基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究
——以黑龍江大學(xué)為例

于志鵬，艾春鵬

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

翻轉(zhuǎn)課堂作為一種新型教學(xué)模式，它的核心理念是學(xué)生在進(jìn)行某一課程學(xué)習(xí)時(shí)，將課堂時(shí)間與課下時(shí)間翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高課堂時(shí)間利用率。這種教學(xué)模式翻轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)的教學(xué)理念、教學(xué)流程及教學(xué)參與者的角色，可以在很大程度上提高課堂時(shí)間利用率，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生討論、分析和解決問題的能力[1]。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式無法完全適應(yīng)當(dāng)前集成電路人才培養(yǎng)的要求。擬從黑龍江大學(xué)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程為切入點(diǎn)，研究基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能、創(chuàng)新精神的人才為目標(biāo)，致力于為黑龍江大學(xué)在滿足社會(huì)需求的高校人才培養(yǎng)方案的制定與實(shí)施歷程中探索行之有效的方法。

1 數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)課程為黑龍江大學(xué)集成電路專業(yè)學(xué)生本科階段的必修課。傳統(tǒng)的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程可使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，熟練軟件使用過程，增強(qiáng)動(dòng)手操作能力，但還存在如下三方面問題：

A.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有待改進(jìn)。在傳統(tǒng)的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，上課前，學(xué)生基本不了解實(shí)驗(yàn)儀器和軟件，也不清楚實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容。課程開始后，教師需要把相應(yīng)理論知識(shí)、儀器操作和軟件使用等內(nèi)容一一講授清楚，在有限學(xué)時(shí)內(nèi)，更多的講授時(shí)間就壓縮了學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和探索更深入問題的時(shí)間，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

B.實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單。目前，黑龍江大學(xué)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容較為基礎(chǔ)，基本單元電路的設(shè)計(jì)仿真占比較大，開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不多。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要涉及比較器、編碼器和加法器等基礎(chǔ)門電路的仿真，學(xué)生使用ModelSim軟件通過Verilog語言編寫相應(yīng)電路的網(wǎng)表，然后編寫對(duì)應(yīng)testbench文件并進(jìn)行仿真驗(yàn)證所寫電路網(wǎng)表功能的正確性。這類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生熟練掌握編程語言和軟件使用，并加深對(duì)基本單元電路的理解，但內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于學(xué)生設(shè)計(jì)綜合能力的進(jìn)一步培養(yǎng)還有所欠缺。

C.實(shí)驗(yàn)課程考核機(jī)制單一。傳統(tǒng)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的考核成績(jī)只做為其理論課程總成績(jī)的一小部分。黑龍江大學(xué)的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的考核形式一般為學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)課程中是否完成了幾項(xiàng)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成后所得成績(jī)的疊加即為該門實(shí)驗(yàn)課程的總成績(jī)。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有固定性和同一性，成績(jī)較好的學(xué)生快速完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后難于進(jìn)一步進(jìn)行探索研究，這種簡(jiǎn)單的考核方式無法很好反映出學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能的梯度，也不利于學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新型思維進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，阻礙了學(xué)生的實(shí)踐能力發(fā)展。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的改革探索

A.課堂翻轉(zhuǎn)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，教師應(yīng)由專注“如何教”轉(zhuǎn)向研究學(xué)生“如何學(xué)”。在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可根據(jù)本次課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在課程開始前一周將相應(yīng)的學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)、軟件操作、硬件搭建及要解決的問題以電子文檔或視頻的形式放于共享平臺(tái)上。學(xué)生需要在共享平臺(tái)上進(jìn)行課前學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)期間應(yīng)查閱相關(guān)參考資料，將簡(jiǎn)單的知識(shí)點(diǎn)盡量通過自學(xué)解決，將重點(diǎn)難點(diǎn)問題標(biāo)記出來，在課堂中與教師或?qū)W習(xí)小組交流、討論，并最終解決問題[2]。這種翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)課堂的教學(xué)方式，強(qiáng)化了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)，提高了課堂時(shí)間利用率，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量[3]。

B.實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和模式改革。實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況的檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，因此，應(yīng)打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程輔助理論課程開設(shè)的現(xiàn)狀，將數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)部分作為一門擁有獨(dú)立學(xué)分的必修課。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)具有基礎(chǔ)性、多樣性、創(chuàng)新性和完整性，確保學(xué)生在做好基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)后，切實(shí)提升創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中應(yīng)增加綜合電路設(shè)計(jì)題目所占比重。目前，實(shí)驗(yàn)室擁有SEED-XDTK FPGA教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，擁有視頻顯示、LED顯示、數(shù)碼管等驗(yàn)證設(shè)備，可開設(shè)多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。學(xué)生可利用該平臺(tái)完成編寫源代碼、綜合、編寫測(cè)試文件、功能仿真、約束設(shè)計(jì)、布局布線后仿真、生成FPGA下載代碼文件、FPGA下載程序和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證結(jié)果全流程。應(yīng)充分利用SEED-XDTK FPGA教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的強(qiáng)大功能，將該平臺(tái)貫穿數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程始終，如：可增加數(shù)碼管顯示、LED跑馬燈、頻率計(jì)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，獨(dú)立電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目也應(yīng)利用該平臺(tái)進(jìn)行開展。這對(duì)于提高學(xué)生的數(shù)字電路設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和掌握FPGA開發(fā)過程具有重要意義。

C.完善實(shí)驗(yàn)課程考核機(jī)制，注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。應(yīng)建立課前學(xué)習(xí)考核制度，督促學(xué)生做好課前學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式若要在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中達(dá)到好的效果，就必須建立適當(dāng)?shù)恼n前考核機(jī)制。可將學(xué)生課前學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)和通過課前學(xué)習(xí)掌握基礎(chǔ)知識(shí)的程度作為一項(xiàng)課程考核指標(biāo)，考核分?jǐn)?shù)計(jì)入最終實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)內(nèi)(占實(shí)驗(yàn)總成績(jī)的20%)，進(jìn)而督促學(xué)生必須做好課前學(xué)習(xí)。

數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)部分的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)能力，因此，要注重實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新性設(shè)計(jì)能力的考核。以往實(shí)驗(yàn)總成績(jī)由每次實(shí)驗(yàn)得分累加獲得，改革后，實(shí)驗(yàn)總成績(jī)應(yīng)為課前學(xué)習(xí)考核得分(20%)、每次完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容考核得分(20%)和完成一個(gè)獨(dú)立電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)考核得分(60%)三項(xiàng)累加獲得。獨(dú)立電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要完成電路建模、電路網(wǎng)表編寫、testbench編寫和在FPGA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行功能驗(yàn)證等工作。教師可根據(jù)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中每一步驟的完成情況給出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，這樣可以較為細(xì)致地檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和電路設(shè)計(jì)能力的掌握情況，而且獨(dú)立電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分值占比較高，如果不能完成電路設(shè)計(jì)，則該門課程無法通過考核，可通過這種方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，加強(qiáng)學(xué)生的緊迫感，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3 結(jié)語

通過對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的研究，結(jié)合黑龍江大學(xué)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程現(xiàn)狀，探索了基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程存在的問題，提出了課堂翻轉(zhuǎn)、完善課程考核機(jī)制和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革的方法，可以增強(qiáng)師生之間的交互性，增加學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，有助于教師在課堂上更好地掌握每一位學(xué)生真正的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果，從而有效提升學(xué)生的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐能力。