呂兆承，李 營(yíng)，羅靖宇，鄭曉東

（淮南師范學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 淮南 232038）

0 引 言

在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）技術(shù)已經(jīng)成為一種廣泛使用的工具，其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)具有處理速度快、靈活性高、開(kāi)發(fā)費(fèi)用少、升級(jí)簡(jiǎn)單、易編程等特點(diǎn)。對(duì)電子信息類(lèi)本科生而言，熟練掌握FPGA設(shè)計(jì)方法是當(dāng)代電子工程師必須具備的技能之一。只有學(xué)生掌握FPGA開(kāi)發(fā)技術(shù)，才能使教學(xué)跟上科研的發(fā)展，培養(yǎng)出社會(huì)需要的人才。FPGA技術(shù)課程是為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，它可以鞏固數(shù)字電路技術(shù)的有關(guān)知識(shí)，也能為后續(xù)課程提供有效的實(shí)踐教學(xué)支持。本課程通過(guò)傳授FPGA技術(shù)的原理、工具、器件、硬件描述語(yǔ)言以及仿真技術(shù)等的理論知識(shí)，并循序漸進(jìn)地從組合邏輯、時(shí)序邏輯的開(kāi)發(fā)開(kāi)始，深入到FPGA的基礎(chǔ)應(yīng)用、綜合應(yīng)用和進(jìn)階應(yīng)用，使學(xué)生在了解FPGA技術(shù)一般概念的基礎(chǔ)上，掌握用Verilog HDL語(yǔ)言的數(shù)字系統(tǒng)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation, EDA）設(shè)計(jì)基本方法與流程，學(xué)會(huì)以Quartus為代表的EDA工具及配套FPGA硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的使用，具備獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜數(shù)字電路和系統(tǒng)的能力，并注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 FPGA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

作為普通地方應(yīng)用型高校，我校以往FPGA技術(shù)課程設(shè)置為52課時(shí)（理論36課時(shí)+實(shí)驗(yàn)16課時(shí)）。教師根據(jù)教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)，從知識(shí)點(diǎn)中梳理出重點(diǎn)，主要從講授知識(shí)的角度完成FPGA技術(shù)的教學(xué)，配以實(shí)驗(yàn)深化知識(shí)的理解，教學(xué)重點(diǎn)在于知識(shí)的講解與知識(shí)點(diǎn)相互之間關(guān)系的把握。這是一種基于傳統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方式，教師是課堂的主體，占有絕對(duì)的主動(dòng)性，雖然可以極大地提高課堂效率，但也存在以下問(wèn)題：

（1）FPGA技術(shù)課程內(nèi)容繁雜且枯燥，在教學(xué)過(guò)程中，教師更多考慮課程知識(shí)的系統(tǒng)性和完整性，忽略了學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣與信心；

（2）實(shí)踐與理論脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排在學(xué)期后半部分，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法與理論知識(shí)聯(lián)系，不能深入理解電路程序的編寫(xiě)和設(shè)計(jì)思路，過(guò)渡依賴(lài)教師，能力得不到有效鍛煉；

（3）課程考核形式單一，強(qiáng)調(diào)期末考核，卷面考試成績(jī)占總成績(jī)的70%，平時(shí)考核依托于出勤（10%）、作業(yè)（20%）等指標(biāo)，使得許多學(xué)生不重視平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程和實(shí)踐環(huán)節(jié)，達(dá)不到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目的。

通過(guò)以上分析，本文以淮南師范學(xué)院為例，在工程教育認(rèn)證背景下，貫徹OBE教育理念，從課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核評(píng)價(jià)等方面對(duì)FPGA技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)改革探索，助力提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 基于OBE理念的教學(xué)改革與實(shí)踐

OBE（Outcome-based Education, OBE）是一種基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的先進(jìn)教育理念，又稱(chēng)能力、目標(biāo)或需求導(dǎo)向教育，以“學(xué)生中心，成果導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”作為核心理念，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外許多高校教育改革的主流理念。與傳統(tǒng)的教育理念相比，它要求教師必須對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)具備的能力有清晰的設(shè)想，圍繞實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)成果進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，從而在教學(xué)過(guò)程中保證學(xué)生達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)社會(huì)需求制定課程目標(biāo)和教學(xué)大綱，依據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行正向?qū)嵤?，從而完成以學(xué)生為中心的課程內(nèi)容整合和實(shí)施，制定多元化、多層次的課程評(píng)價(jià)體系，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行反思總結(jié)并持續(xù)改進(jìn)授課內(nèi)容。

2.1 將思政融入目標(biāo)要求，構(gòu)建學(xué)習(xí)成果

《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中明確提出，工學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程要注重強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的國(guó)家情懷和使命擔(dān)當(dāng)。根據(jù)FPGA技術(shù)課程對(duì)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求相關(guān)指標(biāo)，結(jié)合學(xué)生的職業(yè)規(guī)劃和深造發(fā)展的需求、現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的需求，確定了FPGA技術(shù)課程的目標(biāo)成果。

目標(biāo)1：了解可編程邏輯器件的發(fā)展歷程和FPGA技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，理解FPGA的構(gòu)成、工作原理和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，激發(fā)學(xué)生對(duì)FPGA技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鍪聭B(tài)度，提升學(xué)生的責(zé)任感和社會(huì)使命感，樹(shù)立奮發(fā)有為、強(qiáng)我中華的職業(yè)報(bào)負(fù)。

目標(biāo)2：熟悉硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL的語(yǔ)言特點(diǎn)和基本語(yǔ)法規(guī)則，掌握Verilog HDL的設(shè)計(jì)流程和語(yǔ)句，掌握Verilog HDL實(shí)現(xiàn)組合邏輯、時(shí)序邏輯和狀態(tài)機(jī)等各種類(lèi)型數(shù)字電路的方法。

目標(biāo)3：了解現(xiàn)代復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)與驗(yàn)證技術(shù)，掌握描述和分析現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的方法，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)理念，能夠根據(jù)系統(tǒng)功能要求進(jìn)行硬件模塊的搭建，具有獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的能力。

目標(biāo)4：能夠熟練使用Quartus II開(kāi)發(fā)平臺(tái)、ModelSim仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)與仿真，能夠使用SingalTap II與RTL視圖進(jìn)行驗(yàn)證與仿真測(cè)試，掌握基于Quartus II的編程、編譯、適配、仿真、配置下載等要點(diǎn)。

在處理數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于5個(gè)評(píng)分因子的滿(mǎn)意度設(shè)置分值，用選項(xiàng)的平均值作為這一問(wèn)題的總體分值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析．設(shè)對(duì)衛(wèi)生狀況非常滿(mǎn)意的使用者所占比例為，比較滿(mǎn)意的為，一般的為，不太滿(mǎn)意的為，很不滿(mǎn)意的為，同理，對(duì)于衛(wèi)生安全有，，，，，對(duì)于價(jià)格有，，，，，對(duì)于口味有，，，，，對(duì)于服務(wù)態(tài)度有，，，，，對(duì)于種類(lèi)有，，，，．

2.2 以項(xiàng)目引導(dǎo)教學(xué)過(guò)程，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方式

課堂改革提倡理論授課和實(shí)踐環(huán)節(jié)相融合，將理論知識(shí)放入實(shí)驗(yàn)室，推行小班教學(xué)，將學(xué)生人數(shù)控制在15～20人，結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行講解，學(xué)生可以邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐，從工程項(xiàng)目中學(xué)習(xí)知識(shí)，在實(shí)踐操作中培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。課程組以綜合能力培養(yǎng)為主線(xiàn)，以基本概念、設(shè)計(jì)原理和相關(guān)技術(shù)為核心，精心設(shè)計(jì)了7個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和5個(gè)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目（5選1），共計(jì)32學(xué)時(shí)。以任務(wù)驅(qū)動(dòng)、典型系統(tǒng)為載體，教學(xué)項(xiàng)目為單位，打造課程教學(xué)內(nèi)容的模塊化和專(zhuān)題化，見(jiàn)表1所列。這些項(xiàng)目均由多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，頂層模塊將各模塊有機(jī)整合，便于學(xué)生理解和掌握FPGA設(shè)計(jì)思想和方法。

表1 “FPGA技術(shù)”課程內(nèi)容

采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，按照工程構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行的思路組織教學(xué)，要求學(xué)生以個(gè)人形式完成任務(wù)，流程如圖1所示。針對(duì)難度較高的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提倡學(xué)生自組團(tuán)隊(duì)，通過(guò)溝通協(xié)作的方式完成任務(wù)。此舉一方面可適當(dāng)降低學(xué)生的工作量，自由分配工作內(nèi)容；另一方面可發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

圖1 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的教學(xué)流程

2.3 結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，采用線(xiàn)上線(xiàn)下一體化教學(xué)模式

為實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教與學(xué)，本課程采用線(xiàn)上線(xiàn)下相結(jié)合，課堂學(xué)習(xí)與課外學(xué)習(xí)深度融合的教學(xué)方法，分別以超星學(xué)習(xí)通課堂等虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境和教室實(shí)驗(yàn)室等為教育載體，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。課前，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的教學(xué)資源庫(kù)獲取相關(guān)學(xué)習(xí)資源，了解學(xué)習(xí)目標(biāo)與學(xué)習(xí)任務(wù)，自主學(xué)習(xí)。課堂上，以學(xué)生為中心，進(jìn)行線(xiàn)上測(cè)試、課堂測(cè)試，老師可檢測(cè)并了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。為了更好地適應(yīng)新的教學(xué)模式，需對(duì)原有的教學(xué)內(nèi)容作調(diào)整，將原來(lái)在理論課堂上講授的硬件描述語(yǔ)言要素、基本語(yǔ)法等知識(shí)錄制相應(yīng)視頻或者提供學(xué)習(xí)資料。除本課程的校內(nèi)教學(xué)資源，還可充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，在中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線(xiàn)等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上收集相關(guān)的、學(xué)生感興趣的、有一定深度的課程章節(jié)作為課程教學(xué)資源的補(bǔ)充，方便學(xué)生課后進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

利用“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的思維模式，可以有效對(duì)學(xué)生的作業(yè)完成情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，如：成績(jī)分布、錯(cuò)誤集中點(diǎn)等，以此改進(jìn)和優(yōu)化課程中存在的問(wèn)題，同時(shí)將批閱結(jié)果反饋給學(xué)生，使其更清晰地了解易錯(cuò)點(diǎn)，便于討論改正。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生和教師均有自我調(diào)整、獨(dú)立思考的空間，滿(mǎn)足教學(xué)所需的緊密及時(shí)、高效多樣的互動(dòng)要求。

2.4 構(gòu)建多元化考核方式，評(píng)價(jià)課程目標(biāo)達(dá)成度并持續(xù)改進(jìn)

合理、科學(xué)的課程考核體系是實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的重要保障，教師必須確保學(xué)生知曉本課程的教學(xué)目標(biāo)、考核內(nèi)容、考核方式、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、成績(jī)構(gòu)成等信息，既具有督促學(xué)生學(xué)習(xí)的作用，又檢驗(yàn)了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果，便于老師發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)解決問(wèn)題，從而加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程化管理，對(duì)學(xué)生既有激勵(lì)也有約束。課程組采取平時(shí)考核、實(shí)驗(yàn)考核和期末考核相結(jié)合的考核方式，上述三項(xiàng)在總成績(jī)中分別占30%、21%、49%，明顯弱化了期末考核所占比重。平時(shí)考核主要對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1、2、3，教師利用超星學(xué)習(xí)通課堂APP記錄學(xué)生參與情況，包括出勤（10%）、作業(yè)（15%）、課堂表現(xiàn)（35%）等，同時(shí)引入線(xiàn)上視頻學(xué)習(xí)（10%）、線(xiàn)上階段測(cè)試（20%）、問(wèn)題討論（10%）等評(píng)價(jià)模塊。實(shí)驗(yàn)考核對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)4，包括預(yù)習(xí)（10%）、課堂表現(xiàn)（30%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（20%）、操作測(cè)試（40%）。由老師按照百分制分別給出評(píng)定成績(jī)，并適時(shí)公布學(xué)生成績(jī)。期末考試采取閉卷筆試方式，題型主要有：客觀題（包括填空題、選擇題），對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1；簡(jiǎn)答題，對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)3；設(shè)計(jì)題，對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)2。

課程目標(biāo)達(dá)成情況使用分目標(biāo)達(dá)成度和總目標(biāo)達(dá)成度來(lái)評(píng)價(jià)。

（1）課程分目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算：

（2）課程總目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算：

式中：為課程總目標(biāo)達(dá)成度；G為編號(hào)為的課程分目標(biāo)對(duì)應(yīng)的達(dá)成度；Q為編號(hào)為的課程目標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證要求，將課程目標(biāo)值設(shè)置為0.7。針對(duì)FPGA技術(shù)課程，以淮南師范學(xué)2020—2021（1）學(xué)期，電子信息工程專(zhuān)業(yè)2018級(jí)學(xué)生為例，以學(xué)生的期末考試試卷成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)橐罁?jù)計(jì)算該課程的達(dá)成度，具體見(jiàn)表2所列。

表2 電子信息工程2018級(jí)“FPGA技術(shù)”課程達(dá)成度

根據(jù)表中課程目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算結(jié)果可知，學(xué)生的目標(biāo)1和目標(biāo)3沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。分析原因：

（1）試卷難度較大，側(cè)重學(xué)生綜合能力的考查，其中設(shè)計(jì)題50分。大部分學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握較好，表現(xiàn)在填空題、選擇題、簡(jiǎn)答題做的較好，而在設(shè)計(jì)題失分嚴(yán)重，反映學(xué)生綜合應(yīng)用能力有待加強(qiáng)；

（2）本課程使用的Verilog語(yǔ)言依托C語(yǔ)言發(fā)展而來(lái)，兩者在語(yǔ)法結(jié)構(gòu)上有許多相似之處，但它和C語(yǔ)言又有本質(zhì)的區(qū)別，部分同學(xué)的軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化能力較差；

（3）本課程的專(zhuān)業(yè)性與應(yīng)用性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)難點(diǎn)較大，需多練習(xí)，多仿真。

基于上述原因提出以下持續(xù)改進(jìn)措施：

（1）幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

（2）提高教師自身教學(xué)水平，學(xué)習(xí)先進(jìn)的教育理念、教學(xué)方法，認(rèn)真研究課程中講授的內(nèi)容；

（3）利用實(shí)驗(yàn)深化理論，使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，相互促進(jìn)，以提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力；

（4）大力進(jìn)行本課程的教學(xué)資源信息化建設(shè)，充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生單獨(dú)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)楹献鲗W(xué)習(xí)，使教學(xué)活動(dòng)從信息的單向傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向交換；

（5）加大過(guò)程管理，讓學(xué)生能夠從始至終投入精力到學(xué)習(xí)中，并通過(guò)實(shí)踐鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

OBE理念體現(xiàn)了“以學(xué)生發(fā)展為中心”，要求在教學(xué)過(guò)程中，教師時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的成長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度得到了明顯改善，主動(dòng)性和參與性逐步提高，更加注重平時(shí)的學(xué)習(xí)與積累。引導(dǎo)學(xué)生積極參與教科研項(xiàng)目，借助FPGA平臺(tái)，申請(qǐng)國(guó)家級(jí)和省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目，如電子信息工程17級(jí)學(xué)生成功申報(bào)2020年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：基于FPGA的多終端智能控制音樂(lè)播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（202010381037）；電子信息工程19級(jí)學(xué)生申報(bào)2020年安徽省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：基于FPGA的非接觸紅外測(cè)溫儀設(shè)計(jì)（202010381010）等。此舉也進(jìn)一步發(fā)揮了教師的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，讓教師更多地參與學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”改善教學(xué)情況，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。畢業(yè)生就業(yè)是課程教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，要求建立長(zhǎng)期畢業(yè)生跟蹤及用人單位需求反饋機(jī)制，持續(xù)改進(jìn)，不斷滿(mǎn)足新需求。