基于FPGA項目式技能培養的“電子信息”課程體系改革與探討

徐運武+李艷

摘 要：通過EDA技術的實驗實訓項目與電子信息技術專業多門課程知識點有機結合，可幫助電子信息專業的學生將所學課程以知識模塊的形式連接成一個完整的數字通信系統，以解決傳統實驗箱對學生缺少吸引力，導致學生缺乏學習主動性、創造性的問題，采取以“項目教學法”“案例驅動教學法”“小組討論教學法”以及“學生示范教學法”等教學方法，改變考核方式，將教與學、理論與實際緊密結合，幫助學生建立對通信系統的感性認識，提高學生學習的積極性，培養他們分析和解決實際問題的能力，提高實際操作技能。

關鍵詞：EDA；電子信息；課程體系；項目教學法

中圖分類號：TP39；G712.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-0-03

0 引 言

將《數字通信技術》《EDA技術及應用》《移動通信技術》等電子信息技術專業多門課程有機結合，以幫助電子信息專業學生建立課程體系結構，將所學課程以知識模塊的形式連接起來，形成一個完整的數字通信系統。但從本院近幾屆電子信息專業學生的知識掌握情況來看，由于缺乏系統、科學的學習方法和積極的學習態度，電子信息專業課程的學習效果差強人意，對后續就業產生了較大影響[1]。因此非常有必要形成一門專業課程體系，闡明各課程在實際通信系統中的作用和意義。

1 電子信息課程教學中面臨的問題

（1）學生沒有明確的學習目的，因此提不起學習興趣。如《數字通信技術》《高頻電子技術》和《移動通信技術》等課程理論性非常強，傳統實驗教學的主動權掌握在教師手中，學生處于被動的學習狀態。在教學過程中，教師先講解與實驗內容相關的理論知識，然后進行實驗操作演示，學生通常只需在實驗臺上進行簡單的插接連線、信號測試等工作，最后提交簡單的實驗報告即可。在這種實驗教學模式下，教學內容多以單純驗證與相關理論內容為主。過分強調實驗課作為理論課的驗證手段導致出現了一系列問題：學生缺乏實驗學習的主動性，實驗氣氛沉悶；忽視對學生能力的培養；教師知識更新不及時[2]，實驗內容無法反映通信發展的最新水平；實驗過程缺乏創造性，無法滿足社會對技能人才的要求；缺乏對學生實踐能力的客觀考察與激勵優秀學生的評價機制。

（2）對于《EDA技術及其應用》等課程的教學，教師應把授課重點放在程序設計語言的基本語法講授和掌握上，所選的編程實例大多用于語法規則的驗證和說明，僅從程序設計語言的使用這一角度進行教學，或講授的內容以針對數字電子技術為主，如加法器，觸發器等，與電子信息專業課程或專業領域內的具體項目聯系甚少，學生學習的積極性不高，導致大多數學生在學完本課程后“吃不透、用不活”，對程序中出現的邏輯錯誤不知所措，在開發較大應用程序時不知該從何入手。經過幾次失敗后[3]，學生的學習興趣和主動性逐漸減退，很難實現預期的教學效果。

2 教學改革模式的實施

2.1 理論教學改革

精心規劃實驗項目。高職教育理念以就業為導向，專業理論基礎教學要以“夠用”“適用”為原則。為此，在高職課程教學內容改革上，針對高職院校電子信息類課程的教學實際，力求滿足以學生為本、體現應用的教學要求。一方面要引導學生掌握課程內容的基本概念、應用方法和內在關聯；另一方面，要突出重點、抓住要點和解決難點，提出“以線帶點”的改革思路，實現“點線關聯、線主點重”的學習內容安排，對課程的內容體系進行改革[4]。

2.2 實驗實訓教學改革

構建完整的實驗教學體系，分層次組織實踐教學，針對電信專業課程理論性強、知識點豐富的特點，建立感性的認識，幫助學生鞏固理論知識。因此，通過幫助學生建立通信系統的感性認識，培養他們分析和解決實際問題的能力，提高實際操作技能，并將此作為實踐教學體系構建的目標和出發點。在實踐教學過程中，建立驗證性實驗、仿真設計實驗和創新性實驗層層遞進的實踐教學體系。

模塊一：數字基帶信號模塊

設計項目1：基于FPGA的曼徹斯特碼設計；

設計項目2：基于FPGA的HDB3碼設計；

設計項目3：基于FPGA的單、雙極性NRZ碼設計；

設計項目4：基于FPGA的極性交替反轉碼AMI碼設計；

模塊二：數字編解碼模塊

設計項目1：基于FPGA的線性分組碼編譯碼器設計；

設計項目2：基于FPGA的循環碼編譯碼器設計；

設計項目3：基于FPGA的奇偶校檢碼編譯碼器設計；

設計項目4：基于FPGA的卷積碼編譯碼器設計；

設計項目5：基于FPGA的交織與解交織器設計。

模塊三：數字調制解調模塊

設計項目1：基于FPGA的2ASK調制解調器設計；

設計項目2：基于FPGA的2FSK調制解調器設計；

設計項目3：基于FPGA的2PSK調制解調器設計；

設計項目4：基于FPGA的2DPSK調制解調器設計；

設計項目5：基于FPGA的CMPSK系統設計；

設計項目6：基于FPGA的QPSK系統設計。

模塊四：數字同步模塊

設計項目1：基于FPGA的巴克碼發生器設計；

設計項目2：基于FPGA的序列檢測器設計；

設計項目3：基于FPGA的位同步提取電路設計。

模塊五：數字通信系統模塊的FPGA設計與實現，利用前四個模塊生成元件符號，在頂層設計中實現的數字通信系統設計如圖1所示[5]。

模塊六：綜合設計項目：CDMA通信系統模塊的FPGA設計。

通過對以上各模塊的設計，使學生既能準確理解數字通信系統的組成及各模塊的作用，又能夠熟練掌握EDA硬件描述語言，為后續開發芯片打下堅實的基礎。endprint

2.3 以項目組織實驗，培養學生的實踐能力

以項目組織實驗，每個學生負責一個或兩個具體項目，做到“人人有項目”，由組內其他學生負責輔助工作。實驗室提供基礎實驗平臺、電腦仿真平臺、自制實驗平臺等實驗條件，各組學生可根據自身情況自由選擇實驗方式[6]。

2.4 改革實驗考核方式，建立新實驗評價標準

現有通信專業課程的實驗教學分為兩個模塊，即課內實驗和期末集中實訓或課程設計。傳統考核將課內實驗考核計入課程成績，將集中實訓或課程設計作為單獨的課程計分。這種實驗考核方式割裂了實驗課程的內容，不利于實驗課程的改革，應采取將課內實驗和期末集中實訓或課程設計統一為一門課程的考核方式。考核內容可覆蓋實驗表現、實驗報告和成果、實驗難度等方面，建立完整的數字通信系統實驗考核評價體系，體現“強調過程，重視結果”的考核思想。實驗表現體現在項目組成員互評、教師觀察兩個方面[7]。

3 以“ 交織-解交織的FPGA設計”為例，將移動通信關鍵技術之一與EDA緊密結合

交織技術實質包括發送端的交織和接收端的解交織。在發送端，編碼后的信息輸入交織器后，將連續的信息比特流以非連續的方式送入信道，此時若在信道中加入突發差錯，則在接收端解交織時會將非連續的信息比特恢復成連續比特，同時會將突發差錯轉換為隨機差錯，然后再利用信道解碼的檢查糾錯功能糾正隨機差錯，從而提高信息傳輸的可靠性。

本設計中交織+解交織結構如圖2所示，由ROM模塊、計數器、RAM模塊和二選一選擇器組成， 本設計頂層電路圖和仿真結果如圖3和圖4所示。

（1）計數器模塊CNT的作用在于為選擇器提供順序地址，為只讀存儲器提供順序地址和讀寫控制信號。只讀存儲器中存放著交織地址，但這并不意味著只讀存儲器的輸入輸出方式是交織的，其輸出元素是交織的。該模塊元件符號中各端口作用：clk是時鐘信號，clr是清零信號，ena是使能信號，q是輸出。輸出顯示0～15位數字。主要作用在于讀取順序地址，與后面的交織地址對應。

（2） 選擇器MUX2的主要功能是可進行選擇，對地址過濾，當需要順序地址時，計數器讀取后送到RAM1總線上，然后按照輸入的正常順序讀出來；若需要交織，則計數器的輸出就先送到ROM1地址總線，然后按照ROM1的交織地址按照交織順序輸出。圖中的d1和d2輸出sel，是選擇信號，即控制何時為交織何時為解交織。sel為“1”時交織，為“0”時解交織。q為輸出的結果。

（3）ROM1 只讀存儲器模塊用來存儲和輸出交織地址，其內容何時讀出受計數器輸出控制，程序中的data信號用來輸出交織的地址。交織的數據已存放在ROM1表中，從這里得到最終的結果。我們預先把交織結果存放在ROM1表中，然后采用選擇器來控制輸出交織結果即可。

（4）RAM1模塊用來接收輸入的數據，受選擇器地址控制，并按選擇器地址輸出數據，但其讀寫并非同時進行，映射了實際電路的時延[8]。

如本項目要求，學生要想完成任務，首先需要完全理解交織、解交織的原理與移動通信技術中的關鍵技術，同時也應熟練掌握EDA硬件描述語言的語法和層次設計的方法，能夠熟練使用Quaaus II軟件。經驗證，該軟件比移動實驗箱單純的驗證性實驗效果更好，也能為學生帶來更多的成就感。同時還可根據學生的能力，提出思考問題。若要改變交織深度，提高糾錯能力，只需增加存儲器單元數量和地址線的位數即可。以項目完成情況提供考核標準，讓設計更加靈活。

4 改革目標和擬解決的問題

（1）針對我院的辦學定位、人才培養情況和生源情況，制定了符合我院電子信息專業學生實際情況的數字通信技術、EDA技術、移動通信技術、現代交換技術等課程標準與人才培養方案，考試大綱，編寫了實用教程與相關課程輔導書。

（2）編撰規范的EDA技術及應用、通信原理課程習題試題集與實驗實訓指導書，盡可能編寫適合我專業學生的移動通信技術、EDA技術及其應用教材。

（3）開發學習環境，開放網絡教學平臺及系統，包括教室、學習資源網站、課件等。學生在校內外可以利用網絡平臺自主學習，充分調動學生的腦、眼、耳、手，使教學不再枯燥、教學效果更直觀，大大激發了學生的學習興趣，提高了教學效果[9]。

（4）積極探索多種教學方法，并將其靈活運用到課程教學中，如 “項目教學法”“案例驅動教學法”“小組討論教學法”以及“學生示范教學法”等，以各模塊設計為基礎，提高學生學習的積極性。

（5）改變單一考核方式，提供約10套模擬考試題，針對某些操作性較強的科目設置了理論試題和機試試題，防止學生為了考試而被動學習，提升了課程項目實踐在考核中的比重。

（6）利用我專業電子信息協會創新實驗室的硬件條件，根據學生興趣成立程序設計和硬件電路設計興趣小組，提高學生對編程、做項目的積極性與動手編程能力和創新實踐能力。

（7）改變傳統驗證性實驗教學手段，以實驗箱為主，將示波器作為檢測波形工具，通過硬件調試驗證理論知識的正確性。由于這種實驗方法硬件電路的不穩定性，需要通過調節一系列電位器后才能夠使波形輸出，實驗效果不理想，沒有任何創新之處。若采用軟件編程方式，以任務項目為目標，既可加深對理論知識的理解，又可靈活應用軟件語言，并通過軟硬件的仿真驗證，使結果更穩定清晰，讓學生有一定的成就感，提高其學習興趣[10]。

（8）對比EDA技術與傳統電子技術設計方法，大大縮短了電路產品的研制周期，提高了產品的可靠性、降低了成本。日趨進步和完善的EDA技術正在逐步取代傳統的電子設計方法而成為現代電子設計技術的核心，它是電子技術類課程教學改革的重要方向。將該技術與電子信息專業數字通信技術有效結合，為學生后續課程的學習打下堅實的基礎[11]。

5 結 語

本項目組成員擁有多年的電子信息專業課程教學經驗，對《數字通信技術》《EDA技術及應用》《移動通信技術》《可編程控制實訓》等相關課程之間的關系有深入研究，對各課程在通信系統中的作用非常明確，現已將《數字通信技術》《移動通信技術》等多門通信專業課程實驗實訓與《EDA技術及應用》有效結合，取得了較好的教學效果。

參考文獻

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