李菊芳，李 婕

（河南工學院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

可編程邏輯器件原理與應用課程教學研究

李菊芳，李 婕

（河南工學院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

文章分析了以往可編程邏輯器件原理與應用課程教學中存在理論教學內(nèi)容枯燥、實驗教學效果不佳等問題，提出將理論教學融合在實踐中的“理實一體化”教學模式。通過有針對性的考核方法證明，該教學模式教學效果良好，不僅提高了學生的理解能力和學習積極性，而且有助于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。

可編程邏輯器件；理實一體化；教學模式；考核方法

0 引言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正在以日新月異的速度向功能多樣化、體積最小化、功耗最低化、開發(fā)周期最短化的方向發(fā)展。同時基于芯片的系統(tǒng)設計方法被越來越多的電子產(chǎn)品設計者所青睞，成為電子系統(tǒng)設計的主流。20世紀70年代，可編程邏輯器件(Programmable Logic Device，PLD)在專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）的基礎上發(fā)展起來，從此設計人員可以在實驗室通過軟件進行配置和對PLD進行編程，設計出具有既定功能的ASIC1[1]。PLD可以反復擦寫，設計者只需通過軟件來修改和升級程序，無須更改硬件設備，從而可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)風險和投入成本，被廣泛應用到航空航天、能源、通信及家用電器等工業(yè)領域。復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)是在新型高密度的PLD基礎上發(fā)展起來的，具有邏輯運算速度快、集成度高、編程方式靈活等優(yōu)點，已成為高校電子通信等專業(yè)的核心課或限選課。

1 教學現(xiàn)狀及存在的問題

可編程邏輯器件原理與應用這門課，歷經(jīng)近20年的教學實踐，教學大綱逐年修訂完善。但是如何組織教學，以更好地激發(fā)學生的學習興趣，如何改進教學方法有效提高教學質量，是教育者探索和研究的重點[2]。

此前本課程采用以理論教學為主、實驗教學為輔的教學模式，在60學時的教學安排中，理論課時占2/3，而實驗課時才占1/3。雖然這在一定程度上實現(xiàn)了理論知識和實驗內(nèi)容相結合的目的，但是仍存在很多不足之處：比如學生在進行理論學習時，對一些枯燥無味的程序不感興趣，久而久之會產(chǎn)生厭學心理；而在實驗課上，又不會運用所學的程序來設計邏輯電路，雖然教師把程序給學生講明白了，但是只要換個電路，或者換種語句來實現(xiàn)，學生就變得一臉迷茫。很明顯這種教學模式不能激發(fā)學生的學習興趣，也很難實現(xiàn)活學活用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 “理實一體化”教學

理論教學，主要是運用教材、講義等材料，采用課堂講授為主、實驗演示為輔的教學模式，是教師將理論知識傳授給學生的一個重要過程。實驗教學，則以實踐操作的方式，將理論知識運用到實際操作中，以期培養(yǎng)學生的綜合運用能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力[3]。而“理實一體化”教學，通俗地講，就是把課堂由教室搬到實驗室，一邊通過實驗操作來發(fā)現(xiàn)問題，一邊通過理論知識的講解來解決問題，即在“做中學，學中做”中發(fā)現(xiàn)知識的奧秘。該模式一方面可以培養(yǎng)學生的EDA職業(yè)能力，另一方面又可以通過實驗操作加深學生對理論知識的理解和運用，可謂是“一箭雙雕”?？删幊踢壿嬈骷砼c應用這門課是一門技術課，在學生掌握理論知識的基礎上，更加注重學生的設計能力、動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]?；诖?，本文提出該課程采用“理實一體化”的教學模式，現(xiàn)將該模式的具體實施過程及進度安排介紹如下。

2.1 具體實施過程

本課程的教材我們使用的是由機械工業(yè)出版社出版的全國高等職業(yè)教育規(guī)劃教材——《CPLD/FPGA應用項目教程》。現(xiàn)以第一章“基于原理圖的全加器設計”為例，結合?？茖W生的學習要求及自身特點，介紹“理實一體化”教學模式的具體實施過程。

2.1.1 提出要求

要求學生設計一個一位全加器。通過基于原理圖輸入的半加器、全加器電路設計，讓學生認識可編程邏輯器件，了解其發(fā)展史、CPLD/FPGA的內(nèi)部結構，以及QuartusⅡ的開發(fā)環(huán)境和可編程邏輯器件的開發(fā)流程。

2.1.2 原理分析

首先從一位半加器的真值表分析開始，給出輸出端口與輸入端口的邏輯表達式，分析一位半加器的實現(xiàn)需要哪幾個門電路；其次畫出一位全加器的真值表并給出其邏輯函數(shù)，分析全加器與半加器的關系；最后分析如何通過一個一位半加器來設計一個一位全加器。

2.1.3 實驗分析與討論

原理分析之后，接下來我們要對實驗內(nèi)容進行分析和討論。每一次實驗都有希望達到的學習目標，我們通過實驗分析對所要學習的理論知識進行講解，以期通過實驗的操作來加深對理論知識的理解。一位全加器的設計有多種實現(xiàn)方法，可以通過原理圖輸入方法來實現(xiàn)，也可以用硬件描述語言來完成；可以由異或門電路來實現(xiàn)，也可以由同或門、非門的組合來完成。究竟采用哪種方式來實現(xiàn)，學生可以根據(jù)自身情況，以小組為單位討論后做決定。因為學生尚未學習硬件描述語言，我們這里只能通過原理圖的輸入方式來完成電路設計。

2.1.4 實驗操作

該過程是用具體的實驗操作來實現(xiàn)學習目標的一個重要過程。要求學生以兩人一組的方式，按照QuartusⅡ的開發(fā)環(huán)境和可編程邏輯器件的開發(fā)流程完成實驗項目。教師要對實驗過程中出現(xiàn)的問題進行答疑，幫助學生查找出錯的地方、分析出錯的原因，最終完成全加器的設計和功能驗證。

2.1.5 總結

在實驗操作環(huán)節(jié)中，我們發(fā)現(xiàn)學生還存在很多問題，比如在工程的創(chuàng)建過程中，實體命名沒有按照標識符的規(guī)則命名，器件選型與試驗箱上的FPGA型號不符等。我們通過總結這個環(huán)節(jié)，分析實驗過程中存在的問題，指出容易出錯的地方，避免學生在今后的實驗中重蹈覆轍。同時對實驗內(nèi)容做一回顧，對理論知識加以梳理，旨在幫助學生加深對知識的理解，提高學生解決問題和分析問題的能力。

2.2 教學進度安排

依據(jù)該課程的培養(yǎng)方案，其學時定為60學時。通過本課程的學習，要求學生達到以下目標：（1）認識可編程邏輯器件的發(fā)展史，了解 CPLD/ FPGA內(nèi)部結構；（2）掌握CPLD/ FPGA的開發(fā)流程；（3）能利用原理圖、VHDL等輸入方式設計邏輯器件；（4）能綜合運用相關知識設計和開發(fā)典型的數(shù)字電路系統(tǒng)，以期達到動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?；诖私虒W目標，該課程的進度安排和學時分配如附表所示。

附表 進度安排和學時分配

2.3 教學效果

一年的教學實踐證明，“理實一體化”教學模式充分地將理論知識與實驗操作相結合，在實踐中發(fā)現(xiàn)“新大陸”、解鎖新知識，活學活用，大幅提高了學生的動手能力和創(chuàng)新能力。靈活多變的實驗加理論教學模式，提高了學生的學習積極性，使他們由被動學習變?yōu)橹鲃訉W習。課堂學習內(nèi)容不再是枯燥無味的程序代碼，也不再是強調再三的語法格式，而是實實在在地通過每一個電路的實現(xiàn)，每一個項目的設計，完成了VHDL語句的學習和應用，教學效果良好，達到了該課程預設的學習和培養(yǎng)目標。

3 考核方式探索及實踐

好的教學模式要有好的考核方法與之對應。由于傳統(tǒng)的閉卷考試只是檢驗學生對知識點的掌握程度，無法檢測學生的知識運用能力和創(chuàng)新能力，故不再適用于本教學模式。為了檢驗“理實一體化”教學模式的改革成效，我們采用課程設計的方式來進行考核。

結課后教師給出一些課程設計題目，學生可以從中選取一個，也可以參考這些題目自行定題，在規(guī)定的時間內(nèi)完成自己的課程設計，之后交由教師驗收。通過驗收后，學生需認真撰寫課程設計論文，并統(tǒng)一上交紙質論文。最終，教師根據(jù)學生的課程設計內(nèi)容是否能夠實現(xiàn)，是否達到了預期設計效果，是否具有創(chuàng)新性等給出該學生的成績。通過調查發(fā)現(xiàn)，對比傳統(tǒng)的閉卷考試方式，該考核方式更適用于本課程“理實一體化”的教學模式。

4 結語

歷史的車輪不斷向前，教育的實施不斷創(chuàng)新。教育者要掌握當前學生的特點，立足于培養(yǎng)學生的學習能力和創(chuàng)造能力，通過對課程的理解，尋找適應課程的教學模式。作為一名教師，只有提高自身修為，與時俱進，不斷改革教學模式，不斷創(chuàng)新教學方法，才能做學生真正的啟迪者、引路人。

（責任編輯 楊文忠）

[1] 張智慧.CPLD/FPGA應用項目教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2015.

[2] 陳飛云.可編程邏輯器件應用課程教學實踐探索[J].福建電腦，2016，35(3)

[3] 石新峰，牟光臣.《可編程邏輯器件原理及應用》課程實踐教學研究[J].新鄉(xiāng)學院學報，2009，26(3).

[4] 潘松.EDA技術實用教程[M].北京:科學出版社，2010.

Research and Practice of the Course PLD Theory and Application

LI Ju-fang，et al
(Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

The teaching problems of PLD theory and application such as the boring teaching content of the theory course and the poor effect of experiment teaching effect are analyzed , and the teaching mode of“Theory-practice integration” which combines theory with practice is put forward to in this paper. the teaching mode which not only can improve the students' understanding ability and learning initiative, but also help to cultivate students' practice and innovation ability is proved to be effective through the examination method, and has a wide range of the teaching process.

programmable logic device; theory-practice integration; teaching model; examination method

G642

A

1008–2093(2017)03–0067–03

2017-01-23

李菊芳（1987―），女，河南平頂山人，助教，碩士，主要從事移動通信物理層算法研究。