基于OBE理念的FPGA技術課程教學設計與實踐

呂兆承，李 營，羅靖宇，鄭曉東

（淮南師范學院 電子工程學院，安徽 淮南 232038）

0 引 言

在現代數字系統的設計中，現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）技術已經成為一種廣泛使用的工具，其設計實現的數字系統具有處理速度快、靈活性高、開發費用少、升級簡單、易編程等特點。對電子信息類本科生而言，熟練掌握FPGA設計方法是當代電子工程師必須具備的技能之一。只有學生掌握FPGA開發技術，才能使教學跟上科研的發展，培養出社會需要的人才。FPGA技術課程是為電子信息類專業學生開設的一門實踐性很強的專業基礎課，它可以鞏固數字電路技術的有關知識，也能為后續課程提供有效的實踐教學支持。本課程通過傳授FPGA技術的原理、工具、器件、硬件描述語言以及仿真技術等的理論知識，并循序漸進地從組合邏輯、時序邏輯的開發開始，深入到FPGA的基礎應用、綜合應用和進階應用，使學生在了解FPGA技術一般概念的基礎上，掌握用Verilog HDL語言的數字系統電子設計自動化（Electronic Design Automation, EDA）設計基本方法與流程，學會以Quartus為代表的EDA工具及配套FPGA硬件開發系統的使用，具備獨立設計實現較復雜數字電路和系統的能力，并注重培養學生的實踐能力和創新能力。

1 FPGA技術課程教學現狀

作為普通地方應用型高校，我校以往FPGA技術課程設置為52課時（理論36課時+實驗16課時）。教師根據教材的知識結構，從知識點中梳理出重點，主要從講授知識的角度完成FPGA技術的教學，配以實驗深化知識的理解，教學重點在于知識的講解與知識點相互之間關系的把握。這是一種基于傳統知識點的教學方式，教師是課堂的主體，占有絕對的主動性，雖然可以極大地提高課堂效率，但也存在以下問題：

（1）FPGA技術課程內容繁雜且枯燥，在教學過程中，教師更多考慮課程知識的系統性和完整性，忽略了學生能力和素質的培養，容易讓學生失去學習興趣與信心；

（2）實踐與理論脫節，實驗教學安排在學期后半部分，學生做實驗過程中無法與理論知識聯系，不能深入理解電路程序的編寫和設計思路，過渡依賴教師，能力得不到有效鍛煉；

（3）課程考核形式單一，強調期末考核，卷面考試成績占總成績的70%，平時考核依托于出勤（10%）、作業（20%）等指標，使得許多學生不重視平時的學習過程和實踐環節，達不到培養應用型人才的目的。

通過以上分析，本文以淮南師范學院為例，在工程教育認證背景下，貫徹OBE教育理念，從課程目標、教學內容、教學方式、考核評價等方面對FPGA技術課程進行教學改革探索，助力提高人才培養質量。

2 基于OBE理念的教學改革與實踐

OBE（Outcome-based Education, OBE）是一種基于學習產出的先進教育理念，又稱能力、目標或需求導向教育，以“學生中心，成果導向，持續改進”作為核心理念，現已成為國內外許多高校教育改革的主流理念。與傳統的教育理念相比，它要求教師必須對學生畢業時應具備的能力有清晰的設想，圍繞實現預期的目標成果進行教學設計，從而在教學過程中保證學生達到預期目標。根據社會需求制定課程目標和教學大綱，依據教學大綱進行正向實施，從而完成以學生為中心的課程內容整合和實施，制定多元化、多層次的課程評價體系，根據評價結果進行反思總結并持續改進授課內容。

2.1 將思政融入目標要求，構建學習成果

《高等學校課程思政建設指導綱要》中明確提出，工學類專業課程要注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的國家情懷和使命擔當。根據FPGA技術課程對電子信息工程專業畢業要求相關指標，結合學生的職業規劃和深造發展的需求、現代社會對電子信息類專業人才的需求，確定了FPGA技術課程的目標成果。

目標1：了解可編程邏輯器件的發展歷程和FPGA技術在國內外的發展狀況，理解FPGA的構成、工作原理和應用優勢，激發學生對FPGA技術的學習熱情，培養學生科學、嚴謹的做事態度，提升學生的責任感和社會使命感，樹立奮發有為、強我中華的職業報負。

目標2：熟悉硬件描述語言Verilog HDL的語言特點和基本語法規則，掌握Verilog HDL的設計流程和語句，掌握Verilog HDL實現組合邏輯、時序邏輯和狀態機等各種類型數字電路的方法。

目標3：了解現代復雜數字系統設計技術與驗證技術，掌握描述和分析現代數字系統的方法，樹立正確的設計理念，能夠根據系統功能要求進行硬件模塊的搭建，具有獨立設計實現較復雜數字電路與系統的能力。

目標4：能夠熟練使用Quartus II開發平臺、ModelSim仿真平臺實現模塊的設計與仿真，能夠使用SingalTap II與RTL視圖進行驗證與仿真測試，掌握基于Quartus II的編程、編譯、適配、仿真、配置下載等要點。

在處理數據時，對于5個評分因子的滿意度設置分值，用選項的平均值作為這一問題的總體分值進行統計分析．設對衛生狀況非常滿意的使用者所占比例為，比較滿意的為，一般的為，不太滿意的為，很不滿意的為，同理，對于衛生安全有，，，，，對于價格有，，，，，對于口味有，，，，，對于服務態度有，，，，，對于種類有，，，，．

2.2 以項目引導教學過程，改進教學內容和方式

課堂改革提倡理論授課和實踐環節相融合，將理論知識放入實驗室，推行小班教學，將學生人數控制在15～20人，結合實驗項目進行講解，學生可以邊學習邊實踐，從工程項目中學習知識，在實踐操作中培養分析問題、解決問題的能力。課程組以綜合能力培養為主線，以基本概念、設計原理和相關技術為核心，精心設計了7個基礎設計型實驗和5個綜合系統設計項目（5選1），共計32學時。以任務驅動、典型系統為載體，教學項目為單位，打造課程教學內容的模塊化和專題化，見表1所列。這些項目均由多個模塊實現，每個模塊相對獨立，頂層模塊將各模塊有機整合，便于學生理解和掌握FPGA設計思想和方法。

表1 “FPGA技術”課程內容

采用項目化教學方式，按照工程構思-設計-實施-運行的思路組織教學，要求學生以個人形式完成任務，流程如圖1所示。針對難度較高的綜合性設計實驗，提倡學生自組團隊，通過溝通協作的方式完成任務。此舉一方面可適當降低學生的工作量，自由分配工作內容；另一方面可發揮學生的主觀能動性，培養他們的團隊協作能力。

圖1 基于項目驅動式教學的教學流程

2.3 結合“互聯網+教育”，采用線上線下一體化教學模式

為實現以學生為中心的教與學，本課程采用線上線下相結合，課堂學習與課外學習深度融合的教學方法，分別以超星學習通課堂等虛擬學習環境和教室實驗室等為教育載體，開展教學活動。課前，學生通過網絡平臺的教學資源庫獲取相關學習資源，了解學習目標與學習任務，自主學習。課堂上，以學生為中心，進行線上測試、課堂測試，老師可檢測并了解學生的學習情況。為了更好地適應新的教學模式，需對原有的教學內容作調整，將原來在理論課堂上講授的硬件描述語言要素、基本語法等知識錄制相應視頻或者提供學習資料。除本課程的校內教學資源，還可充分利用網絡資源，在中國大學MOOC、學堂在線等網絡平臺上收集相關的、學生感興趣的、有一定深度的課程章節作為課程教學資源的補充，方便學生課后進一步學習。

利用“互聯網+教育”的思維模式，可以有效對學生的作業完成情況進行大數據統計和分析，如：成績分布、錯誤集中點等，以此改進和優化課程中存在的問題，同時將批閱結果反饋給學生，使其更清晰地了解易錯點，便于討論改正。在教學過程中，學生和教師均有自我調整、獨立思考的空間，滿足教學所需的緊密及時、高效多樣的互動要求。

2.4 構建多元化考核方式，評價課程目標達成度并持續改進

合理、科學的課程考核體系是實現課程目標的重要保障，教師必須確保學生知曉本課程的教學目標、考核內容、考核方式、評分標準、成績構成等信息，既具有督促學生學習的作用，又檢驗了學生平時學習的學習效果，便于老師發現問題并及時解決問題，從而加強學生學習的過程化管理，對學生既有激勵也有約束。課程組采取平時考核、實驗考核和期末考核相結合的考核方式，上述三項在總成績中分別占30%、21%、49%，明顯弱化了期末考核所占比重。平時考核主要對應課程目標1、2、3，教師利用超星學習通課堂APP記錄學生參與情況，包括出勤（10%）、作業（15%）、課堂表現（35%）等，同時引入線上視頻學習（10%）、線上階段測試（20%）、問題討論（10%）等評價模塊。實驗考核對應課程目標4，包括預習（10%）、課堂表現（30%）、實驗報告（20%）、操作測試（40%）。由老師按照百分制分別給出評定成績，并適時公布學生成績。期末考試采取閉卷筆試方式，題型主要有：客觀題（包括填空題、選擇題），對應課程目標1；簡答題，對應課程目標3；設計題，對應課程目標2。

課程目標達成情況使用分目標達成度和總目標達成度來評價。

（1）課程分目標達成度計算：

（2）課程總目標達成度計算：

式中：為課程總目標達成度；G為編號為的課程分目標對應的達成度；Q為編號為的課程目標的權重。

根據專業認證要求，將課程目標值設置為0.7。針對FPGA技術課程，以淮南師范學2020—2021（1）學期，電子信息工程專業2018級學生為例，以學生的期末考試試卷成績和實驗成績為依據計算該課程的達成度，具體見表2所列。

表2 電子信息工程2018級“FPGA技術”課程達成度

根據表中課程目標達成度計算結果可知，學生的目標1和目標3沒有達到預期。分析原因：

（1）試卷難度較大，側重學生綜合能力的考查，其中設計題50分。大部分學生基礎知識掌握較好，表現在填空題、選擇題、簡答題做的較好，而在設計題失分嚴重，反映學生綜合應用能力有待加強；

（2）本課程使用的Verilog語言依托C語言發展而來，兩者在語法結構上有許多相似之處，但它和C語言又有本質的區別，部分同學的軟件設計與硬件設計轉化能力較差；

（3）本課程的專業性與應用性較強，學習難點較大，需多練習，多仿真。

基于上述原因提出以下持續改進措施：

（1）幫助學生明確學習目標，激發學生的學習興趣；

（2）提高教師自身教學水平，學習先進的教育理念、教學方法，認真研究課程中講授的內容；

（3）利用實驗深化理論，使理論與實踐緊密結合，相互促進，以提高學生分析和解決問題的能力；

（4）大力進行本課程的教學資源信息化建設，充分運用網絡教學平臺，使學生單獨學習轉變為合作學習，使教學活動從信息的單向傳遞轉變為雙向交換；

（5）加大過程管理，讓學生能夠從始至終投入精力到學習中，并通過實踐鍛煉學生的工程設計能力。

3 結 語

OBE理念體現了“以學生發展為中心”，要求在教學過程中，教師時刻關注學生的成長。經過幾個學期的實踐，學生的學習態度得到了明顯改善，主動性和參與性逐步提高，更加注重平時的學習與積累。引導學生積極參與教科研項目，借助FPGA平臺，申請國家級和省級大學生創新創業實踐項目，如電子信息工程17級學生成功申報2020年國家級大學生創新創業訓練計劃項目：基于FPGA的多終端智能控制音樂播放器的設計與實現（202010381037）；電子信息工程19級學生申報2020年安徽省級大學生創新創業訓練計劃項目：基于FPGA的非接觸紅外測溫儀設計（202010381010）等。此舉也進一步發揮了教師的主動性和創造性，讓教師更多地參與學生的學習過程，通過“互聯網+教育”改善教學情況，進一步提高教學質量。畢業生就業是課程教學改革的出發點和落腳點，要求建立長期畢業生跟蹤及用人單位需求反饋機制，持續改進，不斷滿足新需求。