“自頂向下”課程設計模式探索與實現

【摘 要】本文首先給出《可編程邏輯器件及應用》課程的知識教學目標和能力目標。接著，研究了該課程目前的教學狀況，在對照傳統“自底向上”教學模式的基礎上，為引入新的課程設計模式-“自頂向下”模式，指出該模式的優點，并將該模式應用到《可編程邏輯器件及應用》課程。實踐證明，該方法對高職學生是行之有效的。

【關鍵詞】自頂向下 課程設計 可編程邏輯

《可編程邏輯器件及應用》課程是我院電子信息工程技術專業的一門專業方向必修課。本課程的任務是：通過本課程的學習使學生具備FPGA基礎開發、實例開發和高級應用的能力，提高工程實踐能力，學會應用FPGA技術解決一些簡單的電子設計問題。

一、課程知識教學目標和能力目標

1.知識教學目標

第一，了解EDA技術的由來、可編程邏輯器件的發展歷程、傳統的電子線路設計與EDA技術的區別及聯系，了解可編程邏輯器件PLD結構、特點、功能描述、輸出配置、一般性測試等。

第二掌握Quartus Ⅱ的安裝，掌握在Quartus Ⅱ的軟件平臺上進行邏輯設計的幾種輸入方法、掌握設計項目的編譯、仿真、定時分析、引腳設置和下載等。

第三，掌握硬件描述語言VHDL的程序結構、語言要素、描述風格、仿真、綜合等。

第四，掌握幾種有限狀態機設計方法，包括Moore型有限狀態機和Mealy型有限狀態機。

第五，掌握SOPC和數字系統相關的概念，例如SOPC與MCU，SOPC與Nios，FPGA與SOPC的聯系和區別，了解SOPC設計的特點和優勢。

第六，熟悉SOPC設計流程，掌握SOPC builder硬件設計流程和Nios IDE軟件開發原理。

第七，了解Nios體系結構，掌握數字系統硬件開發和軟件聯系和區別；了解Avalon總線的基本概念和工作原理。

第八，了解Nios II軟件設計流程及方法。

第九，掌握SOPC系統外圍設備的添加和配置，并了解其工作原理。

2.能力目標

通過《可編程邏輯器件及應用》的實踐教學，應能使電子信息工程技術專業的學生借助Quartus II軟件進行一般數字電路和系統FPGA設計。通過教學應使學生獲得以下的能力。

第一，基本組合邏輯電路和時序邏輯電路的VHDL描述。

第二，簡單數字電路的設計，如7段數碼顯示譯碼器設計、簡易分頻器設計等。

第三，能設計簡單有限狀態機，如交通信號燈控制器設計等。

第四，對于簡單的數字系統能迅速得出其需求分析表，列出其硬件組成和軟件構思等。

第五，能夠借助Quartus Ⅱ開發平臺完成一些簡單的SOPC嵌入式系統的設計，包括Nios系統基礎實驗（流水燈實驗，JTAG UART通信實驗、按鍵中斷實驗、計數顯示實驗）和綜合實驗（電子樂器實驗）。

第六，培養學生軟件和硬件協同開發的能力以及團隊合作精神。

二、課程教學現狀

以本課程知識教學目標和能力目標的引導下，傳統的《可編程邏輯器件及應用》教學模式越來越跟不上時代的步伐，主要問題在于：

1.“自底向上”的教學模式難以激發學生的學習興趣，不能滿足人才培養目標的要求

傳統的教學模式，將整個知識系統分割成一個個基本知識單元，先從基本單元分析，然后講解由基本單元組成的基本模塊，再到子系統乃至整個知識系統，采用“自底向上”的方式。該方法思路清晰，內容包含全面，教師授課流暢。這種教學模式較為常見，也比較成熟，但在電可編程邏輯器件日新月異的今天，這種教學模式缺點也非常鮮明。

可編程邏輯器件技術紛繁復雜，在現有的學時安排下，不可能面面俱到，過分糾纏于底層實現細節只能造成重點內容不突出等問題。同時，多數學生在學習細節過程中，尚未看到結果已經喪失了興趣，因此該模式不利于實現人才培養目標。

2.教學案例多數為實驗驗證，不利于學生實踐和創新能力的培養

實驗大多為驗證性實驗，學生幾乎都能完成實驗。學生很少動腦，削弱了培養學生以系統觀念進行設計、仿真的實踐能 力，不利于學生工程能力和創新能力的提高。另外在《可編程邏輯器件及應用》課程的教學中仍采用傳統的教師傳授為主的教學形式，課堂的中心始終是教師，學生處于教學活動的參與者地位，是知識的被動接受者，難以激發學生的學習興趣，慢慢的學生就會覺得課程枯燥，失去學習的積極性。

3.教學內容設計不合理，仍然是本科高等教育的壓縮型

當前教學內容仍然延續本科培養的模式，是對本科課程的簡單壓縮。實際上，高職課程是受教育者得到全面發展，并按照國家職業標準來主動掌握知識、發展能力、提高素質，進而實現高職教育培養目標的一系列有序的學習活動（工學結合或理論實踐一體化的課業及其進程）。按照這樣的定義，高職課程既不是本科課程的簡單壓縮，也不是工作過程的簡單復制。

三、新的課程模式探索

1.“自頂向下”教學模式

所謂“自頂向下”教學模式，就是指基于五層混合結構，由“網絡體系結構概述—>應用層—>運輸層網絡層—>數據鏈路層—>物理層”的順序組織教學內容。

“自頂向下”教學模式具有以下優點。

第一，從全局走向局部，盡早激發學生的學習熱情。例如，課程的第一堂課，就是給學生演示智能小車或者小型機器人，詳細說明操作要領及其功能，主要說明各功能對應的的基本原理框架。這樣，從課程的開始就吸引學生的眼球，并引起學生濃厚的興趣，但也從一開始就給學生一點點滲透課程的基本內容，既生動又不失深度，區別于純粹的只講操作不講原理的實踐操作類課程。

第二，以可編程邏輯器件為研究對象，緊扣實踐應用環境。學生在看到可編程邏輯器件的應用實例之后，同學們在產生濃厚興趣的同時也為課程提供了“看得見摸得著”的目標。

第三，內容重點突出，割舍底層的實現細節等難以驗證的原理和技術，淡化相關基礎理論的作用，突出能夠解決實際問題的核心理論內容。

2.教學模式改革實踐

筆者在講授《可編程邏輯器件及應用》三個學期的經歷中，依托所選取的教材及教學案例，采用“自頂向下”的教學模式，實踐證明，該方法對于高職學生是行之有效的。其具體實施方案如下：

第一，根據目前的教學大綱，制定合適的教學案例作為貫穿所有理論知識的實踐載體。

第二，根據商定的教學案例，采用“自頂向下”的教學方法修改大綱實施方案。以基本放大電路部分為例，如圖1。

第三，與企業工程師一起合作開發教學實踐載體。

第四，學生通過完成企業工作任務、參加競賽、參加企業培訓等，獲得實踐技能。

第五，根據目前的教學方案設計，制定合適的課程考核評價機制。

第六，將設計的教學方案、考評機制等引入新學期本門課程的實際教學中，完善課程教學講義等教學文檔。

四、結論

本文將依托所選取的教材及教學案例，在《可編程邏輯器件及應用》三個學期中采用“自頂向下”課程設計模式，并配套設計相應的教學改革措施，實踐證明，該方法對高職學生是行之有效的，有助于培養學生的興趣，實現教學目標。

參考文獻

[1]王濤，吳振強，任平安.自頂向下還是自底向上？—論計算機網絡原理課程教學模式[J].計算機教育，2011，24（26）：65-68.

[2]包秀榮.基于EDA技術的數字電路課程設計.教育教學論壇，2014，4：245-246.