徐鋒 龍惠民 劉桂華

[摘 要]基于CDIO工程教育理念，高校FPGA技術(shù)課程教學(xué)應(yīng)針對(duì)教學(xué)方法、實(shí)踐內(nèi)容、實(shí)踐方式以及考核方式等方面進(jìn)行改革探索。教師可綜合運(yùn)用演示法、對(duì)比式、案例式等教學(xué)方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將當(dāng)前社會(huì)主流的FPGA應(yīng)用項(xiàng)目分解于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，使學(xué)生在課堂實(shí)踐接觸的內(nèi)容與當(dāng)前社會(huì)需求接軌；以項(xiàng)目或任務(wù)的方式建立課外創(chuàng)新小組，形成課堂課外線上線下多元實(shí)踐方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高其工程實(shí)踐能力；結(jié)合CDIO工程教育標(biāo)準(zhǔn)在考核，方式上側(cè)重于實(shí)踐操作能力考核。通過這些改革措施最終能培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)的理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題的創(chuàng)新精神和綜合能力，以滿足當(dāng)前社會(huì)對(duì)高質(zhì)量FPGA技術(shù)人才的需求。

[關(guān)鍵詞]CDIO；工程教育；FPGA技術(shù)；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）11-0064-03

○、引言

隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程邏輯器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性[1]。FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，作為可編程邏輯器件的一個(gè)重要分支，其因直接面向用戶，具有極大的通用性，以及使用方便、開發(fā)效率高、成本低、工作可靠性高等特點(diǎn)。該技術(shù)在通信、 數(shù)據(jù)處理、 網(wǎng)絡(luò)、 工業(yè)控制、 云計(jì)算、軍事和航空航天等領(lǐng)域不斷得到廣泛應(yīng)用。由此，社會(huì)對(duì)熟練掌握 FPGA 技術(shù)的高素質(zhì)高校畢業(yè)生的需求逐年增加[2]。國(guó)內(nèi)各大高校自20世紀(jì)90年代末起陸續(xù)開始進(jìn)行FPGA技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的課程建設(shè)，旨在提高學(xué)生利用FPGA器件進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，加強(qiáng)FPGA技術(shù)相關(guān)人才的培養(yǎng)。然而，人才培養(yǎng)的速度仍然未能趕上相關(guān)技術(shù)發(fā)展對(duì)相關(guān)人才需求的增速。特別是近年來，F(xiàn)PGA技術(shù)再次進(jìn)一步發(fā)展，其所提供的性能、成本、功耗和容量都已經(jīng)達(dá)到甚至超過此前專用IC或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)器件（ASSP）的水平，應(yīng)用階段已經(jīng)從最初主要應(yīng)用于原型設(shè)計(jì)逐漸延伸到最終產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，甚至有專業(yè)人士認(rèn)為，21世紀(jì)最具決定性的集成電路技術(shù)就是FPGA技術(shù)，它現(xiàn)在已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)工程師必須掌握的技術(shù)之一，整個(gè)社會(huì)對(duì)相關(guān)人才的迫切需求達(dá)到了一個(gè)新的高度。

二、 FPGA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，基于 FPGA 技術(shù)的集成電路設(shè)計(jì)是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，已被大部分高校電子信息工程等相關(guān)專業(yè)作為主要授課課程。其主要目的是：使學(xué)生熟悉現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使他們的思維從功能電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由傳統(tǒng)的通用集成電路的應(yīng)用轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件的應(yīng)用，從硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向硬件軟件高度滲透的設(shè)計(jì)；拓寬學(xué)生的數(shù)字技術(shù)知識(shí)面和設(shè)計(jì)能力，全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。總體而言，該課程需要特別注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。但是現(xiàn)在高校FPGA技術(shù)課程教學(xué)普遍存在如下問題：

第一，由于學(xué)生基礎(chǔ)課程掌握不牢，同時(shí)受實(shí)驗(yàn)條件及師資的限制，一些高校在 FPGA 相關(guān)課程教學(xué)中偏重于講授硬件描述語言，而在 FPGA 應(yīng)用方面涉及很少，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用脫節(jié)，難以適應(yīng)FPGA技術(shù)快速發(fā)展的需求。

第二，F(xiàn)PGA課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)以課堂為中心、以教師為中心、 以教材為中心，主要以講授為主，而忽視學(xué)生的積極性、 主動(dòng)性及創(chuàng)造性的發(fā)揮，這將影響FPGA 技術(shù)的教學(xué)效果，使學(xué)生接受知識(shí)的意愿與能力下降。

第三，F(xiàn)PGA課程實(shí)踐時(shí)間少，實(shí)踐方式單一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本側(cè)重于基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)考核方式更側(cè)重于期末考試，直接導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐技能較差，就業(yè)時(shí)難以滿足企業(yè)需求。

面對(duì)FPGA技術(shù)高素質(zhì)、高質(zhì)量人才的需求與高校FPGA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀的矛盾，各高校迫切需要對(duì)FPGA技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行改革探索，形成一套完整的培養(yǎng)體系，大幅提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力與工程實(shí)踐能力，滿足社會(huì)對(duì)相關(guān)人才日益增長(zhǎng)的需求。

三、基于CDIO工程教育理念的FPGA課程教學(xué)改革

CDIO 工程教育模式是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等多所高校針對(duì)教育模式改革研究出的工程教育新方法。CDIO 是 Conceive（構(gòu)思）、 Design（設(shè)計(jì)）、 Implement（實(shí)現(xiàn)）和 Operate（運(yùn)作）四個(gè)英文單詞的縮寫，它以產(chǎn)品自研發(fā)到運(yùn)行的完整生命周期為載體，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，包括個(gè)人的工程科學(xué)和技術(shù)知識(shí)，終身學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力和大系統(tǒng)調(diào)控等方面的能力，讓學(xué)生在實(shí)踐與理論課程有機(jī)結(jié)合的教學(xué)中，以主動(dòng)、 實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)工程[3]。它特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)踐、在“做”的過程中學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握知識(shí)。實(shí)踐教學(xué)和課外活動(dòng)不僅能夠使學(xué)生深化已掌握的知識(shí)，而且是一種很好的了解、接觸社會(huì)，培養(yǎng)情趣、思維、實(shí)踐能力等綜合素質(zhì)的教育方式，由此培養(yǎng)學(xué)生自己去創(chuàng)造、體驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)的能力，使學(xué)生做到學(xué)以致用[4]。FPGA技術(shù)課程教學(xué)本身具有實(shí)踐性強(qiáng)、學(xué)習(xí)內(nèi)容多且更新快等特點(diǎn)，其最終的培養(yǎng)目標(biāo)與CDIO工程教育理念非常契合。因此，在其課程教學(xué)過程中引入CDIO的工程教育理念，進(jìn)行理論研究和實(shí)踐探索，可以較大程度地提高學(xué)生在FPGA技術(shù)與集成數(shù)字電路設(shè)計(jì)方面的工程實(shí)踐能力，以適應(yīng)社會(huì)和企業(yè)的需求。

（一）教學(xué)方法改革

基于CDIO工程教育理念，變革教學(xué)方法。傳統(tǒng)的教學(xué)方法過于枯燥，局限于書本，對(duì)FPGA技術(shù)課程應(yīng)用教學(xué)涉及遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)、知識(shí)理解不夠，從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)掌握得不牢固，更不用說綜合運(yùn)用了。因此，在FPGA 技術(shù)的教學(xué)方法改革中，應(yīng)基于目標(biāo)導(dǎo)向，認(rèn)真研究課程中需講授的內(nèi)容，并針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，采用不同的教學(xué)方法以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)注重將知識(shí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)融入實(shí)例中講解，以加深對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解運(yùn)用。比如，針對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述的教學(xué)，以時(shí)間為主線對(duì)可編程邏輯器件與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行講解，同時(shí)要求學(xué)生利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行查閱了解并完成相應(yīng)報(bào)告，以此培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與鍛煉他們搜索資料的能力；針對(duì)基于原理圖設(shè)計(jì)方法教學(xué)則采用演示法教學(xué)，對(duì)基于原理圖設(shè)計(jì)與FPGA的開發(fā)流程進(jìn)行演示講解，同時(shí)要求學(xué)生們?cè)谡n堂里跟隨教師的演示步驟一起操作，加深對(duì)于相關(guān)操作的印象；針對(duì)VerilogHDL基礎(chǔ)語言教學(xué)，采用對(duì)比式教學(xué)，首先結(jié)合已學(xué)過的C語言編程技術(shù)對(duì)比講解完成基礎(chǔ)語言的語法學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)具有相同語法的部分的印象，與C語言編程語法不同的部分則是VerilogHDL語言特有的編程語法，需著重講解，加深學(xué)生的理解與應(yīng)用；然后結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)課程中典型器件功能電路（如選擇器、譯碼器等）與VerilogHDL語言的實(shí)現(xiàn)一一進(jìn)行對(duì)應(yīng)式教學(xué)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中既能鞏固數(shù)字電子技術(shù)的內(nèi)容，也能達(dá)到深刻理解并能運(yùn)用相應(yīng)的VerilogHDL語言代碼；針對(duì)VerilogHDL語言中狀態(tài)機(jī)的教學(xué)，則采用案例式教學(xué)，通過十字路口交通燈控制系統(tǒng)與ADC采樣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例完成對(duì)時(shí)序進(jìn)程和組合進(jìn)程及狀態(tài)機(jī)一般化運(yùn)用方法的講解。通過不同教學(xué)方法的交叉使用，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并增強(qiáng)對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解與運(yùn)用。

（二）實(shí)踐內(nèi)容改革

基于CDIO工程教育理念，變革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。FPGA 技術(shù)的實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)，并且相關(guān)技術(shù)內(nèi)容更新較快，傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占據(jù)絕大部分比例，雖然加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解，但對(duì)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和綜合運(yùn)用能力鍛煉太少，直接導(dǎo)致培養(yǎng)的人才與企業(yè)的實(shí)際需求脫軌。因此，需要對(duì)實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革，堅(jiān)持 “重基礎(chǔ)與技能、 求綜合與創(chuàng)新” 的改革思路，通過內(nèi)容導(dǎo)向，加強(qiáng)學(xué)生工程思維、 調(diào)試和分析能力的訓(xùn)練，提高實(shí)踐教學(xué)體系的創(chuàng)新性、 綜合性。本次改革設(shè)置了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其中，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)置三種類型，分別為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、提高性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。其中，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為原理的驗(yàn)證與對(duì)基于FPGA設(shè)計(jì)軟件的處理流程的熟悉，這一部分應(yīng)當(dāng)在早期實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行訓(xùn)練，同時(shí)需要降低其在整體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比例；提高性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則是在熟悉相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，通過Verilog語言進(jìn)行簡(jiǎn)單電路的設(shè)計(jì)并結(jié)合仿真工具的應(yīng)用完成電路功能的驗(yàn)證，這一部分應(yīng)在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行訓(xùn)練，其所占比例也不應(yīng)太大；綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則需結(jié)合給定資料，通過自頂向下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，完成分電路模塊的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證，最后將多個(gè)電路模塊組合設(shè)計(jì)，完成整體功能的仿真驗(yàn)證并進(jìn)行硬件下載，這一部分在后期實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行訓(xùn)練，需要在整體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占據(jù)大部分比例。整個(gè)課程通過基礎(chǔ)性、提高性和綜合性實(shí)驗(yàn)循序漸進(jìn)的訓(xùn)練，完成對(duì)學(xué)生FPGA技術(shù)的綜合性實(shí)踐能力的培養(yǎng)。而課外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則更多選擇貼近實(shí)際生活需求的內(nèi)容或當(dāng)前企業(yè)需求涉及FPGA技術(shù)的內(nèi)容進(jìn)行拆分和凝練，形成綜合訓(xùn)練較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。目前，課程組提供的相應(yīng)課外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有數(shù)字跑表、數(shù)字頻率計(jì)、電子琴和VGA顯示控制等。這些課外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)既能提高學(xué)生興趣，又能增強(qiáng)他們繼續(xù)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)的信心，同時(shí)其訓(xùn)練內(nèi)容也與社會(huì)需求接軌。

（三）實(shí)踐方式改革

基于CDIO工程教育理念，變革實(shí)踐方式。傳統(tǒng)的FPGA技術(shù)實(shí)踐方式只局限于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課，而課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間短，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流較少，實(shí)踐的機(jī)會(huì)非常少。CDIO工程教育模式要求把培養(yǎng)目標(biāo)融入整個(gè)課程體系中，每一個(gè)能力點(diǎn)都要具體落實(shí)到課程和課外活動(dòng)中[5]。因此，在課程實(shí)踐方式上基于時(shí)空導(dǎo)向進(jìn)行改革，恰當(dāng)利用課外時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，形成課上課下、線上線下的實(shí)踐方式，建立教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生相互之間的多元化交流平臺(tái)。本次實(shí)踐方式改革立足于課外，現(xiàn)有兩種實(shí)踐方式：第一，根據(jù)上節(jié)所述課外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師在理論課教學(xué)的過程中根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況將相關(guān)內(nèi)容布置給學(xué)生，要求學(xué)生利用課外時(shí)間完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、綜合、實(shí)現(xiàn)與仿真驗(yàn)證；而在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)，學(xué)生可在完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)課外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行硬件的下載驗(yàn)證與測(cè)試，這樣可以提高學(xué)生對(duì)相關(guān)硬件平臺(tái)的利用率。第二，根據(jù)當(dāng)前FPGA主流技術(shù)或者教師自身的實(shí)際科研項(xiàng)目建立課外創(chuàng)新小組，為每個(gè)小組分配相應(yīng)的任務(wù)；同時(shí)，由教師引導(dǎo)小組內(nèi)成員相互溝通并進(jìn)行分工協(xié)作，并及時(shí)對(duì)創(chuàng)新小組遇到的問題進(jìn)行線上線下討論、分析，然后就其階段性成果在課堂上或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行成果發(fā)布，調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生的積極性；同時(shí)在課內(nèi)課外鼓勵(lì)學(xué)生積極參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目等多種實(shí)踐性活動(dòng)，不斷鍛煉學(xué)生的自行發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力，以及溝通交流、語言表達(dá)和協(xié)作能力，不斷增強(qiáng)學(xué)生的自信心。

（四）考核方式改革

基于CDIO工程教育理念，變革考核方式?？紤]FPGA技術(shù)的實(shí)踐性要求，結(jié)合CDIO工程教育標(biāo)準(zhǔn)，教師在考核方式上要基于過程導(dǎo)向進(jìn)行改革，整體傾向整個(gè)課程學(xué)習(xí)中的實(shí)踐操作能力考核。最終確定FPGA技術(shù)課程考核方式為：考勤與平時(shí)作業(yè)占最終成績(jī)的10%，期末考試成績(jī)只占最終成績(jī)的40%，而實(shí)踐考核占最終成績(jī)的50%。其中，實(shí)踐考核分為平時(shí)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)考試，平時(shí)實(shí)驗(yàn)過程需完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書指定的內(nèi)容，同時(shí)還需完成課外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容指定的任務(wù)，根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)、仿真、下載和實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出平時(shí)實(shí)驗(yàn)分值，綜合平均多次實(shí)驗(yàn)的成績(jī)作為平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)，該部分占實(shí)踐考核成績(jī)的60%。實(shí)驗(yàn)考試為教師預(yù)先給定一部分綜合性題目，學(xué)生抽簽選擇實(shí)驗(yàn)題目并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成電路的設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證操作并進(jìn)行器件的下載，然后在實(shí)驗(yàn)箱上演示電路功能；在進(jìn)行功能演示的同時(shí)，學(xué)生需對(duì)設(shè)計(jì)的思路、驗(yàn)證的方式進(jìn)行敘述講解，教師根據(jù)學(xué)生的完成情況和內(nèi)容敘述給出實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)，該部分占實(shí)踐考核成績(jī)的40%。改革后的考核方式通過平時(shí)實(shí)驗(yàn)過程考核與最終的實(shí)驗(yàn)考試的綜合考核，鍛煉學(xué)生查閱資料、工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、文字總結(jié)敘述與語言表達(dá)等綜合能力，達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)FPGA技術(shù)人才的目的。

四、結(jié)束語

本文針對(duì)高校FPGA技術(shù)課程內(nèi)容多且更新快、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)過程中引入CDIO工程教育理念，基于目標(biāo)導(dǎo)向、內(nèi)容導(dǎo)向、過程導(dǎo)向等方式，從教學(xué)方法、實(shí)踐內(nèi)容、實(shí)踐方式和考核方式四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，不斷增強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意愿，激發(fā)了學(xué)生的理解能力和創(chuàng)新性，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的工程能力以及文字總結(jié)與溝通交流能力，達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量人才的目的，以適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)FPGA技術(shù)不斷發(fā)展的需求。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 劉桂華.基于FPGA的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[2] 胡靖，杜西亮.基于 FPGA 技術(shù)的課程教學(xué)改革探索[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2015（3）：35-36.

[3] 馬欽玉.CDIO 工程教育模式實(shí)踐探討[J].合作經(jīng)濟(jì)與科技，2016（19）：134-135.

[4] 徐楊.CDIO 工程教育模式與高校工科學(xué)生素質(zhì)教育的探討[J].中國(guó)高教研究，2009（26）：259-260.

[5] 王剛.CDIO 工程教育模式的解讀與思考[J].中國(guó)高教研究，2009（5）：86-87.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]