应用型本科FPGA课程教学模式的

更新时间:2024-03-04 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:20545 浏览:93097

摘 要 :近几年来,FPGA技术飞速的发展,众多高校争相开设FPGA课程,本文通过分析教学过程中出现的问题,提出了结合工程应用的课堂引导教学,以学生团队为主体的项目实践性教学,建立辅助教学手段等有效方法,改变了传统的按部就班、单一的课堂教学模式,提高了教学质量.

关 键 词 :应用型本科;FPGA;教学模式

中图分类号:G642.0 文献标 一、前言

FPGA技术经过二十多年的发展,现在已经被广泛应用到各个领域,并成为越来越多领先技术的系统解决方案.从2000年起FPGA技术开始引入国内电子工程专业的研究生教学中,并在2005年后开始在本科生教学中大面积铺开[1].当时由于FPGA刚刚进入中国市场,无论对于教师、企业研发人员,还是本科生、研究生来说,FPGA的教学几乎都是同时展开的,一切从零开始,摸索着前进.但7年后的今天,FPGA技术已经相当成熟,从当初的仅仅在研究生阶段才开设的FPGA课程,到现在各大高校本科阶段都争相开设,FPGA技术的普及程度越来越高.但FPGA作为一种实用技术面临的最大问题是产品性能更新换代的速度快,从教学内容、教学思想到教学资源都面临不断更新的问题.在这里不仅有一个教师如何适应电子技术的发展,自身不断学习提高的问题,而且还有一个如何将新知识有效传输,让学生学到真本事,使学生在毕业后能够更快地适应工作的问题.

建设应用型本科为主的独立学院,面临的问题很多,但突出实践教学,跟上技术的进步始终是我们应把握的方向.笔者在这7年中作为学生和教师的双重身份,见证着FPGA在国内的发展,深深体会着FPGA教学的逐步变化,从不同的角度剖析现有FPGA教学中还存在的诸多问题.现在把教学过程中遇到的主要问题及解决方法与大家探讨,希望可以更好地促进FPGA教学的发展.

二、FPGA教学的现状及问题

长期以来,由于独立学院实验室条件有限,FPGA技术的课程教学仅仅局限在理论教学中,导致教学过程中出现了教师难教,学生难学的情况,严重影响了教学的效果,最终导致整个课程学习下来学生依旧无法独立开发FPGA项目,仅仅是纸上谈兵.传统的FPGA教学一般都是先介绍可编程门阵列的结构特点,然后介绍EDA软件工具的使用,接着花大量的时间讲解硬件描述性语言[2].这种传统的按部就班式的教学模式,虽然对夯实理论基础很有帮助,但是毕竟教学课时是有限的,对学生来说现在所学到的东西让他们没有方向感,甚至不知道这个FPGA到底怎么用、用在哪.如果一味进行课堂教学,缺少实际的动手操作或者工程实践,就会造成学生的学习兴趣不浓,现在很多学生都对这种传统的教学模式感到枯燥.目前FPGA课程中硬件描述语言教学通常选择VHDL语言,国内外教材也大多使用VHDL语言编写.VHDL由美国军方组织开发,正由于军方的优势,使其在1987年就成为了IEEE标准[3].VHDL语法规范严谨,由于其历史较长,参考资料及程序范例也更加容易寻找,但不足之处也是显而易见的,对于学生来讲,它是一种全新的、独立的编程语言,无论对于电子专业或者计算机专业的学生来说都需要从头学起,增加了学生的学习负担,容易在一开始打击学生的自信心.

三、改进FPGA教学的探讨

FPGA这门课程的教学目标是要使学生在掌握基本原理的基础上,能自主实现系统设计,这就需要给学生提供一个真实的系统设计案例,让学生从中体会和感悟设计思想、设计过程以及分析问题的方法,在教学过程中,利用“逐项引导+项目驱动”的教学模式,培养学生的自主学习能力、系统设计能力和语言表达能力.本文结合我校FPGA课程改革前后的对比,探讨FPGA教学模式的改变对FPGA教学所起到的效果.

1.结合工程应用的课堂引导教学.在学生学习FPGA的入门阶段,尚未熟悉设计方法与技巧,对于FPGA的应用还一无所知,此时采用案例教学法最为适宜,结合工程应用的课堂引导教学,通过剖析工程案例,引导学生以个人自学、集体讨论、小组展示演讲等形式,分析和研究工程案例,从而激发带动学生主动思考,培养学生发现问题、解决问题,归纳和总结问题经验的能力.例如,在学生第一次操作实验时,通常都会使用控制LED灯交替闪烁的方式学习对单个管脚的控制.而我在这个实验的基础上,引入十字路口交通灯的问题,引导学生分组讨论如何利用现有知识实现实际工程应用,在实现的过程中,有何优点与不足,如何加以改进,如何完善功能等,在集体讨论中,各组代表介绍本组的方案,其他各组可以提出反驳,引起辩论,最终得出最优方案,集体论证方案的可行性,确定最终方案,并在软硬件中实现功能.通过这样的课程学习,学生对FPGA设计的一般流程有了深刻的认识,极大地提高了学生主动学习的兴趣,在一正一反的辩论中产生了更多的思想火花,加深了对FPGA应用的理解,解决实际问题的能力得到了极大加强.

2.以学生团队为主体的项目实践性教学.我校FPGA教学实验平台采用的是Altera公司的DE2-70实验套件,不论是从性能上,还是扩展能力上,对于学生学习FPGA技术都是绰绰有余的.在采购数量上,我校根据实际各班人数,最终确定购写50套DE2-70实验套件,其中40套用于课堂教学,另外10套用于学生课外科技活动,组织那些对FPGA技术充满喜爱同时又有很强的专业动手能力的学生,让他们以团队的形式接触FPGA技术更深入的内容.对于各方面表现较为出色的团队,可提前进入毕业设计环节,部分优秀的学生加入教师的科研项目团队中,将会取得更好的学习效果,达到学用结合、学以致用的目的.


由于本课程采取了课内外结合的教学模式,通过一定时间的学习和训练,学生的动手能力有了很大提高,他们有很多机会参加各类电子设计大赛.例如我系两届学生参加“全国大学生电子设计竞赛”均取得了令人鼓舞的好成绩.反过来,组织学生团队参加电子设计大赛,为获奖团队提供一定的物质奖励和精神鼓舞,为这些团队联系校外实习实践机会,以赛促学,又可有效激发不同层次学生的学习热情,培养学生的团队协作能力、动手能力和创新能力,带动整个专业学生的学习风气. 3.建立辅助教学手段,弥补课堂不足.FPGA课程是一门实践性特别强的课程,要真正学好FPGA,光靠上课这些课时是不够的,需要学生在课后自主学习和研究.在自学的过程中会产生很多问题,对于不同类型、不同需求的学生,我们需要采用不同的辅助教学手段用以弥补课堂教学的不足.(1)充分利用网络资源,打造第二教学阵地.巧用即时通信软件和电子邮件搭建交流平台,用不同方式满足不同性格学生的需要.例如有些学生较善于沟通和理解,他们会使用、MSN等方式进行交流,即时提问即时回答.但又有些学生不太善言辞,或者不喜欢即时表达,可以选择使用电子邮件沟通,在二个工作日内会给予答复.充分利用我校开设的网上课程中心,建立网上教学平台,提供教学以及相关技术资料和文档供学生下载查看,并提供留言板供师生交流使用.同时在最大的工程师社区网站CSDN开设公共,供学生使用,用于上传和下载技术资料.(2)培养教师助手参与教学实践活动.从优秀团队中选出能言之人轮流担任“小老师”,采取与任课教师共同备课、课堂上承担部分辅导任务、课后教师点评等形式,使教师教学与学生学习相得益彰.因为大家都是学生,可能是同年级的,又或者是学长学姐,都是同学关系,所以很多不好意思问老师的问题,可以在同学间的“教学相长”中逐渐得到掌握,这也在一定程度上扫清了教师教学的盲区,从而提高整体的教学效果.

在实践环节中,可能许多学生遇到的问题相同,但每位学生的理解却不同,此时教师需要逐个回答他们的疑惑,影响了教师的教学进度和实践效果,但在教学助手的协助下,教师可以从中抽离出来,解答更多不同的问题,让不同程度的学生都可以解决学习中的疑点,提高整体教学质量.

4.从VerilogHDL语言入手,消除不必要的学习障碍.VeriogHDL创建之初是为更便捷、更有效地描述数字硬件电路和仿真而设计的,它的许多关键字与语法都继承了C语言的传统,只要有C语言基础,可以很快采用VeriogHDL语言进行简单的FPGA项目开发.对于教学中硬件描述语言的选择上,到底是选择VeriogHDL语言还是选择VHDL语言,它们各有特点,但从学习的复杂度考虑,更加倾向于选择VeriogHDL语言,纵观各大高校历年FPGA教学大纲,2009年之前主要以VHDL教学为主,但从2009年开始,发现VeriogHDL在中国发展势头强劲,以至于许多高校从2010年起把硬件描述语言教学改为了VeriogHDL语言.两者在程序最终实现效果上差别不大,但是对于仅仅只有C语言基础的电子专业工科学生来说,VHDL语言显然是个大负担.而与C语言有血缘关系的VeriogHDL语言更有优势,同时也可以省下学时,把时间放到实验中去[4].

四、总结

以上只是笔者从事FPGA教学工作后的几点想法,并通过实践证明了其中的优点,但FPGA教学过程中仍然存在较多的问题,例如:教学团队还不够强大,只能凭着少数几个教师自己摸索进行FPGA教学的改革试点;市场上适合个人开发学习使用的FPGA开发板种类还较少,同时配套教材更加缺乏等.总之,在有限的教学时间内,入门容易但灵活运用较难,暂且只能做到师傅领进门,修行靠个人的程度.笔者将在接下去的教学过程中继续探索,争取把FPGA教学做得更好,为提高应用型本科人才的实践能力做出贡献.

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