基于OBE理念的FPGA課程實驗教學(xué)改革與實踐

魏安靜，鳳 權(quán)，張明艷

（安徽工程大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

引言

OBE（Outcome Based Education）理念是由William Spady在1981年率先提出的，此后經(jīng)過10年左右的發(fā)展，形成了比較完整的理論體系。OBE理念是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念，是當(dāng)前國內(nèi)各高校高度認(rèn)同并付諸實施的理念。OBE理念強調(diào)以能力產(chǎn)出為本位，被認(rèn)為是追求卓越教育的正確方向。安徽工程大學(xué)注重工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)，強調(diào)堅持以高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)為主要目標(biāo)，突出訓(xùn)練學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。由此可見，OBE理念強調(diào)以成果導(dǎo)向的特點與高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的宗旨不謀而合［1］。FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA課程是面向電子信息類專業(yè)的必修課程，是以FPGA技術(shù)為教學(xué)內(nèi)容，通過理論與實踐，了解現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，掌握EDA軟件的使用，訓(xùn)練項目開發(fā)、工程實踐技能的專業(yè)教育實踐課。FPGA是一門實踐性很強的專業(yè)課程，該課程實驗教學(xué)重在提升學(xué)生的動手能力，鍛煉學(xué)生的獨立思維能力和科研能力。現(xiàn)有的FPGA課程實驗教學(xué)存在與學(xué)生培養(yǎng)要求不匹配的問題，亟待進(jìn)行教學(xué)改革［2］。因此，進(jìn)一步提高學(xué)生的動手能力、分析解決問題及團隊協(xié)作的能力，對于培養(yǎng)應(yīng)用型專業(yè)人才具有重要意義。

一、傳統(tǒng)FPGA課程實驗教學(xué)存在不足

（一）實驗教學(xué)內(nèi)容的啟發(fā)性不足

傳統(tǒng)的FPGA課程實驗教學(xué)以驗證性實驗為主，實驗前教師對實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒炞⒁馐马椀葍?nèi)容進(jìn)行分析說明，然后學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書上的參考程序和實驗步驟一步步完成并記錄實驗結(jié)果。但這種教學(xué)方式并沒有獲得良好的教學(xué)效果，很多學(xué)生甚至在完成實驗之后還不清楚這些實驗現(xiàn)象是如何產(chǎn)生和實現(xiàn)的，對于實驗代碼看不懂或不想看懂，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性差，無法鍛煉學(xué)生的獨立思維能力和創(chuàng)新能力。

（二）實驗教學(xué)模式缺少創(chuàng)新性

傳統(tǒng)的FPGA課程實驗教學(xué)是以教師講授為主，學(xué)生按照教師講授的方法和步驟完成實驗，這種教學(xué)方式過于單一，缺乏對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，不利于他們進(jìn)一步深造和發(fā)展。實驗前的預(yù)習(xí)過于形式化，簡單地摘抄實驗指導(dǎo)書上的內(nèi)容，沒有自己的設(shè)計方案和實驗思路，實驗?zāi)康牟幻鞔_。實驗結(jié)束時，教師只檢查實驗結(jié)果是否正確，沒有對實驗過程進(jìn)行評估，對教學(xué)過程也沒有持續(xù)改進(jìn)，致使教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果一般。

（三）實驗考核方式片面性

傳統(tǒng)的實驗考核方式往往是一考定結(jié)果的考核方式，以最后一個實驗或根據(jù)出勤率和實驗報告的成績作為實驗的最終成績，沒有形成閉環(huán)系統(tǒng)，不具有代表性和全面性。學(xué)生的實驗成績都差不多，沒有一個完善的實驗成績評價體系，沒有形成學(xué)習(xí)評估改進(jìn)機制，缺少創(chuàng)新性和高階性。

二、FPGA課程實驗教學(xué)改革

（一）采用漸進(jìn)式的以學(xué)生為中心的FPGA課程實驗教學(xué)體系

根據(jù)電子信息類專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，制定FPGA課程實驗教學(xué)大綱。該課程的學(xué)習(xí)要達(dá)到兩個課程目標(biāo)：（1）了解現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主流設(shè)計平臺、設(shè)計方法、設(shè)計流程；鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識。（2）能夠基于相關(guān)專業(yè)知識，采用科學(xué)方法對具體的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的工程問題進(jìn)行研究，能分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息得到合理有效的結(jié)論。

本課程的任務(wù)是在理論聯(lián)系實踐中對學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)主流設(shè)計方法的訓(xùn)練，增強工程實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，拓寬工程視野，提高綜合素質(zhì)，為后續(xù)學(xué)習(xí)和從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作奠定堅實的工程實踐基礎(chǔ)。我們把FPGA課程實驗分成驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗，建立漸進(jìn)式的實驗教學(xué)體系［3］。在理論課教師介紹完主要的語法知識點之后，會給學(xué)生分配實驗任務(wù)，兩人一組，先從安裝軟件開始，全部獨立操作，在確保軟件能正常運行后，發(fā)放一個小程序進(jìn)行驗證測試，測試通過后，說明軟件和設(shè)備完好，接下來就可以進(jìn)行實驗了。學(xué)生先預(yù)習(xí)流水燈的工作原理和需要達(dá)到的實驗效果，然后分成分頻模塊和流水燈模塊來實現(xiàn)。分頻部分要求學(xué)生能實現(xiàn)任意分頻，開發(fā)板的晶振時鐘是50MHz，需要的時鐘是1～10Hz，將程序下載至開發(fā)板上，我們的肉眼能識別。分頻實驗完成后，再進(jìn)行流水燈的設(shè)計。首先要求實現(xiàn)從左向右的26個燈的循環(huán)亮滅，即每一個時鐘到來時只有一個燈亮，依次向右，并循環(huán)，達(dá)到燈如流水的效果。這是每一個學(xué)生必須要實現(xiàn)的基本實驗功能。基本實驗功能完成后，要求學(xué)生做一些擴展功能。例如：基本功能是從左向右循環(huán)，能否實現(xiàn)從右向左循環(huán)？基本功能一個時鐘只有一個燈亮，能否實現(xiàn)兩個以上的燈同時亮并循環(huán)顯示？基本功能是單方向的循環(huán)，能否實現(xiàn)雙向的循環(huán)？等等。不斷增加流水燈的功能，以達(dá)到不同的實驗效果。如此一來，學(xué)生的積極性提高了，思考更深入了，對同一個實驗?zāi)茏龀霾煌膶嶒炐ЧＴ趯嶒炦^程中出現(xiàn)的問題，學(xué)生既可以在小組內(nèi)討論，又可以在小組之間交流，真正提高了學(xué)生的動手能力和分析解決問題的能力，同時培養(yǎng)了他們的團隊合作精神。流水燈的實驗設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 流水燈實驗流程

（二）采用啟發(fā)式、線上線下混合的實驗教學(xué)模式

整個教學(xué)過程分為課前、課中、課后三個階段。課前推送學(xué)習(xí)視頻和資料，供學(xué)生預(yù)習(xí)和思考。在預(yù)習(xí)過程中，學(xué)生要了解實驗?zāi)康暮蛯嶒炘恚殚喯嚓P(guān)資料提前設(shè)計實驗方案。同時，布置預(yù)習(xí)測試題，測試通過后方可進(jìn)入實驗室。在實驗中采用啟發(fā)式、翻轉(zhuǎn)課堂和線上線下混合的教學(xué)模式，以隨堂提問和小組討論的形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，讓他們積極參與到課堂教學(xué)中。在實驗過程中，教師會觀察每組學(xué)生的動態(tài)和實驗進(jìn)行情況，發(fā)現(xiàn)問題并及時給予指導(dǎo)，采用啟發(fā)且循序漸進(jìn)的方式，幫助學(xué)生優(yōu)化實驗方案，提高實驗效率。在實驗過程中，開展討論和答辯，答辯通過后實驗才算完成。實驗結(jié)束后，教師通過智慧教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺留課后作業(yè)和思考題，限時提交并進(jìn)行在線評講，起到復(fù)習(xí)和鞏固知識的作用。對照教學(xué)大綱、教學(xué)目標(biāo)和指標(biāo)點的達(dá)成情況，及時評價實驗效果，形成持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)系統(tǒng)［4］。教學(xué)模式流程如圖2所示。

圖2 教學(xué)模式流程

與相關(guān)的企業(yè)合作進(jìn)行人才培養(yǎng)模式改革，定期邀請企業(yè)工程技術(shù)人員來學(xué)校開展講座，聯(lián)合指導(dǎo)FPGA綜合大實驗，以市場為導(dǎo)向進(jìn)行人才培養(yǎng)，縮短了學(xué)校培養(yǎng)的人才與企業(yè)需求的人才之間的差距，注重提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力，實現(xiàn)教育與生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。校企合作進(jìn)行實驗教學(xué)基地的建設(shè)和改革，有利于學(xué)生在實踐中檢驗學(xué)到的理論知識，從而增強勞動觀念，練就實踐能力，培養(yǎng)綜合素質(zhì)。

（三）采用全過程、多元化的考核方式

彌補傳統(tǒng)FPGA實驗考核方式的缺陷，采用全過程、多元化的考核方式。最終成績由課前預(yù)習(xí)（25%）、課堂表現(xiàn)（50%）和課后思考與總結(jié)（25%）三部分組成。課前預(yù)習(xí)智慧教學(xué)平臺推送學(xué)習(xí)視頻和學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生了解實驗?zāi)康摹嶒炓蠛蛯嶒瀮?nèi)容［5］。以流水燈為例，主要考查學(xué)生對實驗方案設(shè)計的完整性和可行性。課堂表現(xiàn)主要看學(xué)生在實驗過程中的動手能力及分析解決問題的能力。像流水燈實驗，每個實驗成績按百分制記分，完成基本功能得50分，每完成一個擴展功能加10分，每個實驗結(jié)果都要經(jīng)過教師的檢查和驗收，學(xué)生完成的功能越多越復(fù)雜，加分就越多。課后考核主要是學(xué)生作業(yè)和思考題的完成質(zhì)量，還有對本次實驗的收獲與不足及改進(jìn)措施，主要考查學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力［6］。從考核的權(quán)重來看，更注重學(xué)生在實驗過程中的動手能力和分析解決問題的能力。具體考核依據(jù)如表1所示。

表1 考核依據(jù)

結(jié)語

本文探索了在OBE理念下，更加符合學(xué)生現(xiàn)狀、貼近人才培養(yǎng)目標(biāo)的FPGA實驗教學(xué)新模式。通過教學(xué)改革，突出以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，學(xué)生的主體地位得到了加強，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性得到了提高，分析問題、解決問題的能力也得到了有效提升。在實踐過程中，學(xué)生不僅掌握了FPGA課程的基本理論和設(shè)計方法，還培養(yǎng)了綜合應(yīng)用知識的能力和工程實踐能力，形成了大國意識，崇尚工匠精神。