基于FPGA 的新工科數(shù)字電路課程改革探索

王華東 晏中華 何 豐

（重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 重慶 400065）

0 引言

數(shù)字電路課程作為電子相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其課程建設(shè)和教學(xué)方法一直高校相關(guān)專業(yè)教師關(guān)注的重點(diǎn)。然而，隨著信息技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于傳統(tǒng)74 系列中規(guī)模芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字電路課程教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)無(wú)法滿足新形勢(shì)下電子工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)的要求。為解決當(dāng)前數(shù)字電路課程教學(xué)面臨的難題，更好地滿足新工科以及專業(yè)工程對(duì)數(shù)字電路的要求，許多高校數(shù)字電路課程團(tuán)隊(duì)都做出了很多很好的課程改革工作，極大提升了數(shù)字電路課程教學(xué)的效果。[1-6]

在這些實(shí)踐中，將FPGA 引入數(shù)字電路課程，取代傳統(tǒng)的74 系列模塊已經(jīng)成為目前大多數(shù)數(shù)電課程團(tuán)隊(duì)的共識(shí)，并且基于FPGA 平臺(tái)，提出了很多新的教學(xué)方法和考核手段，使得數(shù)字電路課程的教學(xué)更加注重學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的鍛煉。為解決目前我校數(shù)字電路課程教學(xué)中存在的問題，參考兄弟院校的改革經(jīng)驗(yàn)，對(duì)如何將FPGA引入數(shù)字電路課程的教學(xué)工作，展開了探索研究。[5-7]

1 數(shù)字電路課程教學(xué)改革試點(diǎn)

選擇引入FPGA，需要選擇FPGA 設(shè)計(jì)電路的方式。多數(shù)兄弟院校采用VHDL 等邏輯語(yǔ)言的方式設(shè)計(jì)邏輯電路，但基于實(shí)際情況，數(shù)字電路課程學(xué)時(shí)有限，采用VHDL 進(jìn)行數(shù)字邏輯電路對(duì)絕大多數(shù)學(xué)生不具備可行性，[7]因此采用原理圖設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行邏輯電路設(shè)計(jì)。這種方法的好處是和傳統(tǒng)的邏輯電路設(shè)計(jì)方法兼容，學(xué)生易于學(xué)習(xí)掌握，無(wú)需額外學(xué)習(xí)新的語(yǔ)言。FPGA 開發(fā)板選擇小腳丫開發(fā)板，開課后發(fā)給學(xué)生，供學(xué)生課后學(xué)習(xí)使用，學(xué)期末課程結(jié)束后回收開發(fā)板。目前教學(xué)試點(diǎn)進(jìn)行了兩期，具體總結(jié)如下。

1.1 第一期教學(xué)改革試點(diǎn)

第一期課程試點(diǎn)的主要措施有：（1）制作EDA軟件和FPGA開發(fā)板的教學(xué)視頻，要求學(xué)生通過課后自行觀看教學(xué)視頻來(lái)掌握如何使用EDA軟件通過原理圖的方式設(shè)計(jì)和仿真邏輯電路；（2）布置兩次FPGA 課程設(shè)計(jì)作業(yè)，分別布置組合邏輯電路題目和時(shí)序邏輯電路題目。每次學(xué)生可以從多道題目中任選一道完成，課程設(shè)計(jì)題目考核結(jié)果計(jì)入平時(shí)成績(jī)，占總平時(shí)成績(jī)的30%，每次占15%。FPGA 開發(fā)板及EDA 軟件的相關(guān)學(xué)習(xí)資料放在QQ 群共所有同學(xué)下載。

試點(diǎn)結(jié)果顯示，大多數(shù)學(xué)生對(duì)于FPGA開發(fā)板用于數(shù)字電路課程學(xué)習(xí)都表現(xiàn)出較大的興趣。此外，在學(xué)習(xí)EDA 軟件使用方法中，學(xué)生會(huì)遇到各種問題，但大多數(shù)問題都高度相似，實(shí)際上可以通過總結(jié)常見問題來(lái)幫助學(xué)生快速掌握EDA軟件和FPGA 開發(fā)板的使用。這個(gè)結(jié)果實(shí)際上表明在不過分增加學(xué)生負(fù)擔(dān)的情況下，將FPGA 用于數(shù)字電路課程是可行的。這也是第一期試點(diǎn)的最大收益。試點(diǎn)中也出現(xiàn)了很多問題。首先是由于沒有約束，大多數(shù)學(xué)生在短暫的FPGA 學(xué)習(xí)后，很快便放棄學(xué)習(xí)，最后采用抄襲的方式完成FPGA 課程設(shè)計(jì)。其次，期末測(cè)試結(jié)果顯示，進(jìn)行這種教學(xué)改革的班級(jí)，其數(shù)字電路課程的期末測(cè)試成績(jī)相比較未進(jìn)行改革的班級(jí)并未得到提升，表明直接將FPGA開發(fā)板引入數(shù)字電路理論教學(xué)的實(shí)際，并沒有達(dá)到初始的預(yù)期。

對(duì)于第一次課程教學(xué)改革試點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)未達(dá)到預(yù)期結(jié)果的因素可能包括以下幾個(gè)方面，第一：由于監(jiān)督未到位，實(shí)際上FPGA 學(xué)習(xí)流于形式，因此導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。第二：FPGA 學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)課程內(nèi)容獨(dú)立，試點(diǎn)增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，但并沒有對(duì)理論課程學(xué)習(xí)帶來(lái)幫助。

1.2 第二期數(shù)電課程教學(xué)改革試點(diǎn)

為解決第一期試點(diǎn)中存在的問題，又開展了第二期教學(xué)試點(diǎn)工作。本期試點(diǎn)在前期方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，主要有以下幾點(diǎn)：（1）在理論教學(xué)過程中，減少了部分傳統(tǒng)74 系列芯片使用的教學(xué)內(nèi)容，以減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)；（2）所有的設(shè)計(jì)作業(yè)均要求學(xué)生在EDA 軟件和FPGA 開發(fā)板上完成，并驗(yàn)證自行設(shè)計(jì)數(shù)字電路是否正確。（3）將兩次課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)改成固定題目和自選題目，固定題目要求單人完成，考核由助教檢查完成情況；自選題目采用分組完成的方式，考核采用學(xué)生自行演示設(shè)計(jì)，各組之間相互打分，按分?jǐn)?shù)排序給出最終成績(jī)的考核方式，以發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，減少抄襲。

試點(diǎn)結(jié)果顯示，有接近一半左右的學(xué)生在課程中基本能夠掌握相關(guān)EDA 軟件的開發(fā)板的使用，主動(dòng)完成相應(yīng)的邏輯電路設(shè)計(jì)題目。其次，自主選題確實(shí)能夠有效激勵(lì)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新能力。如在考核中，部分同學(xué)基于FPGA 開發(fā)板，完成了諸如呼吸燈、翻閱障礙小游戲、斗地鼠、二人猜拳等有趣的FPGA 設(shè)計(jì)，達(dá)到了一定的預(yù)期。當(dāng)然，考核中也出現(xiàn)了相同的設(shè)計(jì)題目，對(duì)此，在考核打分時(shí)制定了特殊的規(guī)則，所有成績(jī)?cè)谂判蚯靶枰M(jìn)行加權(quán)處理，如果一個(gè)題目是該組獨(dú)有，加權(quán)系數(shù)為1，如果有兩組相同，加權(quán)系數(shù)為0.9，三組相同為0.85，四組及以上為0.8，希望能夠?qū)Τu現(xiàn)象有所懲罰。

在第二期試點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了一些新的問題，主要有以下幾點(diǎn)：第一，由于設(shè)計(jì)作業(yè)均要求學(xué)生在FPGA 內(nèi)完成，使得作業(yè)的檢查很困難，作業(yè)完成完全依賴于學(xué)生的自覺性。后期檢查顯示接近一半的同學(xué)在無(wú)監(jiān)督的情況下，課程后期不會(huì)去主動(dòng)完成設(shè)計(jì)作業(yè)。第二，傳統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容和FPGA 學(xué)習(xí)存在一定的不兼容，前者重視74 系列模塊的使用方法，而后者的電路設(shè)計(jì)非常靈活，并不拘泥具體模塊的使用技巧。第三，在試點(diǎn)過程中，由于事先沒有對(duì)數(shù)字電路課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行良好的協(xié)調(diào)，導(dǎo)致在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上都產(chǎn)生了沖突，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，也弱化了試點(diǎn)的效果。

2 數(shù)字電路課程教學(xué)下一階段探索思考

前期的試點(diǎn)，證實(shí)FPGA技術(shù)能夠應(yīng)用于數(shù)字電路課程的理論教學(xué)當(dāng)中，并且具有相比較傳統(tǒng)方法獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。然而實(shí)踐表明，要想讓FPGA 技術(shù)在數(shù)電課程能發(fā)揮更大作用，還需要解決很多現(xiàn)實(shí)的問題。在分析總結(jié)試點(diǎn)中存在的問題基礎(chǔ)之上，我們對(duì)如何開展下一階段數(shù)字電路課程改革探索有了初步的思路。具體包含以下幾個(gè)方面：

第一，數(shù)字電路課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)涉及FPGA部分的內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，并根據(jù)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)自身的特點(diǎn)，重新分配教學(xué)內(nèi)容和考核內(nèi)容。譬如，將EDA 軟件的教學(xué)以及FPGA開發(fā)板的使用方法學(xué)習(xí)放在課后和實(shí)驗(yàn)課上，并且實(shí)驗(yàn)室提供資源更為豐富功能更為強(qiáng)大的FPGA 開發(fā)板以提供學(xué)生進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)研究。

第二，對(duì)數(shù)字電路課程理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，減少傳統(tǒng)教學(xué)中的74 芯片使用方法的相關(guān)內(nèi)容，增加模塊化設(shè)計(jì)邏輯電路的內(nèi)容。在不增加學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上，調(diào)整學(xué)習(xí)重點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)能力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)及相關(guān)電子競(jìng)賽打下好的基礎(chǔ)。

第三，優(yōu)化數(shù)字電路課程的考核方案。新的考核方案將繼承目前FPGA 測(cè)試中一些證明有效的方案(如學(xué)生FPGA 項(xiàng)目自主選題，學(xué)生自主對(duì)項(xiàng)目打分等)，并且結(jié)合傳統(tǒng)書面考核(如作業(yè)和測(cè)試)和FPGA 題目?jī)煞N方式，盡量發(fā)揮其各自的優(yōu)點(diǎn)，相互補(bǔ)充比較。此外，希望在未來(lái)進(jìn)一步采用網(wǎng)絡(luò)手段，來(lái)提升考核測(cè)試的效率，降低教師的工作量。此外，解決如何有效監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)是需要考慮解決的問題。

3 總結(jié)

可以看到，今后的數(shù)字電路課程將從目前的74 系列芯片體系轉(zhuǎn)移到FPGA 體系。如何適應(yīng)這種變化是目前所有高校數(shù)字電路課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)。本文介紹了我們?cè)趯PGA 引入數(shù)字電路課程理論教學(xué)試點(diǎn)過程中的一些嘗試，總結(jié)了課程改革試點(diǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，也對(duì)試點(diǎn)中存在的問題展開了分析，并介紹了后續(xù)進(jìn)一步課程改革的思路，希望能夠得到相關(guān)同行對(duì)我們工作的建議和指導(dǎo)，使得我們能更好地開展今后的數(shù)字電路課程的改革工作。