ＦＰＧＡ课程教学改革研究

马志强　张德兴　孔昭煜

[摘 要]:FPGA是目前电子设计中的热点之一。在教学中,如何调动学生的学习兴趣,培养学生的创造能力,是教育者应该思考的问题。文章从FPGA教学实践出发,对该课程教学改革进行了探索和尝试,介绍了一些观点和具体做法。

[关键词]:FPGA 教学改革 案例教学法 项目教学法

随着1984年第一个器件的出现,FPGA的影响逐渐扩大,在通信、电子等领域中无不留下它的身影。正因如此,这门课程在高校的相关专业教育中占据着重要地位。作为一门实践性很强的课程,如何培养学生去熟练地获取知识、运用知识,调动起学生的学习兴趣和积极性,是我们应当思考的问题。笔者作为长期从事该专业教学的工作者,对于如何改善教学效果,提高教学质量也做了一些思考和尝试。

一、课程分析

FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。由于涉及门电路、时序电路以及硬件描述语言开发,因此,学习这门课之前,应对数字电路课程和计算机软件编程有一定程度的认识。此外,这门课程的实践性较强,应给与足够的实验课时,以培养学生的动手能力和创造力。通过对FPGA的学习,应能使学生了解FPGA器件结构、特性,掌握设计方法,最终达到能进行简单的数字系统设计,并能对所设计的电子系统进行模拟仿真或在实验开发板上硬件实现。

二、教学环节的设计

(一)总体规划课程内容,分层渐进开展教学

FPGA课程内容涵盖硬件描述语言(VHDL/Verilog HDL)、硬件设计软件(如Xilinx公司的ISE软件)、仿真软件(如ModelSim)、FPGA内部硬件结构,以及FPGA配置、电源管理、IP核,等等。可见,它既包含了设计语言的学习,也包含了应用软件的使用,还包括了电路的软硬件设计与实现,内容相当广泛。为了使教学内容更合理、更实用,我根据学习过程的先后关系把课程设计为四个阶段:

第一阶段,建立概念。先介绍FPGA的历史和发展趋势以及它在通信、嵌入式等专业领域内的地位和作用,给学生头脑中形成一个整体印象。

第二阶段,熟悉器件。主要讲授FPGA器件的内部结构,为后续设计作准备。

第三阶段,设计开发。主要学习FPGA设计方法,包括原理图输入法和硬件描述语言输入法。其中VHDL语言占据较多授课时间。在这个阶段,需要较多的上机实验练习。

第四阶段,能力提高。学习FPGA高级设计与开发,针对FPGA的一些设置与软硬件设计方案进行专题讲授,这是对前面内容的升华与提高。

(二)合理利用教学方法,灵活开展课堂教学

传统的教学模式是以教师和教材为中心,关注的是向学生灌输了哪些知识,但忽视了如何培养学生去获取知识、运用知识,导致学生理论与实践的脱节,也很难调动起学生的学习兴趣和积极性。为提高学生的学习兴趣,逐步培养学生的动手实践能力,我结合案例教学法和项目教学法开展教学活动,取得了明显效果。

这两种教学法实施过程中有先后之分。在学生入门阶段,尚未熟悉设计方法和技巧,此时采用案例教学法较为适宜。通过剖析现有案例,引导学生以个人自学、小组讨论、班级讨论等形式,分析和研究案例,从而激发学生思考,促其积极寻找解决问题的方法和途径,通过案例教学使学生懂得一个完整的设计方案是如何一步步实现的,并且在实现过程中应该注意哪些问题,培养学生发现问题、解决问题、归纳总结经验的能力。例如,我以“交通灯控制”为例,引导学生分组讨论现有方案是如何实现的,有什么优点和不足,如何加以改进,如何完善功能等,在集体讨论中,由各组代表提出优化方案,集体论证,最终确定方案,并在软硬件中实现。通过这次活动,学生对FPGA设计的一般流程有了深刻的认识,解决实际问题的能力得到加强,对于本课程的学习兴趣也有了显著提高。

(三)借助辅助教学手段,弥补课堂教学不足

1.充分利用网络资源,打造第二教学阵地

(1)巧用即时通信软件搭建交流的平台。例如,我使用腾讯QQ建立了QQ群,以提供与学生在线交流的平台。

(2)建立网上教学平台,提供教学以及相关技术资料,并提供留言板供师生交流。我在http://www.CSDN.net技术网站建立个人空间,提供技术资料的上传和下载功能,并可支持留言与答复。

(3)向学生推荐经典技术资源网站,帮助学生增强信息检索与获取资源的本领。如硬件设计方面的“与非网”、“电子工程师网”、“61EDA中国电子网”、“OpenHW”等网站;科技期刊方面的CNKI、维普、IEEE;研究生学习方面的“考研论坛”、“研学论坛”、“博研联盟”,等等。

2.培养小教员参与教学实践活动

由学员轮流担任“教员”,采取与教员共同备课、课堂上承担部分辅导任务、课后教员点评等形式,使教员教学与学员学习相得益彰。因为大家都是同学关系,所以很多不好意思问老师的问题,可以在同学间的你教我学中逐渐得到掌握,这也在一定层面上扫清了教师教育的盲区,从而整体提高教学效果。

三、改进FPGA教学的几点想法

1.增强课程融合,帮助学生建立专业学科整体意识

通信、电子类专业体系中的很多课程在内容上是互相渗透、互相支撑的。因此,在教学中应增强课程间的融合。我们在数字电路、计算机原理、无线通信、数字信号处理(DSP)、嵌入式系统等课程中都可以引入FPGA技术,以增强教学效果。

2.以赛促学,巧妙激发学生的学习兴趣

可以组织学生进行电子设计比赛,为获奖同学提供一定物质和精神奖励,提供一定的社会实践机会,这可有效激发学生的学习热情,培养学生的动手能力、创新能力和团结协作的精神。此外,在时机成熟时,还可组织参加“全国大学生电子设计竞赛”等国内比赛项目。

3.结合科研项目,提前进入毕业设计

FPGA器件及其软件在科研中应用十分广泛,已初步掌握FPGA技术的学生,如果能结合我基地科研项目,提前进入毕业设计,将会取得更好的学习效果,达到学用结合,学以致用的目的。

四、结束语

FPGA是电子技术领域的一朵奇葩,随着科技水平的发展,新的技术将会层出不穷。只要我们顺应时代发展,不断发展、不断创新教学手段和方法,努力培养懂理论、会应用的创新型人才,教学改革之路必将越走越宽阔。

参考文献:

[1]覃洪英.数字电路教学及实验与FPGA的结合[J].科技资讯,2008,(15):205.

[2]刘怡俊.应用FPGA辅助IC设计的教学改革[J].广东科技,2006,(8):57-58.

[3]高立新,李建波,查鸿山.高职院校《数字电路硬件描述语言》理论实验一体化教学初探[J].教育现代化,2006,(5):41.

[4]卢庆利.FPGA实验及课程设计的教学实践与思考[J].实验技术与管理,1998,15(1):62-64.