張琥石 陳妮 何婷婷 黃千芮 莫寧寧

廣西醫(yī)科大學 廣西南寧 530021

1 研究背景

“數字電路與邏輯設計”為生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門主干課程，在整個生物醫(yī)學工程專業(yè)教學中具有重要地位。此門課程作為“單片機原理與應用”“醫(yī)用傳感器”等多門專業(yè)課的前置課程，要求學生不僅需要掌握其基本理論知識，還要求學生能系統(tǒng)地掌握和應用數字電路進行電路分析、應用和設計，這些技能可以稱得上生工專業(yè)的“看家本領”。

然而在實際教學中，此門課的實際教學效果并不是很好，從教師和學生兩個角度進行調查發(fā)現，目前的“數字電路與邏輯設計”教學主要存在“四個脫節(jié)”。

(1)教學內容與數字電路的前沿發(fā)展趨勢脫節(jié)。數字電路是一門新興學科，發(fā)展日新月異，每年都涌現大量的新技術、新產品。而目前我們使用的教材中很多內容已經陳舊過時，與當前數字電路的發(fā)展前沿脫節(jié)。目前FPGA早已成為數字電路領域研究的熱點，也被廣泛應用于各類數字電路的設計中，是數字電路未來的發(fā)展方向。然而在目前數字電路的實際教學中，幾乎沒有介紹FPGA的相關知識，反而用了很大篇幅講解TTL電路。

(2)理論課與實驗課脫節(jié)。然而目前這門課的實驗課設計存在著很多問題，首先，實驗課設計了大量74系列的TTL電路實驗，而TTL系列屬于淘汰產品[1]，學生無法從中學習數字電路最前沿的知識；其次，目前的實驗大部分屬于驗證性實驗，學生在實驗前已經知道結果，實驗過程只是機械地重復操作，這樣無益于學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)；再次，因為實驗課時所限，只能設計一些小規(guī)模電路實驗，這類實驗容量小，無法涵蓋理論課的各個知識點，有一些知識點學生無法通過實踐來鞏固。綜上所述，目前的實驗課設置是存在問題的，與理論課相脫節(jié)。

(3)傳統(tǒng)的授課方式與當前課程的實際需求相脫節(jié)。傳統(tǒng)的“老師講、學生聽”的傳統(tǒng)教學模式顯然無法在一節(jié)課的時間里講明講透很多復雜的數字電路知識點。因此，傳統(tǒng)教學模式在“數字電路與邏輯設計”教學中就遇到了困難，影響了學生對學習的理解。

(4)課前、課中、課后脫節(jié)。“數字電路與邏輯設計”每次課有三個學時，時間長，課程信息量大，因此老師多次強調必須要做課前預習，以保證聽課效果。然而由于本門課程的課本和實驗指導書內容多，難度大，學生很難在沒有老師的指導下進行自主學習，這就使學生容易產生倦怠感。在調查中發(fā)現，僅有3.3%的學生認真進行了預習，而60.71%的學生認為課本的資源沒有整體導航，無從看起。課后作業(yè)是鞏固知識的重要手段，但因為學生在課中掌握的知識點不牢，課后作業(yè)寫起來也困難重重，最終大部分流于應付。

FPGA(Field Programmable Gate Array)全稱為現場可編程邏輯門陣列，是近年來廣泛使用的一種數字電路，代表了數字電路發(fā)展的最前沿技術，器件屬于專用集成電路中的一種半定制電路，是可編程的邏輯列陣，能夠有效地解決原有的器件門電路數較少的問題，具備速度快、功耗低、可拓展性強等優(yōu)點，目前廣泛應用于各類數字電路的設計[2]。

“互聯(lián)網+”時代的到來，以及網絡技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的學習模式也在發(fā)生著變化，參與式教學進入了我們的視野。參與式教學是指以學生為中心，根據學生需求設計富有趣味、意義和挑戰(zhàn)性的學習活動，運用多種教學方法營造輕松和諧的課堂氛圍，鼓勵學生積極、平等參與到教學過程中的一種學習方法[3]。教師作為協(xié)助者、引導者等角色，激發(fā)學生學習動力，使學生積極參與到課堂中來，在互動中建構知識、提高能力、體驗情感、激發(fā)潛能。

基于FPGA技術和參與式教學的這些特點，我們將FPGA技術引入目前的數字電路教學中，讓學生有機會接觸數字電路的最前沿技術。運用參與式教學方法將這一全新的技術教授給學生，讓學生更好地參與到教學過程中來。而利用參與式教學表現力強、便于師生互動的特點，解決目前教學中出現的學生學習積極性不高、理解困難等難題。因此，基于FPGA技術，在“數字電路與邏輯設計”課程中開展參與式教學中是有實際意義的。

2 開發(fā)平臺選擇

FPGA的教學是基于開發(fā)板展開的，我們選用了小腳丫STEP-MXO2二代FPGA開發(fā)板，此板采用了DIP40封裝，板卡尺寸為52mm×18mm，小巧精致，攜帶方便。另外，板載資源也是十分豐富，包含4路輕觸按鍵、4路撥碼開關、8路用戶LED、2路RGB_LED三色燈[4]。其最大的優(yōu)勢是體積小巧、引腳齊全，學生即使不在實驗室也可以使用。此板還提供了大量外接模塊，使用杜邦線連接后即可拓展功能，完全符合我們的教學需求。

FPGA是一個很大的概念，其中包含了眾多的知識點，然而并不是要在一個學期的“數字電路與邏輯設計”教學中教授全部的這些知識點，這顯然是不現實的。因此，我們要根據學生和課時的實際情況，選出適合出現在我們的“數字電路與邏輯設計”課程的教學之中的知識點，將適合以參與式教學為載體的知識點傳授給學生。

在知識點的設置上，主要分為硬件和軟件。軟件上要掌握的知識點為Verlog HDL語言、Quartus Prime軟件的使用、ModelSim仿真軟件的使用。硬件知識主要是介紹開發(fā)板的硬件資源與接口，以及各拓展模塊的硬件電路。理論課與實驗課互相結合，開展參與式教學，把新的知識點盡快融入整門課的教學體系。

本項目在相關教育教學理論的指導下，依托參與式教學，在“數字電路與邏輯設計”課程中引入FPGA相關內容的教學，以達到提升教學質量、提高教學效果、滿足學習者的自主學習、激發(fā)學習者學習熱情的目的，與課堂授課相結合，解決目前教學中出現的相關問題。

3 教學模式設計

引入FPGA相關知識點后，開展參與式教學。參與式教學終究只是手段，目的是要把它運用到實際教學中，順利引入FPGA知識點，提升教學水平。本項目擬將基于FPGA知識點，開展參與式教學。

在橫向上，依托虛擬仿真實驗教學平臺，將一節(jié)實驗課分為“課前模塊”“課中模塊”和“課后模塊”三個模塊。在縱向上，將傳統(tǒng)的課堂教學與虛擬仿真實驗教學平臺相結合，開展參與式教學。

根據參與式學習的特點，將一次課分為“課前模塊”“課中模塊”“課后模塊”三大部分。

“課前模塊”，準備“課前引入材料包”，這個材料包包括PPT、視頻、圖片、微課等多種教學素材，素材力爭做到較好的交互性與趣味性，目的是讓學生對這節(jié)課要講授的知識先進行學習，引導學生進行預習。同時利用“小腳丫”開發(fā)板不在實驗室也可以使用的特點，讓學生在“引入包”的引導下提前接觸實驗，接觸開發(fā)板，在自行摸索的過程中激發(fā)學生思考，做到帶著問題進入課堂，同時能夠吸引學生，使學生能更好地參與到教學過程中。

“課中模塊”，在參與式教學中，教師主要起引導作用，在上課前，隨機抽取幾位學生用PPT講述一下自己在課前學習的收獲、遇到的問題。老師通過他們的講述，掌握學生課前自學的情況，找出他們學習中的薄弱環(huán)節(jié)，同時也引起學生的共鳴。針對薄弱環(huán)節(jié)，組織學生進行小組討論，開展參與式教學。根據大家的討論結果，教師做到“有的放矢”，有針對性地開始授課。在授課過程中，講授到關鍵知識點時，再次與學生互動，通過提問的方式，再次加深學生的認識。

經過課前的獨立學習及課中的反復學習鞏固應用，學生會對FPGA知識點有一個整體性了解和掌握，學生“主動學習”為主，“被動接受”為輔，教師“引導教學”為主，“包攬教學”為輔，培養(yǎng)學生的主觀能動性，提升學生習熱情，為實際實驗操作打下堅實基礎。課后教學評價對教師的教學活動開展發(fā)揮著重要的導向作用，是促進課堂教學模式改革、提高課堂教學有效性的重要手段。

“課后模塊”針對學生在課堂上的表現，有針對性地布置課后作業(yè)，并通過各類社交軟件與學生保持交流，及時解決學生作業(yè)中的問題。通過統(tǒng)計學生作業(yè)完成的情況，教師及時掌握學生知識點掌握的情況。

通過開展參與式教學，構建“課前、課中、課后教學模塊”，極大地拓寬了課程的寬度與廣度，讓一節(jié)課可以容納更多的內容。同時也極大地激發(fā)了學生的學習熱情與興趣，讓學生更好地參與到整個教學過程中。因此，我們可以借助參與式教學，改變以往數字電路課程老師主講的傳統(tǒng)方式，本課題將把參與式教學與FPGA技術相結合，以參與式教學為媒介，在“數字電路與邏輯設計”課程中引入FPGA相關教學內容，以學生為主體，構建“課前—課中—課后”三位一體的教學模式，充分參與式的教學特點打破時空的限制，使得學生能更好地參與到教學過程中，提升教學效果。

“數字電路與邏輯設計”是一門實踐性很強的課程，而目前的實驗課由于課時的限制，只能設置一些簡單的驗證性實驗，而對于設計復雜、耗時多的設計性實驗則難以展開。這就導致學生缺乏自己設計電路的經驗，嚴重影響了學生動手能力的培養(yǎng)。而引入FPGA相關知識點后，增加了實驗的復雜度，課時更顯吃緊。而參與式教學可以很好地解決這一問題，該方法打破了“課上—課下”的限制，學生可以通過“課前模塊”學習FPGA實驗的相關內容，這樣在實驗課的有限時間內，就能完成一個較復雜的FPGA設計性實驗。通過引入參與式教學，可以對原有的實驗課模式進行改革，加入更多的設計性實驗，這樣不僅能加深學生對數電知識的理解，還能培養(yǎng)學生的動手能力。

4 實施效果

選取20級生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生作為對照組，采用傳統(tǒng)的教學方式進行教學；而選取21級生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生作為觀察組，開展基于FPGA的參與式教學。通過調查問卷，以及期末成績對比，比較兩種教學方式的教學效果。

調查問卷主要包含“對本門課程理論課教學滿意程度”“對本門課程理實驗課課教學滿意程度”以及對“本次課的課堂氛圍滿意程度”，選項5分為最滿意，1分為最不滿意，以下為調查結果。

圖1 理論課滿意度問卷調查結果

圖2 實驗課滿意度問卷調查結果

從上面的統(tǒng)計可以看出，觀察組在三個調查中給出4分以上的人數比例增多，而2分以下的人數明顯減少。因此我們可以得出結論，通過引入FPGA相關知識，開展參與式教學，能夠活躍課堂氣氛，激發(fā)學生學習興趣，使學生能更好地參與課堂活動，顯著提升學生課堂滿意度。

課堂教學完成后，比較兩班期末成績，分析兩種教學方法下學生對知識的掌握程度。

兩組學生期末平均分比較表

從上表中可以看出，觀察組的學生成績比對照組的學生高出了12.1分。因此我們可以認為，通過開展參與式教學，學生能夠更好地吸收和理解所教授的知識點，起到了提升課堂教學效果的作用。

5 結論

將FPGA內容引入“數字電路與邏輯設計”課程，增加了課程內容，增大了課程的難度，學生學習與理解遇到了新的問題。本研究創(chuàng)造性地引入了參與式教學法，以參與式教學法為媒介，向學生教授FPGA相關知識。構筑了“課前”“課中”“課后”三個模塊，針對知識點進行量身定做，選用最適合的方式進行展示，這樣知識點經過精心編排，實現主題突出，內容具體。極大地拓展了課程的寬度與廣度，以學生為主體，讓學生參與到整個教學過程中來，激發(fā)學生的學習興趣，幫助學生更好地掌握FPGA相關知識。經過實踐后發(fā)現，較之傳統(tǒng)的教學方法，該教學模式能顯著提高學生的參與度與課堂滿意度，提升教學效果，能夠解決目前在“數字電路與邏輯設計”課程教學中出現的實際問題，是一套行之可效的教學方法。