应用型本科院校FPGA课程的教学改革研究

周巧喜 李辉

摘要：针对目前本科院校FPGA课程教学中存在的问题，提出了案例式理论教学、设计性实践教学和企业走进课堂等教学改革措施。实践证明，案例式教学降低了理论知识的抽象性;设计性实践活动，锻炼了学生亲自动手的能力，也给了他们一个更为广阔的平台发挥自己解决实际问题的能力;企业走进课堂，真正实现了理论知识与企业实践的结合。这些改革措施，激发了学生学习的兴趣，提升了教学效果。

关键词： FPGA; 案例式教学;实践教学;教学改革;应用型人才

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）03-0133-02

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1 引言

FPGA[1]是现场可编程门阵列的简称。它是一种可编程的逻辑器件，支持对设备中的大量电气功能进行更改;可由设计工程师更改;可在PCB装配过程中更改，也可在设备发运到客户手中后“现场”更改。正是具有这种高度的灵活性，使其在通信、数据处理、网络和航空航天等领域得到越来越广泛的应用。

而目前高校关于FPGA技术的教学课程体系尚不完善，主要存在的问题：一是FPGA设计课程偏重理论，而且教学中缺少典型的应用案例，无法让学生在掌握理论知识的基础上，做到学以致用;二是FPGA设计是一门应用性较强的学科，教学过程中需要具备较好的硬件环境，以便于学生开展设计性实验和课外实践活动。因此，针对上述问题，本文提出了一些关于FPGA课程的教学改革[2-5]措施。

2 传统教学现状

首先，理论教学课时较多，理论教学方法单一。课堂上，教师一味地讲解各种语句的使用，学生会感到非常的枯燥乏味，而且很难能记住这些语句的用法。另外，“填鸭式”的教学，让学生失去了主动思考的机会，也就很难调动他们的积极性。

其次，实验项目中验证性实验较多。通常，老师把实验的步骤和程序代码直接提供给学生，学生按照步骤输入程序，软件仿真没问题就完成了。学生不用思考程序代码的编写，更不会去扩展实验内容。另外，实验项目和数字电路课程的实验有重复现象。由于FPGA的前期基础是数字电路。因此，在缺乏和前期老师沟通的情况下，很容易导致实验内容的重复安排。最后由于没有开发板，学生只能通过软件仿真查看实验现象，这和实际下板测试的结果还不一样。没有开发板，学生也无法进行引脚分配、下载测试等一系列操作，大大削弱了学生的实践能力。

最后，考核方式比较单一。通常是期末考试的一张试卷，来决定学生的最终成绩，不能全面考查学生的真实情况。这也会让学生感到是为了考试而学习，无法实现应用型人才的培养。另外，试卷本身也无法达到考查学生真正解决问题的能力。比如，简单的验证性实验中经常会遇到学生不会去查找程序中的错误，尤其针对某些物理量的结果不正确。此时，大多数情况下，都是需要学生要学会利用查找中间变量数值的方法，去找出问题的症结，然后再去修改相应程序。

3 教学改革

3.1理论教学——采用案例式教学

理论课堂的枯燥乏味，很难激发学生学习的热情，大大降低了学习效率。若在课堂上引入案例式教学，不仅可以降低理论知识的抽象性[6-8]，还将实际的应用案例切实引入到课堂中，这对于培养应用型人才很有必要。另外，由于这些案例非常贴近生活，因此学生也很感兴趣。让学生带着兴趣和任务去学习，更能易于掌握这些理论知识。

下面以层次化设计方法为例讲解案例教学的重要性。层次化方法的设计模型如图1所示。它是对一个很大的系统进行首先拆分成功能模块1、功能模块2……，然后对功能模块1再进行拆分成子模块1、子模块2……，直到每个模块都拆分成很容易实现的最小模块为止。系统顶层模块只负责连线，将各功能单元正确地组合起来。一个好的层次化划分可以有效降低系统开发难度，同时有利于团队作战。

为了让学生更好地理解这种设计思想，同时要拿出一个案例进行讲解。如，VGA的显示设计[9]。若采用层次化设计，可以包括三部分：PLL、VGA和R_G_B，设计框图如图2所示。其中，PLL是时钟分频模块。由于开发板的时钟是50Mhz，而采用的显示标准800*600*600hz，该显示模式下需要的系统时钟频率为40Mhz。因此，通过调用锁相环分频即可实现。VGA行列同步控制模块，主要标定出有效的显示区域，这也是整个VGA设计的核心部分。VGA色彩显示控制部分，在图像有效显示区域内，输出控制颜色的RGB信号。

因此，这个系统被分成了三个模块进行实现。每个模块的程序单独编写，最后由顶层进行正确的连線即可。通过这个案例，学生轻松掌握了层次化设计的过程，并能体会这种方法的优点。

3.2 实践教学——改善实验环境，增加设计性实验

为了取得更好的实践效果，教学计划中增加了设计性实验和课外实践活动，同时也改善了实验室的软、硬件环境。

工欲善其事，必先利其器。为了更好地学习FPGA课程，需要良好的软硬件环境。学院不仅给学生安装了版本较高的Quartus II 软件，而且新进了一批由北京至芯科技公司提供的型号为EP4CE6E22C8的FPGA教学板。实验课上每个学生分发一块教学板。实验过程中，学生不仅可以通过软件仿真观察实验的结果，还可以下板测试查看实际效果，同时体会两种结果的不同。另外，下板测试操作，可以让学生充分了解FPGA开发的整个流程：输入、综合、分配、下板测试以及后期调试。

新进的教学板为课外实践活动的顺利开展，提供了有力的保障。学生可以随时向实验室借用教学板，在业余时间进行一些小型项目的开发，如，矩阵键盘的设计（如图3）、交通灯、多功能的电子时钟。不仅锻炼了学生的动手能力，也锻炼了他们解决问题的能力。这为后期的毕业设计，打下了一定的基础。有些同学，后期采用FPGA技术在这些小项目的基础上，进行了深入设计，设计内容作为毕业设计题材。

其次，实验内容删减了与数字电路课程重复的内容，增加了一些设计性实验，如：编码器设计、译码器设计、数码管设计等。实验类型也逐步从验证型转化到设计性，甚至可以让学生去创新。另外，实验内容的安排尽量和我们后续的毕业设计相关联。如数码管设计、VGA显示、蜂鸣器等，以及PLL、FIFO、ROM的应用。利用这些知识点和相关实验的基础知识，学生在高年级所做的毕业设计有贪吃蛇游戏设计、多功能电子相册设计以及基于FPGA的高速实时图像采集系统设计等课题。

3.3多元化的考核方式

由于本课程更加注重实践能力的培养，因此考核方式中，直接將期末考试改为实际操作考试，占比60%，将课外成绩的比重提高为40%，这样更适合本课程特点。

其中，课外成绩由平时成绩、实验成绩和课外实践成绩三部分组成。平时成绩除了考勤、作业外，更注重学生的课堂参与度和对知识的掌握程度。实验成绩更注重过程。每次实验中，学生的认真态度、编写以及调试程序的能力和实验报告等几方面综合评分。课外实践成绩：每次学生做完实验后，都可以继续扩展实验内容。例如，数码管显示实验结束后，学生可以利用业余时间进行电子时钟的设计;VGA显示实验结束后，学生可以进行电子相册的设计。依据学生扩展的知识点（如电子时钟的正常计时、整点报时、可调整时分秒等功能）和实用性，教师进行合理评分。

整个成绩的比例分配：期末60%，平时5%，实验25%，课外实践10%。从中可以看出，课外实践成绩比重加大了，说明我们更注重培养学生的动手能力。这种评分方式更适合本课程实践性、应用性强的特点，与培养应用型人才[10]目标相吻合。

3.4企业走进课堂

为适应学校转型提升发展，让学生所学内容与企业接轨，电信系在学院领导的大力支持下，与北京至芯科技公司进行了校企合作，主要做了以下两方面的工作。

首先，为了让学生全面认识到FPGA技术发展的前沿动态，学院邀请了至芯科技公司的工程师为我校电信系学生开展了为期4个学时的技术讲座。讲座讲述了FPGA技术的简介、发展趋势、应用领域等方面的内容。该讲座不仅提供了学生与企业家面对面交流的机会，更加丰富了学生的企业应用知识，加强了学生对该课程将来在企业中的作用。

其次，为了让学生快速掌握FPGA设计技术，并且将所学知识能够与企业接轨，至芯科技公司在我院开展了8个课时的校内实训。培训采用了INTEL PSG和至芯内部最新的教材，强化FPGA专业知识理论和项目实践经验，将最新实训内容带入课堂。通过实训，同学们再次领略了FPGA技术在电子领域的强大魅力。

企业走进课堂，激发学生兴趣，开阔学生视野，更好地实现了培养应用型人才目标，切实提高了人才培养质量。

4 结论

FPGA课程教学改革证明，案例式教学降低了理论知识的抽象性;课外实践活动和多元化考核方式增强了学生的动手和创新能力;企业走进课堂激发了学生学习的兴趣，有效地增加了教与学的融合。这些改革措施，有效提升了课堂学习的质量，达到了应用型人才的培养目标。

参考文献：

[1] 李辉，邓超.FPGA原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2019.

[2] 万军，屈霞，韩学超.多种教学方法在独立学院“EDA技术”课程中的应用[J].中国电力教育，2014（9）：109-110.

[3] 王凯，周德新，崔海青.EDA及FPGA应用技术课程改革与实践[J].教育教学论坛，2015（40）：151-152.

[4] 杨慧晶，于斌，任明远.基于FPGA课程的教学改革探究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2014（9）：8-9.

[5]李兆光.FPGA实践教学改革与创新中国电力教育，2020（6）：75-76.

[6] 王双燕.案例式教学在独立院校运用研究[J].合作经济与科技，2014（12）：111-112.

[7] 钱翔，夏庆宾，刘莹，等.案例式教学的实践与探索[J].考试周刊，2012（16）：176.

[8]董丽元.赵宁案例式教学在FPGA课程中的研究与探索实验室科学，2017，20（6）：95-97.

[9] 王建飞.你好FPGA[M].北京：电子工业出版社，2016.

[10] 王彩凤.应用型本科院校电子设计自动化课程实践教学改革[J].高师理科学刊，2019，39（3）：89-92.

【通联编辑：王力】