論學生中心視域下驗證性實驗的有效實施

劉宏月 梁義濤 張猛

摘要：驗證性實驗在工程專業實驗教學中的作用是基礎性的，為落實以學生所得為中心的認證理念，應該更新對驗證性實驗的認知，實時開展個性化教學。在實驗教學實施的過程中，教師要重視學生在驗證性實驗項目上的參與度和獲得感，做到差別對待，有效利用課時;試錯調試，提升實際問題分析能力;重復實驗.提升EDA設計體驗。

關鍵詞：工程教育專業認證;實驗教學;驗證性實驗

“學生中心、成果導向、持續改進”是工程教育專業認證的三大核心理念。其中，“學生中心”理念體現了工程教育的本質目的，是要以“學生所得”為培養目標達成的評價核心和落腳點，是專業認證中首要和根本的理念。“成果導向”是在以“學生所得”為中心的基礎上教學設計、組織和實施的具體方法論。“持續改進”是在以“學生所得”為中心的基礎上瞄準培養目標、畢業要求達成的保障體系建立的基本原則。以學生為中心原則要求面向全體學生進行評價，即常說的“看差不看優”。

工程教育專業評價的核心內容是“學生所得”。對工程類專業學生而言，工程實踐的素質和能力就是“學生所得”的核心。當今，工程實踐教育早已成為工科類高等教育的基本教育環節，其基本內容涵蓋了課程內實驗、實踐課程、實習環節、畢業設計以及其他創新實踐類環節（如第二課堂等）。“學生所得”具化到實驗教學過程中，直接體現為認識一體驗一再認識一再體驗的儀器設備操作和工程設計能力提高的過程。筆者嘗試結合所授課程EDA技術基礎，在學生中心視域下，就課程內實驗中驗證性實驗的教學設計和組織進行研究。

一、EDA技術基礎課程性質及實驗項目設置

電子信息類專業都會開設一門專業課程——EDA技術基礎。它是一門綜合應用各課程知識的綜合性應用課程，也是一門直接應用于實際工程設計的專業工程設計課程。其先修課程包括模電、數電、微機原理等課程，是一門融合電子設計技術和計算機技術的“集成性”技術課程。

課程教學內容上，涉及可編程邏輯器件的基本認知知識、設計技術的基本原理和方法，編程語言及其在電子系統設計中的應用、相關的軟件設計平臺的熟練使用等。整體的設計過程包含四個環節：需求分析、設計輸入、設計仿真及分析、下載實現。需求分析與其他編程類課程沒有太大的差別，最終給出關鍵信號或邏輯變量以及相應的抽象邏輯應用模型即可。設計輸入包括兩種方式：原理圖輸入或文本輸入。而在一個較為復雜的電子產品設計中往往會涉及兩種輸入方式配合使用的情況，因此對于需求分析形成的邏輯模型的功能劃分就成為關鍵。常見的做法是基本的功能單元使用文本輸入的方式，生成本系統專用的邏輯器件，系統頂層使用原理圖輸入方式，將設計好的各個功能邏輯單元進行連接形成最終系統。設計仿真主要有時序仿真和功能仿真兩種，時序仿真主要就是分析設計給出的實際時序結果從邏輯上是否滿足要求，而功能仿真則是指結合了實際的芯片后，時序是否還能保持原有的設計要求。實際上，功能仿真更加接近實踐，通過設備下載到芯片或配置芯片上，就可以實際運行了。針對以上內容及要求，本課程設置了8個實驗，共計20學時，占總課時數的37%。就課程實驗教學環節而言，常規意義上可分為三個層次的實驗設置：驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗。驗證性實驗是指對研究對象有了一定了解，并形成了某種假說，為了驗證這種假說是否正確而進行的一種實驗。驗證性實驗的主要目的并不是為了搜集事實材料，而是要把研究工作引向深入，從而加深對研究對象的某些性質和規律的認識。綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗。設計性實驗指給定實驗目的要求和提供實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗。

基于課程目標、畢業要求和培養目標的達成，在教學內容設計上，三類實驗應該是一個有機的整體，而教學組織等實施環節更應該側重它們對于學生創新性培養和學生參與度逐次遞進的有效銜接。

二、重視驗證性實驗的實施過程

驗證性實驗一般在課程實驗內容上占較大的比例（EDA技術基礎課程驗證性實驗占總實驗學時的60%），其設置的目的是通過驗證某種課程內相關知識點的假說，在不斷完善對課程要求知識和技能的直觀認識基礎上，促進學生課程認知能力的提高，為后續的綜合性、設計性實驗乃至創新性科技活動打下基礎。在實際的實施過程中，如果教學實施過程中只是簡單孤立地對待一個個的實驗項目，卻忽略了各個課內實驗的設置是一個有機整體，尤其是對于驗證性實驗重視不夠，往往會造成銜接不暢的情況，勢必影響教學效果。因此，在實驗教學實施的過程中，尤其要重視學生在驗證性實驗項目上的參與度和獲得感。

（一）差別對待，有效利用課時

通常情況下，實施驗證性實驗的一般過程是：通過教師講解使得學生了解某實驗的實驗原理、實驗方法與步驟、實驗注意事項：學生嚴格按照實驗指導的流程進行操作并觀測現象及結果，最后完成實驗，分析比較結果，獲取相關知識和技能。這一過程中，只要學生嚴格按照要求操作，一般均能又快又好地完成實驗。但是，由于學生實驗動手能力存在差別，有些學生完成實驗較快。這時，我們會對學生重新分組，實驗做得好的學生指導做得不好的學生，讓學習程度不同的學生各有所得。

另外，教師還可根據學生的實驗完成情況，實時微調或擴展實驗內容，提高他們對實驗設備、實驗環境的熟悉程度。本課程所使用的實驗設備有10種工作模式，對應10種不同的電路結構圖，驗證性實驗指導說明中會直接指定某種工作模式。教師通過深入講解不同的工作模式工作原理和電路結構，對同一個實驗進行設計微調或改動，可以選擇不同的工作模式實現，從而達到激發學生主動學習意愿的目的。

（二）試錯調試，提升實際問題分析能力

教師可以積極地引導學生對設計輸入進行試錯，如連接線缺失、輸入錯誤等，針對出現的調試信息進行分析，并與實際操作相對應，讓學生形成較為直觀的印象。整個調試問題的解決過程學生能夠親身體會，印象也就更深刻。

比如，學生對于仿真階段必須設定的時鐘頻率的概念認識模糊，實際中只是機械地選用默認工作主頻設置。這往往會造成功能仿真階段設計結果出現邏輯錯誤和毛刺，但是從實驗設計邏輯中卻找不到錯誤，如果沒有設計經驗，對這類錯誤的調試將無從下手。教學實踐中，當這類錯誤發生時，我們并不是直接指出學生的錯誤所在，而是引導學生在仿真階段多次重復，設置不同的時鐘頻率，使學生認識到時鐘頻率設置不同會影響最終的仿真結果。然后再講解FPGA器件工作主頻對電子系統設計的重要作用，使學生從實踐到理論全面理解仿真階段工作主頻設置的重要性和設置原則。引申介紹主頻信息可以從FPGA芯片手冊中獲取，進而引出閱讀芯片手冊的重要性及方法。如此，一個調試過程，可以使學生親身體驗和領會相關概念的內涵和外延，有益于學生對于相關知識體系的搭建和認知的豐富。

（三）重復實驗，提升EDA設計體驗

實驗指導書通常給出的是原理性設計的引導，學生需要用文本輸入的方式進行改寫。體會程序設計（文本設計方法）給現代電子系統設計帶來了變化，其方便、快捷、直觀，突破了領域局限。本課程實驗中，有兩個驗證性實驗是緊密相關的，一個是原理圖輸入形式的一位全加器的設計，另一個是利用設計好的一位全加器器件組合為一個四位全加器，依然是原理圖設計輸入形式。在學習了相關的設計語言之后，還可返回前面實驗.引導學生用設計語言設計一位全加器，且要求運用不同的表達方式。然后再將該設計打包成一位全加器器件，按照原來的實驗設計用原理圖設計輸入的形式實現四位全加器設計。學生在此過程中，可以充分體驗利用已有器件庫的原理圖設計方法與利用硬件編程語言的文本設計方法的等效性特點。

另外，由于硬件編程語言的格式要求，一位全加器的功能語句最少可能只有兩條即可實現，但形式上看起來不一定很簡潔。這時教師可以適時地引入程序設計的四位全加器進行比較，使學生直接體會到越是復雜的系統設計，程序設計的優點就會越突出。

根據實施的經驗來看，這部分的重復設計工作可以在課外進行，課內只是下載驗證一下，因此，一般不需要占用太多的課時。但是，對于激發學生的主動學習興趣和提升能力卻非常有效。

三、結語

綜上，只有進一步優化驗證性實驗教學方法，強化驗證性實驗過程的靈活性和重復性，針對每個學生的不同程度、不同問題，實時微調實驗方案，才能切實做到以“學生所得”為中心的認證理念的落實，提升工程專業學生的工程實踐能力，提高學生的培養質量。