應用型本科院校FPGA課程的教學改革研究

周巧喜 李輝

摘要：針對目前本科院校FPGA課程教學中存在的問題，提出了案例式理論教學、設計性實踐教學和企業走進課堂等教學改革措施。實踐證明，案例式教學降低了理論知識的抽象性;設計性實踐活動，鍛煉了學生親自動手的能力，也給了他們一個更為廣闊的平臺發揮自己解決實際問題的能力;企業走進課堂，真正實現了理論知識與企業實踐的結合。這些改革措施，激發了學生學習的興趣，提升了教學效果。

關鍵詞： FPGA; 案例式教學;實踐教學;教學改革;應用型人才

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）03-0133-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

FPGA[1]是現場可編程門陣列的簡稱。它是一種可編程的邏輯器件，支持對設備中的大量電氣功能進行更改;可由設計工程師更改;可在PCB裝配過程中更改，也可在設備發運到客戶手中后“現場”更改。正是具有這種高度的靈活性，使其在通信、數據處理、網絡和航空航天等領域得到越來越廣泛的應用。

而目前高校關于FPGA技術的教學課程體系尚不完善，主要存在的問題：一是FPGA設計課程偏重理論，而且教學中缺少典型的應用案例，無法讓學生在掌握理論知識的基礎上，做到學以致用;二是FPGA設計是一門應用性較強的學科，教學過程中需要具備較好的硬件環境，以便于學生開展設計性實驗和課外實踐活動。因此，針對上述問題，本文提出了一些關于FPGA課程的教學改革[2-5]措施。

2 傳統教學現狀

首先，理論教學課時較多，理論教學方法單一。課堂上，教師一味地講解各種語句的使用，學生會感到非常的枯燥乏味，而且很難能記住這些語句的用法。另外，“填鴨式”的教學，讓學生失去了主動思考的機會，也就很難調動他們的積極性。

其次，實驗項目中驗證性實驗較多。通常，老師把實驗的步驟和程序代碼直接提供給學生，學生按照步驟輸入程序，軟件仿真沒問題就完成了。學生不用思考程序代碼的編寫，更不會去擴展實驗內容。另外，實驗項目和數字電路課程的實驗有重復現象。由于FPGA的前期基礎是數字電路。因此，在缺乏和前期老師溝通的情況下，很容易導致實驗內容的重復安排。最后由于沒有開發板，學生只能通過軟件仿真查看實驗現象，這和實際下板測試的結果還不一樣。沒有開發板，學生也無法進行引腳分配、下載測試等一系列操作，大大削弱了學生的實踐能力。

最后，考核方式比較單一。通常是期末考試的一張試卷，來決定學生的最終成績，不能全面考查學生的真實情況。這也會讓學生感到是為了考試而學習，無法實現應用型人才的培養。另外，試卷本身也無法達到考查學生真正解決問題的能力。比如，簡單的驗證性實驗中經常會遇到學生不會去查找程序中的錯誤，尤其針對某些物理量的結果不正確。此時，大多數情況下，都是需要學生要學會利用查找中間變量數值的方法，去找出問題的癥結，然后再去修改相應程序。

3 教學改革

3.1理論教學——采用案例式教學

理論課堂的枯燥乏味，很難激發學生學習的熱情，大大降低了學習效率。若在課堂上引入案例式教學，不僅可以降低理論知識的抽象性[6-8]，還將實際的應用案例切實引入到課堂中，這對于培養應用型人才很有必要。另外，由于這些案例非常貼近生活，因此學生也很感興趣。讓學生帶著興趣和任務去學習，更能易于掌握這些理論知識。

下面以層次化設計方法為例講解案例教學的重要性。層次化方法的設計模型如圖1所示。它是對一個很大的系統進行首先拆分成功能模塊1、功能模塊2……，然后對功能模塊1再進行拆分成子模塊1、子模塊2……，直到每個模塊都拆分成很容易實現的最小模塊為止。系統頂層模塊只負責連線，將各功能單元正確地組合起來。一個好的層次化劃分可以有效降低系統開發難度，同時有利于團隊作戰。

為了讓學生更好地理解這種設計思想，同時要拿出一個案例進行講解。如，VGA的顯示設計[9]。若采用層次化設計，可以包括三部分：PLL、VGA和R_G_B，設計框圖如圖2所示。其中，PLL是時鐘分頻模塊。由于開發板的時鐘是50Mhz，而采用的顯示標準800*600*600hz，該顯示模式下需要的系統時鐘頻率為40Mhz。因此，通過調用鎖相環分頻即可實現。VGA行列同步控制模塊，主要標定出有效的顯示區域，這也是整個VGA設計的核心部分。VGA色彩顯示控制部分，在圖像有效顯示區域內，輸出控制顏色的RGB信號。

因此，這個系統被分成了三個模塊進行實現。每個模塊的程序單獨編寫，最后由頂層進行正確的連線即可。通過這個案例，學生輕松掌握了層次化設計的過程，并能體會這種方法的優點。

3.2 實踐教學——改善實驗環境，增加設計性實驗

為了取得更好的實踐效果，教學計劃中增加了設計性實驗和課外實踐活動，同時也改善了實驗室的軟、硬件環境。

工欲善其事，必先利其器。為了更好地學習FPGA課程，需要良好的軟硬件環境。學院不僅給學生安裝了版本較高的Quartus II 軟件，而且新進了一批由北京至芯科技公司提供的型號為EP4CE6E22C8的FPGA教學板。實驗課上每個學生分發一塊教學板。實驗過程中，學生不僅可以通過軟件仿真觀察實驗的結果，還可以下板測試查看實際效果，同時體會兩種結果的不同。另外，下板測試操作，可以讓學生充分了解FPGA開發的整個流程：輸入、綜合、分配、下板測試以及后期調試。

新進的教學板為課外實踐活動的順利開展，提供了有力的保障。學生可以隨時向實驗室借用教學板，在業余時間進行一些小型項目的開發，如，矩陣鍵盤的設計（如圖3）、交通燈、多功能的電子時鐘。不僅鍛煉了學生的動手能力，也鍛煉了他們解決問題的能力。這為后期的畢業設計，打下了一定的基礎。有些同學，后期采用FPGA技術在這些小項目的基礎上，進行了深入設計，設計內容作為畢業設計題材。

其次，實驗內容刪減了與數字電路課程重復的內容，增加了一些設計性實驗，如：編碼器設計、譯碼器設計、數碼管設計等。實驗類型也逐步從驗證型轉化到設計性，甚至可以讓學生去創新。另外，實驗內容的安排盡量和我們后續的畢業設計相關聯。如數碼管設計、VGA顯示、蜂鳴器等，以及PLL、FIFO、ROM的應用。利用這些知識點和相關實驗的基礎知識，學生在高年級所做的畢業設計有貪吃蛇游戲設計、多功能電子相冊設計以及基于FPGA的高速實時圖像采集系統設計等課題。

3.3多元化的考核方式

由于本課程更加注重實踐能力的培養，因此考核方式中，直接將期末考試改為實際操作考試，占比60%，將課外成績的比重提高為40%，這樣更適合本課程特點。

其中，課外成績由平時成績、實驗成績和課外實踐成績三部分組成。平時成績除了考勤、作業外，更注重學生的課堂參與度和對知識的掌握程度。實驗成績更注重過程。每次實驗中，學生的認真態度、編寫以及調試程序的能力和實驗報告等幾方面綜合評分。課外實踐成績：每次學生做完實驗后，都可以繼續擴展實驗內容。例如，數碼管顯示實驗結束后，學生可以利用業余時間進行電子時鐘的設計;VGA顯示實驗結束后，學生可以進行電子相冊的設計。依據學生擴展的知識點（如電子時鐘的正常計時、整點報時、可調整時分秒等功能）和實用性，教師進行合理評分。

整個成績的比例分配：期末60%，平時5%，實驗25%，課外實踐10%。從中可以看出，課外實踐成績比重加大了，說明我們更注重培養學生的動手能力。這種評分方式更適合本課程實踐性、應用性強的特點，與培養應用型人才[10]目標相吻合。

3.4企業走進課堂

為適應學校轉型提升發展，讓學生所學內容與企業接軌，電信系在學院領導的大力支持下，與北京至芯科技公司進行了校企合作，主要做了以下兩方面的工作。

首先，為了讓學生全面認識到FPGA技術發展的前沿動態，學院邀請了至芯科技公司的工程師為我校電信系學生開展了為期4個學時的技術講座。講座講述了FPGA技術的簡介、發展趨勢、應用領域等方面的內容。該講座不僅提供了學生與企業家面對面交流的機會，更加豐富了學生的企業應用知識，加強了學生對該課程將來在企業中的作用。

其次，為了讓學生快速掌握FPGA設計技術，并且將所學知識能夠與企業接軌，至芯科技公司在我院開展了8個課時的校內實訓。培訓采用了INTEL PSG和至芯內部最新的教材，強化FPGA專業知識理論和項目實踐經驗，將最新實訓內容帶入課堂。通過實訓，同學們再次領略了FPGA技術在電子領域的強大魅力。

企業走進課堂，激發學生興趣，開闊學生視野，更好地實現了培養應用型人才目標，切實提高了人才培養質量。

4 結論

FPGA課程教學改革證明，案例式教學降低了理論知識的抽象性;課外實踐活動和多元化考核方式增強了學生的動手和創新能力;企業走進課堂激發了學生學習的興趣，有效地增加了教與學的融合。這些改革措施，有效提升了課堂學習的質量，達到了應用型人才的培養目標。

參考文獻：

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[8]董麗元.趙寧案例式教學在FPGA課程中的研究與探索實驗室科學，2017，20（6）：95-97.

[9] 王建飛.你好FPGA[M].北京：電子工業出版社，2016.

[10] 王彩鳳.應用型本科院校電子設計自動化課程實踐教學改革[J].高師理科學刊，2019，39（3）：89-92.

【通聯編輯：王力】