基于工程教育認證機制的FPGA課程改革研究和實踐

凌味未+馬文英+姚堯+石躍+陳祝

摘 要：在我國工程教育認證國際化步伐加速的背景下，為電子和計算機類工程專業課程建立“能力導向”的認證標準，設置過程化考核環節和評分機制顯得尤為迫切。本文以通信工程專業本科課程《FPGA技術》為改革對象，結合國際工程教育認證標準，從教學大綱設計，課程達成度計算和實施效果評價三個方面簡明扼要地介紹了工程教育認證機制在該課程中的推廣情況。

關鍵詞：工程教育認證；FPGA；課程改革；達成度；實施效果評價

一、 引言

2016年6月2日在吉隆坡召開的國際工程聯盟大會上，中國成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》的正式會員。這是我國高等教育發展的一個里程碑，不僅意味著我國工程教育的質量得到了英、美等發達國家的認可，更標志著中國高等教育將真正走向世界。《華盛頓協議》體系的一個突出特點是建立“能力導向”的認證標準，有效考核“教育產出”（學生學到什么）的效果。相關能力指標對教師和教學機構設計課程提出了明確的方向和要求，教師在有限的教學時間內，不僅要指導學生掌握相關領域的專業基礎知識，還要培養學生解決實際工程問題和開展獨立研究的能力。因此，針對課程體系的主要特點設置過程化考核環節和評分機制顯得尤為重要，主要表現在：過程化考核環節的設置可以全程監控教學效果，及時發現存在問題的環節，利于查漏補缺；而相關評分機制可以提供量化評價標準，特別是對課程達成度的計算，可以輔助教學環節持續改進。

二、 改革內容

（一） 教學大綱設計

面向目標達成度的教學設計改革首先需要在《FPGA技術》課程的教學大綱中建立課程目標與通信工程專業畢業要求之間的關系，該課程的兩個目標分別對應畢業要求的兩個二級指標：目標1（熟悉FPGA的開發流程，掌握在其相關硬件平臺上進行組合與時序邏輯電路設計的基礎知識和基本方法，熟悉狀態機設計）對應能力指標3.2（掌握通信工程專業知識，具有設計開發滿足特定需求的電路模塊、軟件模塊和通信系統的能力）；目標2（熟悉FPGA的硬件結構和工作原理，掌握運用Verilog語言描述數字電路基礎模塊的方法，掌握Testbench的編寫和在模塊測試中的應用）對應能力指標5.2（具有運用通信工程專業工具，對通信系統中軟、硬件模塊進行預測和模擬的能力）。

接下來，在課程中設定具體考核環節來支撐前面所提出的二級指標3.2和5.2，具體思路為：課堂測試、實驗操作、實驗報告和卷面考核四個環節支撐指標3.2；文獻閱讀、實驗操作、實驗報告和卷面考核四個環節支撐指標5.2。這樣就把較寬泛的畢業要求轉換成較具體的能力指標，并結合課程內容對能力指標的考核設定了具體環節。

（二） 課程達成度計算

課程達成度計算是把考核環節對能力指標的支撐進行量化的過程，分兩個步驟：第一，確定各類考核環節的權重和具體環節的分值，《FPGA技術》課程的教學大綱中限定了平時成績和考試成績在總評成績中的權重比例是4∶6，其中平時成績包括文獻閱讀、隨堂測試和實驗項目三個部分，分數分布及支撐情況為：文獻閱讀10分，支撐5.2；隨堂測試3次，共15分，支撐3.2；實驗5個，共60分（實驗一、二占15分，實驗三到五各占15分），這里，實驗一到三支撐5.2，實驗四和五支撐3.2。期末考試成績包括填空題、名稱解釋、簡答題和設計題四個部分，分數分布和支撐情況為：填空題15分、名稱解釋10分、簡答題30分，共同支撐5.2；設計題45分，支撐3.2。

第二，在課程結束后抽取一定數量的學生（通常為一個自然班）作為課程達成度計算樣本，通過計算各個考核環節所有樣本的平均分數來確定本課程所支撐的各個能力指標點的達成度評價值。這里，3.2和5.2兩個指標點分別對應了若干個考核環節和考核內容，相應評價值的計算方法為該指標點對應的教學活動平均考核成績除以教學活動的滿分值。即：

指標點達成度值=樣本考核成績的平均值（B）考核成績的滿分值（A）

其中，支撐指標3.2滿分值（A）的計算公式為：平時考核×40%+期末考試×60%= 45×40%+45×60%= 45；而支撐指標5.2滿分值（A）的計算公式為：平時考核×40%+期末考試×60%= 40×40%+55×60%= 49。另外，由于平時成績中考勤15分不作為支撐依據，按15×40%= 6，與上述兩部分分數相加總和正好為100分。

將通信工程專業2014級本科1～4班作為考核樣本，得到各環節平均分數情況如下：平時考核環節中，文獻閱讀平均分6.8；三次隨堂測試平均成績分別為3.3，3.9和3.2；各項實驗的平均成績為實驗一、二13.1分，實驗三12.9分，實驗四12.8分，實驗五12.3分。期末考試中，各題型的平均成績為填空9.9分，名詞解釋5.4分，簡答題24.7分，設計題 27.3 分。

綜上所述，經過加權后，支撐3.2的各環節樣本成績總平均值（B）為30.6，而支撐5.1的各環節的總平均值（B）為37.1，由達成度值計算公式得出該課程對畢業要求二級指標3.2和5.2的總達成度分別為0.68和0.76。

三、 實施效果評價

（一） 平時考核分析

在平時考核環節中，實驗一、二和三的達成度都比較高。一方面是因為實驗內容比較基礎，與講授內容結合度比較高；另一方面，實驗操作中軟硬件結合緊密，且入門難度較低，特別是實驗一里面，對DE2板的測試內容有一部分和大一階段已開設的計算機基礎類課程相關。

第一、三次作業和第五次實驗的完成情況都不理想。第一、三次作業分別考核了對FPGA開發原理的深入理解和運用Verilog語言準確描述重要的時序功能，平均分在及格線附近說明對課堂上重要知識點的理解還停留在表面。第五次實驗是復雜時序邏輯設計，對綜合運用FPGA開發技術的要求較高，該實驗的平均分是所有實驗中最低的，說明很多同學對復雜設計實例的整體把握能力還較差。

此外，文獻閱讀環節對指標5.2的達成度貢獻偏低，這主要因為學生對調研題目的理解程度有較大差異，且課后愿意投入的時間也因人而異。

（二） 期末考試分析

從期末考試的考核內容看，簡答題部分占的權重最高，且完成情況也最好，對指標5.2的貢獻很大。簡答題部分主要考核FPGA的基本硬件原理，芯片識別，及Verilog基礎語法。這些內容都是課堂上和實驗中反復強調的重點，受學生關注度較高。

設計題的平均分僅占該項滿分的61%，大大降低了指標3.2的達成度。再次反映出許多學生對Verilog語言的運用還停留在表面，對基本開發流程也不夠熟練。

四、 結語

在我國工程教育認證與國際標準迅速接軌的大環境下，工程背景較強的專業課程亟待建立更科學的教學框架和完善的考核體系。《FPGA技術》這門課程屬于電子和計算機學科的交叉范疇，又有廣闊的工程應用空間，把該課程納入工程教育專業認證能起到很好的示范作用。本文結合國際工程教育認證機制的主要特點，系統扼要地介紹了該課程的教學改革設計框架及初步實施效果，希望能為工程教育認證的深入推廣提供有價值的參考。

五、 致謝

感謝成都信息工程大學通信工程學院教學改革項目經費的資助。

參考文獻：

[1]王孫禺，孔鋼城，雷環.《華盛頓協議》及其對我國工程教育的借鑒意義[J].高等工程教育研究，2007，（1）：10-15.

[2]方崢.中國工程教育認證國際化之路——成為《華盛頓協議》預備成員之后[J].高等工程教育研究，2013，（6）：72-76.

[3]林健.工程教育認證與工程教育改革與發展[J].高等工程教育研究，2015，（2）：10-19.

[4]錢振江，龔聲蓉，徐文彬.面向復雜工程問題的應用型本科計算機類專業人才培養模式研究和實踐[J].計算機教育，2017，（6）：10-13.

[5]張建樹，郭瑞麗.工程教育認證背景下課程達成度的評價改革[J].高教論壇，2016，（6）：72-74.

作者簡介：

凌味未，馬文英，姚堯，石躍，陳祝，四川省成都市，成都信息工程大學通信工程學院。endprint