要條件。

2.2.4 課程復習階段

本課程的教學內容較為繁雜，涉及的技術領域較為寬廣，學生需要通過對大量工程實例的學習、實踐來積累經驗。然而，這也往往會導致學生在課程的最后階段，重點關注于電路設計方案及代碼編程策略等方面的應用學習，從而忽視了對本課程內容整體性與系統性的掌握。

因此，在課程的復習階段，教師應該將微課課件凝練為知識點，并且通過對學生闡述和分析不同知識點之間的關聯性來總結和歸納本課程的學習路線，以此來加深學生對課程體系的理解，實現“點-線-面”全方位的教學效果。

綜上所述，本方案的四個階段相輔相成，順序遞進。將《可編程邏輯器件》課程教學與微課相結合，不僅可以為學生提供新穎的教學模式，充分激發學生的學習熱情；同時也為任課教師提供新的課程考核方式，達到強化本課程教學效果的目的。

2.3 課程教學改革方案的特色

1）將微課概念引入工程應用類課程：《可編程邏輯器件》，進一步擴展微課的應用范疇，增加本課程的先進性、現代性和開放性；同時，能夠充分調動學生對課程學習的主觀能動性，進一步增強學生對本課程的學習興趣。

2）能夠改善本課程的考核方式單一性問題，進一步健全和完善學生掌握本課程教學內容的考核機制。

3）借鑒和運用辯證唯物主義認識論，進一步將本課程的理論教學與實踐教學相融合，豐富和完善課程的教學內容，從而實現不斷深化的能動的辯證學習過程，促使學生熟練掌握課程內容，達到理想的教學目的。

3 結束語

本文分析了《可編程邏輯器件》課程教學的現狀問題，以達到有效教學目的，提高課堂教學效益為目標，提出了將微課概念引入本課程理論教學課堂的教改思路。在充分考慮本課程特點的基礎上，借助于數碼攝像機或智能手機等常用設備，以及屏幕錄制和視頻處理軟件，總結和歸納了切實可行的，具有較強針對性的，基于微課的課程教學改革實施方案。在下一步工作中，作者考慮將微課應用于其他工程應用類的課程教學中，進一步探索微課在該領域課堂“教”與“學”應用中的有效模式和方法。

【參考文獻】

[1]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）.

[2]龔學余，朱衛華，單長虹，等.“可編程邏輯器件及應用”課程的實踐教學[J].電氣電子教學學報，2007（04）.

[3]陳力穎.《大規模可編程邏輯器件設計》課程實驗考試改革的探索[J].教育教學論壇，2013（52）.

[4]胡鐵生，黃明燕，李民.我國微課發展的三個階段及其啟示[J].遠程教育雜志， 2013（04）.

[5]蘇小兵，管玨琪，錢冬明，等.微課概念辨析及其教學應用研究[J].中國電化教育，2014（07）.

[6]黎加厚.微課的含義與發展[J].中小學信息技術教育，2013（04）.

[7]焦建利.微課及其應用與影響[J].中小學信息技術教育，2013（04）.

[8]王竹立.微課勿重走“課內整合”老路——對微課應用的再思考[J].遠程教育雜志，2014（05）.

[責任編輯：楊玉潔]