應(yīng)用型本科FPGA課程教學(xué)模式的探索

邱欣寅+袁志騫

摘要：近幾年來，F(xiàn)PGA技術(shù)飛速的發(fā)展，眾多高校爭相開設(shè)FPGA課程，本文通過分析教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，提出了結(jié)合工程應(yīng)用的課堂引導(dǎo)教學(xué)，以學(xué)生團(tuán)隊(duì)為主體的項(xiàng)目實(shí)踐性教學(xué)，建立輔助教學(xué)手段等有效方法，改變了傳統(tǒng)的按部就班、單一的課堂教學(xué)模式，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；FPGA；教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo) 一、前言

FPGA技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，并成為越來越多領(lǐng)先技術(shù)的系統(tǒng)解決方案。從2000年起FPGA技術(shù)開始引入國內(nèi)電子工程專業(yè)的研究生教學(xué)中，并在2005年后開始在本科生教學(xué)中大面積鋪開[1]。當(dāng)時由于FPGA剛剛進(jìn)入中國市場，無論對于教師、企業(yè)研發(fā)人員，還是本科生、研究生來說，F(xiàn)PGA的教學(xué)幾乎都是同時展開的，一切從零開始，摸索著前進(jìn)。但7年后的今天，F(xiàn)PGA技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，從當(dāng)初的僅僅在研究生階段才開設(shè)的FPGA課程，到現(xiàn)在各大高校本科階段都爭相開設(shè)，F(xiàn)PGA技術(shù)的普及程度越來越高。但FPGA作為一種實(shí)用技術(shù)面臨的最大問題是產(chǎn)品性能更新?lián)Q代的速度快，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)思想到教學(xué)資源都面臨不斷更新的問題。在這里不僅有一個教師如何適應(yīng)電子技術(shù)的發(fā)展，自身不斷學(xué)習(xí)提高的問題，而且還有一個如何將新知識有效傳輸，讓學(xué)生學(xué)到真本事，使學(xué)生在畢業(yè)后能夠更快地適應(yīng)工作的問題。

建設(shè)應(yīng)用型本科為主的獨(dú)立學(xué)院，面臨的問題很多，但突出實(shí)踐教學(xué)，跟上技術(shù)的進(jìn)步始終是我們應(yīng)把握的方向。筆者在這7年中作為學(xué)生和教師的雙重身份，見證著FPGA在國內(nèi)的發(fā)展，深深體會著FPGA教學(xué)的逐步變化，從不同的角度剖析現(xiàn)有FPGA教學(xué)中還存在的諸多問題?，F(xiàn)在把教學(xué)過程中遇到的主要問題及解決方法與大家探討，希望可以更好地促進(jìn)FPGA教學(xué)的發(fā)展。

二、FPGA教學(xué)的現(xiàn)狀及問題

長期以來，由于獨(dú)立學(xué)院實(shí)驗(yàn)室條件有限，F(xiàn)PGA技術(shù)的課程教學(xué)僅僅局限在理論教學(xué)中，導(dǎo)致教學(xué)過程中出現(xiàn)了教師難教，學(xué)生難學(xué)的情況，嚴(yán)重影響了教學(xué)的效果，最終導(dǎo)致整個課程學(xué)習(xí)下來學(xué)生依舊無法獨(dú)立開發(fā)FPGA項(xiàng)目，僅僅是紙上談兵。傳統(tǒng)的FPGA教學(xué)一般都是先介紹可編程門陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后介紹EDA軟件工具的使用，接著花大量的時間講解硬件描述性語言[2]。這種傳統(tǒng)的按部就班式的教學(xué)模式，雖然對夯實(shí)理論基礎(chǔ)很有幫助，但是畢竟教學(xué)課時是有限的，對學(xué)生來說現(xiàn)在所學(xué)到的東西讓他們沒有方向感，甚至不知道這個FPGA到底怎么用、用在哪。如果一味進(jìn)行課堂教學(xué)，缺少實(shí)際的動手操作或者工程實(shí)踐，就會造成學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不濃，現(xiàn)在很多學(xué)生都對這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式感到枯燥。目前FPGA課程中硬件描述語言教學(xué)通常選擇VHDL語言，國內(nèi)外教材也大多使用VHDL語言編寫。VHDL由美國軍方組織開發(fā)，正由于軍方的優(yōu)勢，使其在1987年就成為了IEEE標(biāo)準(zhǔn)[3]。VHDL語法規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)，由于其歷史較長，參考資料及程序范例也更加容易尋找，但不足之處也是顯而易見的，對于學(xué)生來講，它是一種全新的、獨(dú)立的編程語言，無論對于電子專業(yè)或者計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說都需要從頭學(xué)起，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，容易在一開始打擊學(xué)生的自信心。

三、改進(jìn)FPGA教學(xué)的探討

FPGA這門課程的教學(xué)目標(biāo)是要使學(xué)生在掌握基本原理的基礎(chǔ)上，能自主實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這就需要給學(xué)生提供一個真實(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例，讓學(xué)生從中體會和感悟設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)過程以及分析問題的方法，在教學(xué)過程中，利用“逐項(xiàng)引導(dǎo)+項(xiàng)目驅(qū)動”的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和語言表達(dá)能力。本文結(jié)合我校FPGA課程改革前后的對比，探討FPGA教學(xué)模式的改變對FPGA教學(xué)所起到的效果。

1.結(jié)合工程應(yīng)用的課堂引導(dǎo)教學(xué)。在學(xué)生學(xué)習(xí)FPGA的入門階段，尚未熟悉設(shè)計(jì)方法與技巧，對于FPGA的應(yīng)用還一無所知，此時采用案例教學(xué)法最為適宜，結(jié)合工程應(yīng)用的課堂引導(dǎo)教學(xué)，通過剖析工程案例，引導(dǎo)學(xué)生以個人自學(xué)、集體討論、小組展示演講等形式，分析和研究工程案例，從而激發(fā)帶動學(xué)生主動思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，歸納和總結(jié)問題經(jīng)驗(yàn)的能力。例如，在學(xué)生第一次操作實(shí)驗(yàn)時，通常都會使用控制LED燈交替閃爍的方式學(xué)習(xí)對單個管腳的控制。而我在這個實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入十字路口交通燈的問題，引導(dǎo)學(xué)生分組討論如何利用現(xiàn)有知識實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)的過程中，有何優(yōu)點(diǎn)與不足，如何加以改進(jìn)，如何完善功能等，在集體討論中，各組代表介紹本組的方案，其他各組可以提出反駁，引起辯論，最終得出最優(yōu)方案，集體論證方案的可行性，確定最終方案，并在軟硬件中實(shí)現(xiàn)功能。通過這樣的課程學(xué)習(xí)，學(xué)生對FPGA設(shè)計(jì)的一般流程有了深刻的認(rèn)識，極大地提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，在一正一反的辯論中產(chǎn)生了更多的思想火花，加深了對FPGA應(yīng)用的理解，解決實(shí)際問題的能力得到了極大加強(qiáng)。

2.以學(xué)生團(tuán)隊(duì)為主體的項(xiàng)目實(shí)踐性教學(xué)。我校FPGA教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺采用的是Altera公司的DE2-70實(shí)驗(yàn)套件，不論是從性能上，還是擴(kuò)展能力上，對于學(xué)生學(xué)習(xí)FPGA技術(shù)都是綽綽有余的。在采購數(shù)量上，我校根據(jù)實(shí)際各班人數(shù)，最終確定購買50套DE2-70實(shí)驗(yàn)套件，其中40套用于課堂教學(xué)，另外10套用于學(xué)生課外科技活動，組織那些對FPGA技術(shù)充滿喜愛同時又有很強(qiáng)的專業(yè)動手能力的學(xué)生，讓他們以團(tuán)隊(duì)的形式接觸FPGA技術(shù)更深入的內(nèi)容。對于各方面表現(xiàn)較為出色的團(tuán)隊(duì)，可提前進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，部分優(yōu)秀的學(xué)生加入教師的科研項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中，將會取得更好的學(xué)習(xí)效果，達(dá)到學(xué)用結(jié)合、學(xué)以致用的目的。

由于本課程采取了課內(nèi)外結(jié)合的教學(xué)模式，通過一定時間的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生的動手能力有了很大提高，他們有很多機(jī)會參加各類電子設(shè)計(jì)大賽。例如我系兩屆學(xué)生參加“全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽”均取得了令人鼓舞的好成績。反過來，組織學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加電子設(shè)計(jì)大賽，為獲獎團(tuán)隊(duì)提供一定的物質(zhì)獎勵和精神鼓舞，為這些團(tuán)隊(duì)聯(lián)系校外實(shí)習(xí)實(shí)踐機(jī)會，以賽促學(xué)，又可有效激發(fā)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動手能力和創(chuàng)新能力，帶動整個專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)氣。endprint

3.建立輔助教學(xué)手段，彌補(bǔ)課堂不足。FPGA課程是一門實(shí)踐性特別強(qiáng)的課程，要真正學(xué)好FPGA，光靠上課這些課時是不夠的，需要學(xué)生在課后自主學(xué)習(xí)和研究。在自學(xué)的過程中會產(chǎn)生很多問題，對于不同類型、不同需求的學(xué)生，我們需要采用不同的輔助教學(xué)手段用以彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。（1）充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，打造第二教學(xué)陣地。巧用即時通信軟件和電子郵件搭建交流平臺，用不同方式滿足不同性格學(xué)生的需要。例如有些學(xué)生較善于溝通和理解，他們會使用QQ、MSN等方式進(jìn)行交流，即時提問即時回答。但又有些學(xué)生不太善言辭，或者不喜歡即時表達(dá)，可以選擇使用電子郵件溝通，在二個工作日內(nèi)會給予答復(fù)。充分利用我校開設(shè)的網(wǎng)上課程中心，建立網(wǎng)上教學(xué)平臺，提供教學(xué)以及相關(guān)技術(shù)資料和文檔供學(xué)生下載查看，并提供留言板供師生交流使用。同時在最大的工程師社區(qū)網(wǎng)站CSDN開設(shè)公共賬號，供學(xué)生使用，用于上傳和下載技術(shù)資料。（2）培養(yǎng)教師助手參與教學(xué)實(shí)踐活動。從優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)中選出能言之人輪流擔(dān)任“小老師”，采取與任課教師共同備課、課堂上承擔(dān)部分輔導(dǎo)任務(wù)、課后教師點(diǎn)評等形式，使教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)相得益彰。因?yàn)榇蠹叶际菍W(xué)生，可能是同年級的，又或者是學(xué)長學(xué)姐，都是同學(xué)關(guān)系，所以很多不好意思問老師的問題，可以在同學(xué)間的“教學(xué)相長”中逐漸得到掌握，這也在一定程度上掃清了教師教學(xué)的盲區(qū)，從而提高整體的教學(xué)效果。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，可能許多學(xué)生遇到的問題相同，但每位學(xué)生的理解卻不同，此時教師需要逐個回答他們的疑惑，影響了教師的教學(xué)進(jìn)度和實(shí)踐效果，但在教學(xué)助手的協(xié)助下，教師可以從中抽離出來，解答更多不同的問題，讓不同程度的學(xué)生都可以解決學(xué)習(xí)中的疑點(diǎn)，提高整體教學(xué)質(zhì)量。

4.從VerilogHDL語言入手，消除不必要的學(xué)習(xí)障礙。VeriogHDL創(chuàng)建之初是為更便捷、更有效地描述數(shù)字硬件電路和仿真而設(shè)計(jì)的，它的許多關(guān)鍵字與語法都繼承了C語言的傳統(tǒng)，只要有C語言基礎(chǔ)，可以很快采用VeriogHDL語言進(jìn)行簡單的FPGA項(xiàng)目開發(fā)。對于教學(xué)中硬件描述語言的選擇上，到底是選擇VeriogHDL語言還是選擇VHDL語言，它們各有特點(diǎn)，但從學(xué)習(xí)的復(fù)雜度考慮，更加傾向于選擇VeriogHDL語言，縱觀各大高校歷年FPGA教學(xué)大綱，2009年之前主要以VHDL教學(xué)為主，但從2009年開始，發(fā)現(xiàn)VeriogHDL在中國發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，以至于許多高校從2010年起把硬件描述語言教學(xué)改為了VeriogHDL語言。兩者在程序最終實(shí)現(xiàn)效果上差別不大，但是對于僅僅只有C語言基礎(chǔ)的電子專業(yè)工科學(xué)生來說，VHDL語言顯然是個大負(fù)擔(dān)。而與C語言有血緣關(guān)系的VeriogHDL語言更有優(yōu)勢，同時也可以省下學(xué)時，把時間放到實(shí)驗(yàn)中去[4]。

四、總結(jié)

以上只是筆者從事FPGA教學(xué)工作后的幾點(diǎn)想法，并通過實(shí)踐證明了其中的優(yōu)點(diǎn)，但FPGA教學(xué)過程中仍然存在較多的問題，例如：教學(xué)團(tuán)隊(duì)還不夠強(qiáng)大，只能憑著少數(shù)幾個教師自己摸索進(jìn)行FPGA教學(xué)的改革試點(diǎn)；市場上適合個人開發(fā)學(xué)習(xí)使用的FPGA開發(fā)板種類還較少，同時配套教材更加缺乏等。總之，在有限的教學(xué)時間內(nèi)，入門容易但靈活運(yùn)用較難，暫且只能做到師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行靠個人的程度。筆者將在接下去的教學(xué)過程中繼續(xù)探索，爭取把FPGA教學(xué)做得更好，為提高應(yīng)用型本科人才的實(shí)踐能力做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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