基于項目驅動的FPGA實驗教學淺析

趙善珍 胡仕剛

摘要：為了提高學生的就業競爭力，在促進學生項目式編程方面，提出了一種基于項目驅動的FPGA實驗教學。通過三位一體的教學模式，即對項目的設置、實施、總結及考核等三個方面的教學嘗試，極大地提高了學生的學習積極性。實踐證明，項目驅動教學的實施使得教學的質量，促進了學生的就業能力。

關鍵詞：項目驅動;FPGA;實驗教學

近年來，隨著科技的發展，現場可編程門陣列（FPGA）技術滿足實驗中對數據的并行處理，性能穩定且便于攜帶，可無限制的重新編程等特點，這是傳統的串行處理系統不能與之相比的。由于其可靠性較高，FPGA技術在醫療檢測、軍工和航空航天領域得到廣泛使用[1]。

為了讓學生更好的了解科學技術的前沿知識及應用及學生的就業問題，我校特地開設了關于FPGA技術的一些嵌入式系統課程[2]。然而，學生如何能夠從這個過程中獲益并找到有效的教學方法，不僅非常重要，而且更加實用。

1.項目驅動教學的重要性

項目驅動教學法的目的在于通過老師的引導，在教學過程中，學生如何發現問題，提出疑問，并且能夠獨自解決問題[3];通過這種教學方式，培養了學生的創造意識、實踐能力、分析問題和解決問題的能力，培養了學生的職業技能。而傳統的教學方式旨在教給學生一些枯燥的理論知識，達不到教、學、做三者合一的教學模式，很容易把學生引向厭學甚至輟學的心理。因此，在未來的教學過程中，應大力提倡以項目為導向的教學法。

2.基于項目驅動的FPGA實驗教學

2.1選擇FPGA開發平臺

實驗開發平臺的板卡采用Altera Cyclone IV FPGA，以芯片號EP4CE6E22C8為核心，可實現VGA接口、數碼管、SDRAM、LCD1602、LED、獨立按鍵及矩陣鍵盤等資源配置。此板卡可實現FPGA的入門學習的基本要求。相比于Cyclone II FPGA，Cyclone IV FPGA的成本與功耗都有所降低，設計精巧，具有足夠發揮HDL邏輯電路的能力，實現最大的性能，具有更多的價值。實驗采用Verilog HDL硬件描述語言在軟件Quartus II 13 中進行編寫程序，向學生介紹實驗所需的軟件和硬件的基本知識與應用[4]。

2.2項目設置

項目設置是開展項目驅動教學的一個重要環節，教師需要根據實際的教學進度與計劃來選擇合適的項目[5];項目的選擇需要覆蓋所學課程的核心內容，需要把理論知識與實踐相結合才能提起學生對知識的渴望和興趣;教師在選擇項目教學時所選的項目都是有針對性的和代表性的特點，在教學時會對某個項目的知識點，從理論知識出發，從淺入深，層層遞進，逐步深入，從簡單的知識到復雜的系統體系，從而引發學生對所學知識的興趣，再逐步引導學生去發現問題，提出疑問，到最后解決問題。

2.3項目實施

在教學實施過程中，教師將班里的學生分為若干組，但人數的多少要根據每次的任務量而定，要確保每位學生都能參入其中。教師在每個項目的制作過程中也可以相對性的設計若干個小實驗，提出對應的問題供學生去解答。在學生學習初始階段，教師可以根據理論知識設計并且演示幾個相對簡單的小實驗，以引發學生的對學習的樂趣，并鼓勵學生大膽嘗試，去仿寫相似的實驗。在學習期間，根據實際情況，給學生安排課上和課下的任務，加強學生的自學能力;學生在做任務時，可以通過組內討論，組間討論，上網查閱資料及請教老師等方式，盡量每位同學都能通過學習有所收獲。每當學生遇到難題時，教師應多鼓勵學生自己想辦法，如若還不能解決問題，教師可以幫助學生提供解題思路或者演示解題方法供學生參考。根據理論知識的進度，實驗的內容主要分為兩個人部分，第一部分主要包括一些基礎實驗，分別為Quartus II 13.0 開發軟件的使用，全加器及帶進位輸入的加法器、計數器（并行加載、異步清零、同步使能）、數控分頻器、流水燈（狀態機：MOORE機、MEALY機）七段數碼管的顯示等等;通過這些基礎的實驗讓學生練習所學的理論知識，了解Verilog HDL 硬件描述語言的自上而下的設計理念，基本語法結構和基本概念，模塊結構與數據類型。第二部分屬于進階性實驗，主要包括交通燈控制器、數字時鐘設計實驗、電子密碼鎖設計實驗等等;這部分實驗是運用基礎實驗去構建一個綜合性項目。通過這些項目的練習，循序漸進，從易到難，激發學生的創新能力，可以更直觀的達到教學目的。

2.4項目總結及實踐考核

項目驅動教學與以往的傳統教學方式不同，是教、學、做三位一體化的新型教學模式，學生為主，教師為輔，培養學生的發現問題，分析問題和解決問題的能力。項目完成后，每位學生需根據自己小組所選的項目寫一篇項目總結，總結的內容包括項目總體解題思路，分析實驗設計的優缺點，個人所做的工作以及實驗的結果;項目實踐考核成績主要以項目的成果為主，每個小組須選出一位學生作為代表去講解解題過程并做項目成果演示，小組的其他同學可以做補充。其他的成績根據學生的課內表現，實驗報告等視情況而定。

3.結語

通過項目驅動教學，促進了FPGA技術及其理論知識進步的更緊密聯系，并充分鼓勵學習者以創新思維激發自己，提高實踐技能，提高教學效率，充分考慮課程的目的。基于項目的培訓計劃培養學生并提高他們的實用性、發現和解決問題的能力，并增加他們的就業機會。

參考文獻：

[1]張楊，徐艷，朱家村，等. 嵌入式技術的應用研究[J]. 科技信息，2014（2）：147-147.

[2]余國良. 嵌入式圖像處理系統中FPGA重構技術 研究[J]. 華中科技大學， 2015.

[3]朱向慶， 胡均萬， 曾輝，等. CDIO工程教育模式的微型項目驅動教學法研究[J]. 實驗技術與管理， 2012， 29（11）：4.

[4]羅杰， 康華光. 兩種硬件描述語言VHDL/Verilog的發展及其應用[J]. 電氣電子教學學報， 2002， 24（004）：1-5.

[5]雷芳， 余翔， 劉喬壽，等. 促進自主學習的課程考核方式的實踐[J]. 教育研究， 2022， 5（1）：137-140.

通信作者：胡仕剛（1980-），男，湖北咸寧人，博士研究生，教授。從事集成電路設計教學與研究工作