应用型本科FPGA课程教学模式的探索

1、    应用型本科fpga课程教学模式的探索    邱欣寅+袁志骞摘要：近几年来，fpga技术飞速的发展，众多高校争相开设fpga课程，本文通过分析教学过程中出现的问题，提出了结合工程应用的课堂引导教学，以学生团队为主体的项目实践性教学，建立辅助教学手段等有效方法，改变了传统的按部就班、单一的课堂教学模式，提高了教学质量。关键词：应用型本科；fpga；教学模式：g642.0 文献标 一、前言fpga技术经过二十多年的发展，现在已经被广泛应用到各个领域，并成为越来越多领先技术的系统解决方案。从2000年起fpga技术开始引入国内电子工程专业的研究生教学中，

2、并在2005年后开始在本科生教学中大面积铺开1。当时由于fpga刚刚进入中国市场，无论对于教师、企业研发人员，还是本科生、研究生来说，fpga的教学几乎都是同时展开的，一切从零开始，摸索着前进。但7年后的今天，fpga技术已经相当成熟，从当初的仅仅在研究生阶段才开设的fpga课程，到现在各大高校本科阶段都争相开设，fpga技术的普及程度越来越高。但fpga作为一种实用技术面临的最大问题是产品性能更新换代的速度快，从教学内容、教学思想到教学资源都面临不断更新的问题。在这里不仅有一个教师如何适应电子技术的发展，自身不断学习提高的问题，而且还有一个如何将新知识有效传输，让学生学到真本事，使学生在毕业

3、后能够更快地适应工作的问题。建设应用型本科为主的独立学院，面临的问题很多，但突出实践教学，跟上技术的进步始终是我们应把握的方向。笔者在这7年中作为学生和教师的双重身份，见证着fpga在国内的发展，深深体会着fpga教学的逐步变化，从不同的角度剖析现有fpga教学中还存在的诸多问题。现在把教学过程中遇到的主要问题及解决方法与大家探讨，希望可以更好地促进fpga教学的发展。二、fpga教学的现状及问题长期以来，由于独立学院实验室条件有限，fpga技术的课程教学仅仅局限在理论教学中，导致教学过程中出现了教师难教，学生难学的情况，严重影响了教学的效果，最终导致整个课程学习下来学生依旧无法独立开发fpg

4、a项目，仅仅是纸上谈兵。传统的fpga教学一般都是先介绍可编程门阵列的结构特点，然后介绍eda软件工具的使用，接着花大量的时间讲解硬件描述性语言2。这种传统的按部就班式的教学模式，虽然对夯实理论基础很有帮助，但是毕竟教学课时是有限的，对学生来说现在所学到的东西让他们没有方向感，甚至不知道这个fpga到底怎么用、用在哪。如果一味进行课堂教学，缺少实际的动手操作或者工程实践，就会造成学生的学习兴趣不浓，现在很多学生都对这种传统的教学模式感到枯燥。目前fpga课程中硬件描述语言教学通常选择vhdl语言，国内外教材也大多使用vhdl语言编写。vhdl由美国军方组织开发，正由于军方的优势，使其在1987

5、年就成为了ieee标准3。vhdl语法规范严谨，由于其历史较长，参考资料及程序范例也更加容易寻找，但不足之处也是显而易见的，对于学生来讲，它是一种全新的、独立的编程语言，无论对于电子专业或者计算机专业的学生来说都需要从头学起，增加了学生的学习负担，容易在一开始打击学生的自信心。三、改进fpga教学的探讨fpga这门课程的教学目标是要使学生在掌握基本原理的基础上，能自主实现系统设计，这就需要给学生提供一个真实的系统设计案例，让学生从中体会和感悟设计思想、设计过程以及分析问题的方法，在教学过程中，利用“逐项引导+项目驱动”的教学模式，培养学生的自主学习能力、系统设计能力和语言表达能力。本文结合我校

6、fpga课程改革前后的对比，探讨fpga教学模式的改变对fpga教学所起到的效果。1.结合工程应用的课堂引导教学。在学生学习fpga的入门阶段，尚未熟悉设计方法与技巧，对于fpga的应用还一无所知，此时采用案例教学法最为适宜，结合工程应用的课堂引导教学，通过剖析工程案例，引导学生以个人自学、集体讨论、小组展示演讲等形式，分析和研究工程案例，从而激发带动学生主动思考，培养学生发现问题、解决问题，归纳和总结问题经验的能力。例如，在学生第一次操作实验时，通常都会使用控制led灯交替闪烁的方式学习对单个管脚的控制。而我在这个实验的基础上，引入十字路口交通灯的问题，引导学生分组讨论如何利用现有知识实现实

7、际工程应用，在实现的过程中，有何优点与不足，如何加以改进，如何完善功能等，在集体讨论中，各组代表介绍本组的方案，其他各组可以提出反驳，引起辩论，最终得出最优方案，集体论证方案的可行性，确定最终方案，并在软硬件中实现功能。通过这样的课程学习，学生对fpga设计的一般流程有了深刻的认识，极大地提高了学生主动学习的兴趣，在一正一反的辩论中产生了更多的思想火花，加深了对fpga应用的理解，解决实际问题的能力得到了极大加强。2.以学生团队为主体的项目实践性教学。我校fpga教学实验平台采用的是altera公司的de2-70实验套件，不论是从性能上，还是扩展能力上，对于学生学习fpga技术都是绰绰有余的。

8、在采购数量上，我校根据实际各班人数，最终确定购买50套de2-70实验套件，其中40套用于课堂教学，另外10套用于学生课外科技活动，组织那些对fpga技术充满喜爱同时又有很强的专业动手能力的学生，让他们以团队的形式接触fpga技术更深入的内容。对于各方面表现较为出色的团队，可提前进入毕业设计环节，部分优秀的学生加入教师的科研项目团队中，将会取得更好的学习效果，达到学用结合、学以致用的目的。由于本课程采取了课内外结合的教学模式，通过一定时间的学习和训练，学生的动手能力有了很大提高，他们有很多机会参加各类电子设计大赛。例如我系两届学生参加“全国大学生电子设计竞赛”均取得了令人鼓舞的好成绩。反过来，

9、组织学生团队参加电子设计大赛，为获奖团队提供一定的物质奖励和精神鼓舞，为这些团队联系校外实习实践机会，以赛促学，又可有效激发不同层次学生的学习热情，培养学生的团队协作能力、动手能力和创新能力，带动整个专业学生的学习风气。endprint3.建立辅助教学手段，弥补课堂不足。fpga课程是一门实践性特别强的课程，要真正学好fpga，光靠上课这些课时是不够的，需要学生在课后自主学习和研究。在自学的过程中会产生很多问题，对于不同类型、不同需求的学生，我们需要采用不同的辅助教学手段用以弥补课堂教学的不足。（1）充分利用网络资源，打造第二教学阵地。巧用即时通信软件和电子邮件搭建交流平台，用不同方式满足不同

10、性格学生的需要。例如有些学生较善于沟通和理解，他们会使用qq、msn等方式进行交流，即时提问即时回答。但又有些学生不太善言辞，或者不喜欢即时表达，可以选择使用电子邮件沟通，在二个工作日内会给予答复。充分利用我校开设的网上课程中心，建立网上教学平台，提供教学以及相关技术资料和文档供学生下载查看，并提供留言板供师生交流使用。同时在最大的工程师社区网站csdn开设公共账号，供学生使用，用于上传和下载技术资料。（2）培养教师助手参与教学实践活动。从优秀团队中选出能言之人轮流担任“小老师”，采取与任课教师共同备课、课堂上承担部分辅导任务、课后教师点评等形式，使教师教学与学生学习相得益彰。因为大家都是学生

11、，可能是同年级的，又或者是学长学姐，都是同学关系，所以很多不好意思问老师的问题，可以在同学间的“教学相长”中逐渐得到掌握，这也在一定程度上扫清了教师教学的盲区，从而提高整体的教学效果。在实践环节中，可能许多学生遇到的问题相同，但每位学生的理解却不同，此时教师需要逐个回答他们的疑惑，影响了教师的教学进度和实践效果，但在教学助手的协助下，教师可以从中抽离出来，解答更多不同的问题，让不同程度的学生都可以解决学习中的疑点，提高整体教学质量。4.从veriloghdl语言入手，消除不必要的学习障碍。verioghdl创建之初是为更便捷、更有效地描述数字硬件电路和仿真而设计的，它的许多关键字与语法都继承了

12、c语言的传统，只要有c语言基础，可以很快采用verioghdl语言进行简单的fpga项目开发。对于教学中硬件描述语言的选择上，到底是选择verioghdl语言还是选择vhdl语言，它们各有特点，但从学习的复杂度考虑，更加倾向于选择verioghdl语言，纵观各大高校历年fpga教学大纲，2009年之前主要以vhdl教学为主，但从2009年开始，发现verioghdl在中国发展势头强劲，以至于许多高校从2010年起把硬件描述语言教学改为了verioghdl语言。两者在程序最终实现效果上差别不大，但是对于仅仅只有c语言基础的电子专业工科学生来说，vhdl语言显然是个大负担。而与c语言有血缘关系的verioghdl语言更有优势，同时也可以省下学时，把时间放到实验中去4。四、总结以上只是笔者从事fpga教学工作后的几点想法，并通过实践证明了其中的优点，但fpga教学过程中仍然存在较多的问题，例如：教学团队还不够强大，只能凭着少数几个教师自己摸索进行fpga教学的改革试点；市场上适合个人开发学习使用的fpga开发板种类还较少，同时配套教材更加缺乏等。总之，在有限的教学时间内，入门容易但灵活运用较难，暂且只能做到师傅领进门，修行靠个人的程度。笔者将在接下去的教学过程中继续探索，争取把fpga教学做得更好，为提高应用型本科人才的实践能力做出贡献。参考文献：1倪晓明.fpga