賀敬凱

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院，廣東 深圳 518172）

引言

FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從原來的通信擴(kuò)展到消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制、測試測量等廣泛的領(lǐng)域，隨著FPGA應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)用人才的需求量越來越大，要求也越來越高。

FPGA應(yīng)用開發(fā)是電子類專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的技術(shù)主干課，本文作者長期從事FPGA應(yīng)用開發(fā)課程的教學(xué)，在教學(xué)過程中，注重校企合作，關(guān)注教學(xué)效果。經(jīng)過長期的教學(xué)洗禮和經(jīng)驗(yàn)積累，作者對(duì)于FPGA應(yīng)用開發(fā)課程的教學(xué)逐漸形成了獨(dú)特的教學(xué)理念和實(shí)際可操作的、行之有效的措施。作者稱之為“以典型工作任務(wù)貫穿的項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)模式”。下面在教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，著重從教學(xué)內(nèi)容和載體的改進(jìn)完善措施以及教學(xué)理念兩個(gè)方面進(jìn)行提煉，以推廣該類課程的教學(xué)思路和教學(xué)方法。

1 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)載體

教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)載體的選擇是重中之重，它涉及到要教授給學(xué)生的知識(shí)以及傳授知識(shí)的路徑。而FPGA類課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)，選擇課程內(nèi)容和課程載體就顯得尤為重要。

1.1 精心選擇課程載體

這是非常重要的內(nèi)容，對(duì)課程的成敗起決定性作用。經(jīng)過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作者總結(jié)出了“以開發(fā)板承載教學(xué)內(nèi)容”的教學(xué)理念。以前的教學(xué)大多用實(shí)驗(yàn)箱承載教學(xué)內(nèi)容，但是實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格昂貴，更換周期長，與技術(shù)進(jìn)步保持同步比較困難，相較而言，開發(fā)板成本低、數(shù)量多、可以做到三年一更新，可以最大程度地與最新技術(shù)保持同步。最近在教學(xué)過程中，作者也大力提倡“口袋實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)理念?？诖鼘?shí)驗(yàn)室是對(duì)開發(fā)板作為載體的一種認(rèn)可和延伸；口袋實(shí)驗(yàn)室就是可以隨身攜帶的一塊開發(fā)板，可以隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，并且外留擴(kuò)展接口，容許用戶使用面包板或萬能板搭建電路，并使用擴(kuò)展接口連接到開發(fā)板上進(jìn)行試驗(yàn)。目前，作者在課堂上一直使用的開發(fā)板，包括Altera cycloneII EP2C8Q208開發(fā)板和Xilinx spartan3E xc3S100E開發(fā)板，教學(xué)時(shí)可以每個(gè)學(xué)生1套。

1.2 精心選擇課程內(nèi)容

在校企合作的基礎(chǔ)上，作者提煉了27個(gè)典型工作任務(wù)及其對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。整個(gè)課程內(nèi)容則以27個(gè)典型工作任務(wù)為主線，按著知識(shí)遞進(jìn)、難度遞進(jìn)的原則，根據(jù)任務(wù)的知識(shí)點(diǎn)來組織內(nèi)容[1]。27個(gè)典型工作任務(wù)如表1所示。

表1 FPGA應(yīng)用開發(fā)典型工作任務(wù)

詳細(xì)的任務(wù)描述和對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，以及內(nèi)容的編排，請參考文獻(xiàn)[1]。這些任務(wù)都基于FPGA開發(fā)板，任務(wù)的結(jié)果都通過開發(fā)板展現(xiàn)出來，直觀易懂。

1.3 修訂和完善教學(xué)設(shè)計(jì)，合理配置理論課和實(shí)踐課比例

每學(xué)年，學(xué)校都會(huì)統(tǒng)一安排時(shí)間組織教研室來優(yōu)化和完善教學(xué)設(shè)計(jì)。教研室根據(jù)一年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，會(huì)把優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)固化到課程設(shè)置和課程內(nèi)容中。本課程目前已明確是一門核心實(shí)踐教學(xué)課程，已將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的比例確定為1:3，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手和解決問題的能力的培養(yǎng)。為了使實(shí)踐教學(xué)發(fā)揮出更大的作用，作者一直堅(jiān)持一次課安排4個(gè)學(xué)時(shí)，集中完成一個(gè)任務(wù)或相關(guān)聯(lián)的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)。其中，第一學(xué)時(shí)講解本次實(shí)踐課所需要的理論知識(shí)，“細(xì)講+粗講”相結(jié)合，細(xì)講的內(nèi)容在教材上，講完后要做到學(xué)生當(dāng)場消化吸收，粗講的內(nèi)容還需要學(xué)生自己查資料才能消化吸收；后三學(xué)時(shí)則要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)部分和拓展部分。邊講理論邊實(shí)踐，理論與實(shí)踐的結(jié)合，既起到了理解和掌握理論知識(shí)的作用，又起到了理論指導(dǎo)實(shí)踐的作用。

2 教學(xué)理念

在教學(xué)實(shí)踐過程中，除了傳授知識(shí)外，培養(yǎng)學(xué)生的興趣、自信、學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新意識(shí)也是課堂教學(xué)非常重要的內(nèi)容。

2.1 注重培養(yǎng)學(xué)生的興趣

注重學(xué)生興趣的培養(yǎng)體現(xiàn)在項(xiàng)目的設(shè)置上。在表1的27個(gè)任務(wù)中，大量設(shè)置了學(xué)生非常感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如：4個(gè)數(shù)碼管滾動(dòng)顯示手機(jī)號(hào)碼、可以測量人的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)測量儀、有漸變效果的呼吸燈、在VGA上顯示彩條、在VGA上顯示信息、帶有校時(shí)和鬧鈴功能的數(shù)字鐘，等等。這些任務(wù)，都在課堂教學(xué)過程中，受到了學(xué)生的喜愛，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)。隨著教學(xué)過程的深入，學(xué)生對(duì)本課程的興趣也在逐步提升。

2.2 注重培養(yǎng)學(xué)生的自信心

課程內(nèi)容由簡單到復(fù)雜，因材施教。課程的內(nèi)容力爭做到“人人有事做，人人有成果”。在27個(gè)任務(wù)中，每個(gè)任務(wù)都有基礎(chǔ)部分和拓展部分，基礎(chǔ)部分包含每個(gè)同學(xué)必須要獨(dú)立掌握的知識(shí)，相對(duì)簡單，完成任務(wù)后必須上交成果，該成果將作為期末成績評(píng)定的非常重要的部分。而拓展部分，相對(duì)較難，課堂上對(duì)學(xué)生不做特別的要求，但是對(duì)于能夠獨(dú)立完成的學(xué)生則會(huì)在期末評(píng)定上加分。從教學(xué)實(shí)踐的情況來看，基礎(chǔ)部分學(xué)生都會(huì)有成果，拓展部分只有部分學(xué)生能完成。有了成果，學(xué)生就會(huì)有一種成就感，就會(huì)顯得更加自信。

2.3 注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

課程的教學(xué)完全采用項(xiàng)目化教學(xué)，以多個(gè)項(xiàng)目貫穿于整個(gè)課程。而且，課堂選用的項(xiàng)目具有趣味性和實(shí)用性，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。選擇實(shí)用的、簡單的一些產(chǎn)品作為課堂教學(xué)內(nèi)容，利用學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生自主完成這些項(xiàng)目。由于這些項(xiàng)目是日常生活中常見的、實(shí)用的內(nèi)容，所以可激發(fā)學(xué)生對(duì)這些項(xiàng)目工作原理的好奇心，并激發(fā)學(xué)生自主完成這個(gè)項(xiàng)目的意識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。目前已經(jīng)在課堂上選用的項(xiàng)目包括：流水燈、呼吸燈、反應(yīng)測量儀、序列檢測器、數(shù)碼管滾動(dòng)顯示信息、數(shù)字鐘、數(shù)字跑表等。文獻(xiàn)[2]的任務(wù)著重于課堂教學(xué)，而在課外，學(xué)生可以參閱文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]選擇一些個(gè)人感興趣的項(xiàng)目利用口袋實(shí)驗(yàn)室完成。本課程能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，最明顯的一個(gè)體現(xiàn)就是：有許多同學(xué)在本課程的后半階段會(huì)主動(dòng)向教師申請將開發(fā)板帶回宿舍學(xué)習(xí)。

2.4 注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

項(xiàng)目化教學(xué)中，每個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)容均包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)在教材中會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作詳細(xì)的闡述，課堂上也會(huì)全面地講解，學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，可以完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。而拓展實(shí)驗(yàn)，則需要學(xué)生自主查找資料，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，才能實(shí)現(xiàn)。比如：“數(shù)字鐘”項(xiàng)目的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是完成時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)，能夠校時(shí)，以保證當(dāng)前顯示的時(shí)間與當(dāng)前北京時(shí)間一致；拓展實(shí)驗(yàn)則包含“鬧鈴功能、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能、顯示日歷功能”等等。拓展實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，主要目的就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。從目前的實(shí)踐情況來看，班級(jí)中只有學(xué)習(xí)基礎(chǔ)扎實(shí)的那部分學(xué)生才能很好地完成拓展實(shí)驗(yàn)。拓展實(shí)驗(yàn)一方面開拓了學(xué)生的視野，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，這部分表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生可進(jìn)一步培訓(xùn)選拔作為大賽的參賽學(xué)生。

3 結(jié)語

作者在教學(xué)過程中，不斷地充實(shí)和完善教學(xué)講義，每隔兩三年都會(huì)把自己的教學(xué)成果加以提煉，公開出版教材。2010年至今，針對(duì)“FPGA應(yīng)用開發(fā)”及相關(guān)課程已公開出版了4部教材[1～2]，其中在清華大學(xué)出版社出版了《Xilinx FPGA應(yīng)用開發(fā)（第2版）》，該書在第一版的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了教學(xué)項(xiàng)目。

從2008年至今，該課程的課堂教學(xué)效果良好,年年獲得教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀。本文作者從2008年至今，幾乎每年都指導(dǎo)學(xué)生參加全國省市各級(jí)各類技能大賽，參賽學(xué)生都是通過課堂教學(xué)發(fā)現(xiàn)的，然后再經(jīng)過進(jìn)一步選拔和培養(yǎng)，截至目前，已獲得了省一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、省二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、市一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、市二等獎(jiǎng)3項(xiàng)的成績。

課程教學(xué)要與時(shí)俱進(jìn)，本文介紹的“以典型工作任務(wù)貫穿的項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)模式”還需要緊隨時(shí)代步伐，在研究學(xué)生群體學(xué)習(xí)規(guī)律的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀敬凱.Xilinx FPGA應(yīng)用開發(fā)（第2版）[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2017.

[2]賀敬凱.Verilog HDL數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2012.