鄧文娟，　朱兆優(yōu)，　鄒繼軍，　王海濤

(東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

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SOPC設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

鄧文娟，朱兆優(yōu)，鄒繼軍，王海濤

(東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

摘要：通過分析當(dāng)前SOPC設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程實(shí)踐教學(xué)存在的問題，探討了為適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的需要，針對(duì)以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性為目的的實(shí)踐教學(xué)模式，提出了采用模塊化教學(xué)、分組開放性實(shí)驗(yàn)、層次化考核相結(jié)合的教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：SOPC設(shè)計(jì)與應(yīng)用；實(shí)踐；教學(xué)改革

鄧文娟，朱兆優(yōu)，鄒繼軍，等.SOPC設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2016，35(2)：181-183.

Deng Wen-juan, Zhu Zhao-you, Zou Ji-jun,et al.Exploration on experiment teaching of SOPC design and application[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(2)：181-183.

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)高等教育提出的要求，是高等教育發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物[1]。在歐美廣泛傳播的拉伊實(shí)驗(yàn)教育學(xué)認(rèn)為，“教育絕不能是被動(dòng)地接受和吸收，而是主動(dòng)的、創(chuàng)造的、建構(gòu)的、積極的和活動(dòng)的”； “教育中的因果關(guān)系非常復(fù)雜，需要通過實(shí)驗(yàn)，在有意識(shí)的控制條件下，觀察引發(fā)的各種現(xiàn)象”[2]。近年來，我國在工程人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求之間出現(xiàn)一定程度的脫節(jié)，培養(yǎng)工程創(chuàng)新人才，是高校亟待解決的問題，而想要完成這一任務(wù)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)無疑起著巨大的作用[3-5]。

隨著高集成度、高性能、低成本的可編程邏輯器件FPGA(Field Programmable Gate Array)的出現(xiàn)，基于FPGA的SOC(System on Chip)，即SOPC(System on Programmable Chip)技術(shù)日益成為國際新技術(shù)的研究熱點(diǎn)[6]，并逐步成為IC設(shè)計(jì)發(fā)展的新方向。筆者結(jié)合個(gè)人多年來的實(shí)際教學(xué)實(shí)踐，探索SOPC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革創(chuàng)新，努力尋找提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的方法、以達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)能力的目的[7]。

1激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，注重首次實(shí)驗(yàn)課

SOPC課程是一門綜合性很強(qiáng)的課程，要求學(xué)生具備一定的C語言、EDA設(shè)計(jì)及嵌入式設(shè)計(jì)能力基礎(chǔ)，同時(shí)要求學(xué)生具備較強(qiáng)的軟件運(yùn)用能力，因此學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，容易產(chǎn)生畏難情緒。如何將學(xué)生“要我學(xué)” 轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)積極性是這門課程學(xué)習(xí)的首要難題。

“興趣是最好的老師”，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)觀念的有效途徑。在以往的課程實(shí)驗(yàn)中，首次實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容往往較簡單，學(xué)生對(duì)課程很難有感官上的直接認(rèn)識(shí)。因此，首次SOPC實(shí)驗(yàn)課程中，應(yīng)加入刺激學(xué)生感官的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容。選擇往屆學(xué)生的綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，如俄羅斯方塊游戲、顯示漢字或圖案等較有趣味性項(xiàng)目的演示。增加這樣的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)本門課程的認(rèn)識(shí)更具體化了，雖然對(duì)具體設(shè)計(jì)技術(shù)還不理解，但是學(xué)習(xí)積極性提高了[8，9]。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次化

東華理工大學(xué)電子專業(yè)的學(xué)生入校時(shí)基礎(chǔ)就有較大差別，加之前期課程掌握程度差別，以致學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)SOPC課程的理解程度上存在較大的不同。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，每位學(xué)生實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容都相同，基礎(chǔ)好的學(xué)生覺得實(shí)驗(yàn)太簡單，較短時(shí)間就完成了實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)差的學(xué)生短時(shí)間又消化不了，實(shí)驗(yàn)效果很不好。鹽城師范學(xué)院的周殿鳳老師在SOPC實(shí)驗(yàn)課程改革中采用了層次化的實(shí)驗(yàn)方法[7]，筆者也用此方法進(jìn)行了嘗試，取得了一定的效果，但也存在一些不足，因此在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上做了一些相應(yīng)的改進(jìn)。

首先，每次實(shí)驗(yàn)前，對(duì)每個(gè)班(約30人)的學(xué)生進(jìn)行分組(驗(yàn)證組、設(shè)計(jì)組及綜合組)，結(jié)合學(xué)生的前次實(shí)驗(yàn)效果及學(xué)生的個(gè)人選擇，每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)入到不同的分組中，隨著實(shí)驗(yàn)的開展，每組學(xué)生人數(shù)也會(huì)調(diào)整。第1個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能沒有學(xué)生選擇綜合組，最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，則可能沒有學(xué)生選擇驗(yàn)證組。其中，驗(yàn)證組基礎(chǔ)最弱，設(shè)計(jì)組中等，綜合組基礎(chǔ)最好。以要求完成的內(nèi)容不同來區(qū)分，如流水燈實(shí)驗(yàn)，對(duì)于驗(yàn)證組學(xué)生，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程，修改實(shí)驗(yàn)中遇到的錯(cuò)誤，進(jìn)行演示即為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?duì)于設(shè)計(jì)組學(xué)生，則要求在以上基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)另外2種點(diǎn)亮方法；對(duì)于綜合組學(xué)生，則不僅需要增加點(diǎn)亮方法，還需要能變化指示燈速度。對(duì)于設(shè)計(jì)組、綜合組的額外要求，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上只有設(shè)計(jì)要求，沒有設(shè)計(jì)提示，需要學(xué)生自行設(shè)計(jì)。不同的要求可以杜絕學(xué)生抄襲，也可以真正實(shí)現(xiàn)因材施教，達(dá)到最優(yōu)教學(xué)效果。

東華理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)是在理論課之外，學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)課程的時(shí)間是100分鐘，時(shí)間比較緊張，因此，理論課堂上簡要講述實(shí)驗(yàn)課的具體要求，并進(jìn)行演示，讓學(xué)生對(duì)所需要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果有直觀概念。

其次，隨著實(shí)驗(yàn)難度的加大，很多學(xué)生無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，此時(shí)，要積極引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)或者課外到開放實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最后多安排一次實(shí)驗(yàn)來檢查學(xué)生利用課余時(shí)間補(bǔ)充完成的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生看到自己的設(shè)計(jì)效果時(shí)，學(xué)習(xí)興趣也隨之大大增加。

3實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)化

東華理工大學(xué)開設(shè)的SOPC課程為42學(xué)時(shí)理論+5次實(shí)驗(yàn)+1周綜合課程設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多以較單一知識(shí)點(diǎn)練習(xí)為主，這種實(shí)驗(yàn)情況下，學(xué)生在綜合實(shí)踐周中完成課程設(shè)計(jì)要求困難較大，實(shí)驗(yàn)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)及程序作用不大。而且綜合實(shí)踐周教學(xué)時(shí)，一般學(xué)生還會(huì)有其它的理論學(xué)習(xí)任務(wù)，甚至有考試安排，因此僅有較少部分基礎(chǔ)很好的同學(xué)能夠完成綜合課程設(shè)計(jì)，其他大多數(shù)同學(xué)則盲目抄襲，實(shí)際達(dá)不到課程設(shè)計(jì)的目的。因此，綜合學(xué)生的基礎(chǔ)不同，我們將課程設(shè)計(jì)的題目分為不同的5組，具體舉例如表1所示。

表1　不同組別學(xué)生課程設(shè)計(jì)課題

5組課題中，第5組難度最大，第1組難度最小，不是選擇第5組就一定得優(yōu)秀，選擇第1組就一定不能得優(yōu)秀。當(dāng)然，學(xué)生也可以根據(jù)自身興趣，憑借開發(fā)平臺(tái)提供資源，自選課題，學(xué)生自己帶著問題去做實(shí)驗(yàn)，并積極尋找解決問題的辦法，以更好地提高設(shè)計(jì)能力。因?yàn)镕PGA芯片本身是一張白紙，只要學(xué)生的嵌入式應(yīng)用能力和硬件描述語言足夠好，是可以有較大的發(fā)揮空間，創(chuàng)造出無限可能。當(dāng)然，Quartus II及Nios II軟件本身難度較大，網(wǎng)絡(luò)上又較難找到較多的參考文獻(xiàn)，因此，教師需要在這些方面作較詳細(xì)的指導(dǎo)，以免學(xué)生花費(fèi)大量時(shí)間去摸索。

此外，還可提前下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)，當(dāng)學(xué)生完成第1個(gè)實(shí)驗(yàn)后，對(duì)SOPC課程有了初步的認(rèn)識(shí)，就可以讓學(xué)生選擇相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)課題，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所選擇的課題選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。如學(xué)生選擇課題2則需要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：按鍵實(shí)驗(yàn)、點(diǎn)陣屏實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)等；如學(xué)生選擇課題4則需要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：按鍵實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、VGA控制實(shí)驗(yàn)等。因此，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過需要完成的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)并可供學(xué)生選擇。

經(jīng)過以上改革，學(xué)生對(duì)于課程設(shè)計(jì)不再只是盲目應(yīng)付，在一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，課程設(shè)計(jì)需要完成的目標(biāo)也逐步清晰，學(xué)生對(duì)完成課程設(shè)計(jì)也變得較有信心和興趣。

4實(shí)驗(yàn)考核多樣化

對(duì)于實(shí)驗(yàn)的考核，首先是注重過程的考核，教師指導(dǎo)學(xué)生制作一張記錄卡，記錄實(shí)驗(yàn)操作考核過程。對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告則應(yīng)根據(jù)組別不同而不同，對(duì)于驗(yàn)證組，重點(diǎn)在于驗(yàn)證結(jié)果的分析及實(shí)驗(yàn)體會(huì)。對(duì)于設(shè)計(jì)、綜合組則注重于報(bào)告中介紹設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)過程的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于有獨(dú)到見解及創(chuàng)新思想的學(xué)生，應(yīng)給予積極的鼓勵(lì)和較好的成績。

對(duì)于綜合課程設(shè)計(jì)的考核則應(yīng)分以下三個(gè)組成部分。

(1)課程設(shè)計(jì)開始前2周，學(xué)生每3人一組，以PPT方式，介紹設(shè)計(jì)方案。方案介紹時(shí)，其它組成員及任課教師可以提問，提高方案可行性。此階段著重考察學(xué)生的資料收集能力、分工協(xié)作能力、方案設(shè)計(jì)能力及表達(dá)能力。此環(huán)節(jié)成績占30%。

(2)課程設(shè)計(jì)操作部分完成后，同樣以小組進(jìn)行答辯，演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果、達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)及有待改進(jìn)的地方。此環(huán)節(jié)著重考察學(xué)生的動(dòng)手操作能力、設(shè)計(jì)能力及表達(dá)能力。要求小組每個(gè)學(xué)生參與答辯，此環(huán)節(jié)成績占40%。

(3)課程設(shè)計(jì)報(bào)告部分，學(xué)生根據(jù)課題分工，完成自己的設(shè)計(jì)部分的報(bào)告內(nèi)容，包括設(shè)計(jì)原理、硬件電路、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試過程、結(jié)果分析等，再由組長整理成一份課題完整報(bào)告。改變以往每位同學(xué)都書寫整個(gè)課題設(shè)計(jì)報(bào)告的情況，從而杜絕出現(xiàn)較嚴(yán)重的抄襲報(bào)告現(xiàn)象，避免浪費(fèi)學(xué)生的時(shí)間。此環(huán)節(jié)成績占30%。

5結(jié)束語

在SOPC課程實(shí)踐教學(xué)改革探索過程中，分層次實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐是最大的改變，受到了學(xué)生的普遍歡迎。考核方式的改變也是一大亮點(diǎn)，使得學(xué)生能夠真正重視實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)，教師也能從中找到優(yōu)秀學(xué)生并進(jìn)一步加以培養(yǎng)[10]。經(jīng)過兩個(gè)教學(xué)過程的實(shí)踐，學(xué)生普遍對(duì)SOPC這樣綜合性難度大的課程有了不一樣的認(rèn)識(shí)。但SOPC課程改革中，仍然存在很多問題，比如實(shí)驗(yàn)考核過程中，由于考核細(xì)化，教師工作量加大，有時(shí)候因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系可能做得不夠細(xì)致、公平。另外，F(xiàn)PGA芯片及技術(shù)發(fā)展較快，相應(yīng)開發(fā)板更新也比較快，這就要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠較快更新。另一方面，教師及學(xué)生對(duì)于新技術(shù)的接受能力也是一個(gè)問題。

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收稿日期：2015-09-22

基金項(xiàng)目：校級(jí)教改課題“應(yīng)用型本科《SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)》課程教學(xué)改革探索”。

作者簡介：鄧文娟(1981—)，女，江西高安人，碩士，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)、光電檢測等研究。

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3512(2016)02-0181-03

Exploration on Experiment Teaching of SOPC Design and Application

DENG Wen-juan,ZHU Zhao-you,ZOU Ji-jun,WANG Hai-tao

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013，China)

Abstract：This paper analyzes the problems existing in experiment teaching of the course SOPC design and application, and then explores the experiment teaching model for motivating students’ initiative and creativity, and puts forward the teaching methods which include modularized teaching content, open experiment with group style and graded examination.

Key Words：SOPC design and application; experiment; teaching innovation