基于CDIO工程教育理念的FPGA技術課程教學改革探索

徐鋒 龍惠民 劉桂華

[摘 要]基于CDIO工程教育理念，高校FPGA技術課程教學應針對教學方法、實踐內容、實踐方式以及考核方式等方面進行改革探索。教師可綜合運用演示法、對比式、案例式等教學方法提高學生的學習興趣；將當前社會主流的FPGA應用項目分解于實驗內容中，使學生在課堂實踐接觸的內容與當前社會需求接軌；以項目或任務的方式建立課外創新小組，形成課堂課外線上線下多元實踐方式，充分調動學生的積極性，提高其工程實踐能力；結合CDIO工程教育標準在考核，方式上側重于實踐操作能力考核。通過這些改革措施最終能培養學生利用已學的理論知識解決工程實際問題的創新精神和綜合能力，以滿足當前社會對高質量FPGA技術人才的需求。

[關鍵詞]CDIO；工程教育；FPGA技術；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）11-0064-03

○、引言

隨著集成電路和計算機技術的飛速發展，可編程邏輯器件為數字系統的設計帶來了極大的靈活性[1]。FPGA（Field Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列，作為可編程邏輯器件的一個重要分支，其因直接面向用戶，具有極大的通用性，以及使用方便、開發效率高、成本低、工作可靠性高等特點。該技術在通信、 數據處理、 網絡、 工業控制、 云計算、軍事和航空航天等領域不斷得到廣泛應用。由此，社會對熟練掌握 FPGA 技術的高素質高校畢業生的需求逐年增加[2]。國內各大高校自20世紀90年代末起陸續開始進行FPGA技術相關內容的課程建設，旨在提高學生利用FPGA器件進行電子系統設計的能力，加強FPGA技術相關人才的培養。然而，人才培養的速度仍然未能趕上相關技術發展對相關人才需求的增速。特別是近年來，FPGA技術再次進一步發展，其所提供的性能、成本、功耗和容量都已經達到甚至超過此前專用IC或專用標準器件（ASSP）的水平，應用階段已經從最初主要應用于原型設計逐漸延伸到最終產品的整個生命周期，甚至有專業人士認為，21世紀最具決定性的集成電路技術就是FPGA技術，它現在已經成為集成電路設計工程師必須掌握的技術之一，整個社會對相關人才的迫切需求達到了一個新的高度。

二、 FPGA技術課程教學現狀分析

目前，基于 FPGA 技術的集成電路設計是一門理論與實踐相結合的課程，已被大部分高校電子信息工程等相關專業作為主要授課課程。其主要目的是：使學生熟悉現代數字系統的設計方法，使他們的思維從功能電路設計轉向系統設計，由傳統的通用集成電路的應用轉向可編程邏輯器件的應用，從硬件設計轉向硬件軟件高度滲透的設計；拓寬學生的數字技術知識面和設計能力，全面實現數字系統設計的自動化。總體而言，該課程需要特別注重對學生實踐能力的培養。但是現在高校FPGA技術課程教學普遍存在如下問題：

第一，由于學生基礎課程掌握不牢，同時受實驗條件及師資的限制，一些高校在 FPGA 相關課程教學中偏重于講授硬件描述語言，而在 FPGA 應用方面涉及很少，導致學生學習與現實應用脫節，難以適應FPGA技術快速發展的需求。

第二，FPGA課程傳統的教學方法強調以課堂為中心、以教師為中心、 以教材為中心，主要以講授為主，而忽視學生的積極性、 主動性及創造性的發揮，這將影響FPGA 技術的教學效果，使學生接受知識的意愿與能力下降。

第三，FPGA課程實踐時間少，實踐方式單一，實驗內容基本側重于基礎驗證性實驗，同時考核方式更側重于期末考試，直接導致學生的實踐技能較差，就業時難以滿足企業需求。

面對FPGA技術高素質、高質量人才的需求與高校FPGA技術課程教學現狀的矛盾，各高校迫切需要對FPGA技術課程教學進行改革探索，形成一套完整的培養體系，大幅提高學生的系統設計能力與工程實踐能力，滿足社會對相關人才日益增長的需求。

三、基于CDIO工程教育理念的FPGA課程教學改革

CDIO 工程教育模式是由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等多所高校針對教育模式改革研究出的工程教育新方法。CDIO 是 Conceive（構思）、 Design（設計）、 Implement（實現）和 Operate（運作）四個英文單詞的縮寫，它以產品自研發到運行的完整生命周期為載體，著重培養學生的工程能力，包括個人的工程科學和技術知識，終身學習能力、團隊交流能力和大系統調控等方面的能力，讓學生在實踐與理論課程有機結合的教學中，以主動、 實踐的方式學習工程[3]。它特別強調學生在實踐、在“做”的過程中學習知識、掌握知識。實踐教學和課外活動不僅能夠使學生深化已掌握的知識，而且是一種很好的了解、接觸社會，培養情趣、思維、實踐能力等綜合素質的教育方式，由此培養學生自己去創造、體驗和發現的能力，使學生做到學以致用[4]。FPGA技術課程教學本身具有實踐性強、學習內容多且更新快等特點，其最終的培養目標與CDIO工程教育理念非常契合。因此，在其課程教學過程中引入CDIO的工程教育理念，進行理論研究和實踐探索，可以較大程度地提高學生在FPGA技術與集成數字電路設計方面的工程實踐能力，以適應社會和企業的需求。

（一）教學方法改革

基于CDIO工程教育理念，變革教學方法。傳統的教學方法過于枯燥，局限于書本，對FPGA技術課程應用教學涉及遠遠不足，導致學生學習興趣不強、知識理解不夠，從而形成惡性循環，導致學生知識掌握得不牢固，更不用說綜合運用了。因此，在FPGA 技術的教學方法改革中，應基于目標導向，認真研究課程中需講授的內容，并針對不同的教學內容，采用不同的教學方法以提高學生的學習興趣，同時注重將知識的重點和難點融入實例中講解，以加深對學習內容的理解運用。比如，針對數字系統設計概述的教學，以時間為主線對可編程邏輯器件與電子設計自動化技術的發展進行講解，同時要求學生利用圖書館、網絡等資源進行查閱了解并完成相應報告，以此培養學生的學習興趣與鍛煉他們搜索資料的能力；針對基于原理圖設計方法教學則采用演示法教學，對基于原理圖設計與FPGA的開發流程進行演示講解，同時要求學生們在課堂里跟隨教師的演示步驟一起操作，加深對于相關操作的印象；針對VerilogHDL基礎語言教學，采用對比式教學，首先結合已學過的C語言編程技術對比講解完成基礎語言的語法學習，加深學生對具有相同語法的部分的印象，與C語言編程語法不同的部分則是VerilogHDL語言特有的編程語法，需著重講解，加深學生的理解與應用；然后結合數字電子技術課程中典型器件功能電路（如選擇器、譯碼器等）與VerilogHDL語言的實現一一進行對應式教學，使得學生在學習的過程中既能鞏固數字電子技術的內容，也能達到深刻理解并能運用相應的VerilogHDL語言代碼；針對VerilogHDL語言中狀態機的教學，則采用案例式教學，通過十字路口交通燈控制系統與ADC采樣控制系統的設計案例完成對時序進程和組合進程及狀態機一般化運用方法的講解。通過不同教學方法的交叉使用，可以有效提高學生的學習興趣并增強對所學內容的理解與運用。

（二）實踐內容改革

基于CDIO工程教育理念，變革實驗內容。FPGA 技術的實踐性和應用性很強，并且相關技術內容更新較快，傳統教學實驗課內容中驗證性實驗占據絕大部分比例，雖然加深了學生對相關內容的理解，但對學生的主動學習和綜合運用能力鍛煉太少，直接導致培養的人才與企業的實際需求脫軌。因此，需要對實踐教學中的實驗內容進行改革，堅持 “重基礎與技能、 求綜合與創新” 的改革思路，通過內容導向，加強學生工程思維、 調試和分析能力的訓練，提高實踐教學體系的創新性、 綜合性。本次改革設置了課內實驗內容和課外實驗內容。其中，課內實驗設置三種類型，分別為基礎性實驗、提高性實驗和綜合性實驗。其中，基礎性實驗內容為原理的驗證與對基于FPGA設計軟件的處理流程的熟悉，這一部分應當在早期實驗課中進行訓練，同時需要降低其在整體實驗內容的比例；提高性實驗內容則是在熟悉相關原理的基礎上，通過Verilog語言進行簡單電路的設計并結合仿真工具的應用完成電路功能的驗證，這一部分應在基礎性實驗后進行訓練，其所占比例也不應太大；綜合性實驗內容則需結合給定資料，通過自頂向下的設計方法進行分析，完成分電路模塊的設計與仿真驗證，最后將多個電路模塊組合設計，完成整體功能的仿真驗證并進行硬件下載，這一部分在后期實驗課中進行訓練，需要在整體實驗內容占據大部分比例。整個課程通過基礎性、提高性和綜合性實驗循序漸進的訓練，完成對學生FPGA技術的綜合性實踐能力的培養。而課外實驗內容則更多選擇貼近實際生活需求的內容或當前企業需求涉及FPGA技術的內容進行拆分和凝練，形成綜合訓練較強的實驗內容。目前，課程組提供的相應課外實驗內容有數字跑表、數字頻率計、電子琴和VGA顯示控制等。這些課外實驗項目的設計實現既能提高學生興趣，又能增強他們繼續進行深入學習的信心，同時其訓練內容也與社會需求接軌。

（三）實踐方式改革

基于CDIO工程教育理念，變革實踐方式。傳統的FPGA技術實踐方式只局限于課內實驗課，而課內實驗課程時間短，教師與學生、學生與學生之間的交流較少，實踐的機會非常少。CDIO工程教育模式要求把培養目標融入整個課程體系中，每一個能力點都要具體落實到課程和課外活動中[5]。因此，在課程實踐方式上基于時空導向進行改革，恰當利用課外時間與網絡平臺，形成課上課下、線上線下的實踐方式，建立教師與學生、學生與學生相互之間的多元化交流平臺。本次實踐方式改革立足于課外，現有兩種實踐方式：第一，根據上節所述課外實驗內容，教師在理論課教學的過程中根據學生的學習情況將相關內容布置給學生，要求學生利用課外時間完成相關實驗內容的設計、綜合、實現與仿真驗證；而在實驗課內，學生可在完成課內實驗的基礎上對課外實驗進行硬件的下載驗證與測試，這樣可以提高學生對相關硬件平臺的利用率。第二，根據當前FPGA主流技術或者教師自身的實際科研項目建立課外創新小組，為每個小組分配相應的任務；同時，由教師引導小組內成員相互溝通并進行分工協作，并及時對創新小組遇到的問題進行線上線下討論、分析，然后就其階段性成果在課堂上或網絡平臺進行成果發布，調動每個學生的積極性；同時在課內課外鼓勵學生積極參加全國大學生電子設計大賽、創新創業大賽和申請大學生創新基金項目等多種實踐性活動，不斷鍛煉學生的自行發現問題、分析問題及解決問題的能力，以及溝通交流、語言表達和協作能力，不斷增強學生的自信心。

（四）考核方式改革

基于CDIO工程教育理念，變革考核方式。考慮FPGA技術的實踐性要求，結合CDIO工程教育標準，教師在考核方式上要基于過程導向進行改革，整體傾向整個課程學習中的實踐操作能力考核。最終確定FPGA技術課程考核方式為：考勤與平時作業占最終成績的10%，期末考試成績只占最終成績的40%，而實踐考核占最終成績的50%。其中，實踐考核分為平時實驗與實驗考試，平時實驗過程需完成課內實驗指導書指定的內容，同時還需完成課外實驗內容指定的任務，根據學生的設計、仿真、下載和實驗報告給出平時實驗分值，綜合平均多次實驗的成績作為平時實驗成績，該部分占實踐考核成績的60%。實驗考試為教師預先給定一部分綜合性題目，學生抽簽選擇實驗題目并在規定時間內完成電路的設計與功能驗證操作并進行器件的下載，然后在實驗箱上演示電路功能；在進行功能演示的同時，學生需對設計的思路、驗證的方式進行敘述講解，教師根據學生的完成情況和內容敘述給出實驗考試成績，該部分占實踐考核成績的40%。改革后的考核方式通過平時實驗過程考核與最終的實驗考試的綜合考核，鍛煉學生查閱資料、工程設計與實現、文字總結敘述與語言表達等綜合能力，達到培養高素質FPGA技術人才的目的。

四、結束語

本文針對高校FPGA技術課程內容多且更新快、實踐性強的特點與教學現狀，在教學過程中引入CDIO工程教育理念，基于目標導向、內容導向、過程導向等方式，從教學方法、實踐內容、實踐方式和考核方式四個方面進行教學改革，充分調動了學生的積極性，不斷增強學生的主動學習意愿，激發了學生的理解能力和創新性，提高學生發現問題、分析問題、解決問題的工程能力以及文字總結與溝通交流能力，達到培養高素質、高質量人才的目的，以適應當前社會FPGA技術不斷發展的需求。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 劉桂華.基于FPGA的現代數字系統設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012.

[2] 胡靖，杜西亮.基于 FPGA 技術的課程教學改革探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2015（3）：35-36.

[3] 馬欽玉.CDIO 工程教育模式實踐探討[J].合作經濟與科技，2016（19）：134-135.

[4] 徐楊.CDIO 工程教育模式與高校工科學生素質教育的探討[J].中國高教研究，2009（26）：259-260.

[5] 王剛.CDIO 工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009（5）：86-87.

[責任編輯：劉鳳華]