探究CDIO理念下的专业课程实验教学体系建设

◆赵刚

(西南石油大学计算机科学学院)

探究CDIO理念下的专业课程实验教学体系建设

◆赵刚

(西南石油大学计算机科学学院)

高等学校专业教学计划中的课程实验教学在整个人才培养体系中占有极其重要的地位，它不仅可帮助学生验证课堂所学知识与训练基本技能，更重要的是对深入实施素质教育、切实培养学生具备学思结合、知行统一的探究精神与创新思维、实现培养创新性人才的目标而起着举足轻重的作用。因此，随着我国高等教育改革与研究步伐的加快，进一步开展专业课程的实验教学体系研究与建设显得十分有必要。

“可编程逻辑系统设计”是许多工科院校计算机相关专业的一门必修课程，它作为“数字逻辑”、“微型计算机技术”等原理性课程的后续及若干技术性课程的前导，对实践环节的要求较高，尤其可体现实验教学体系的作用和地位。因此，本文拟结合我校近几年在该课程的建设与教学方面经验，就高校工科类专业课程的实验教学体系建设与目前先进的CDIO工程教育理念的融合提出以下的观点与思考，以期与广大高校教师共同探讨。

一、规划实验教学内容

实验教学内容必须紧扣课程的教学目标与教学内容，且在学时分配上应结合课程的性质进行总体考虑。因此，按照我校的教学计划制订原则，本课程总的学时被分配为56学时，而在具体制订教学大纲时，我们参考了教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会的建议，将实验学时设定为26学时，基本达到了理论与实践1:1的学时分配比例，从而首先为教学目标的顺利达成提供了较为充足的学时保障。

课程共安排了8个必须完成的实验项目，除第一个项目为帮助学生掌握IDE集成开发环境的基本使用方法、认识一般可编程逻辑系统设计的输入、综合及仿真等主要环节外，其它七个项目则基于由浅入深、由点及面的原则，依次安排了验证型、设计型、以及综合型等三类不同性质的实验。

在3个验证型实验中，加法器设计共分配4学时，通过1位加法器及n位加法器的设计练习，使学生加深对VHDL设计中行为描述、数据流描述与网表描述等三种不同描述风格的认识，同时达到对基本程序设计方法的熟练掌握目的;译码器设计共分配2学时，通过3－8译码器及7段码译码器的设计练习，使学生快速掌握VHDL程序的基本结构及其编程方法，并进一步加深对系统设计的硬件适配及配置下载环节的认识和理解;而计数器设计实验同样分配2学时，通过对4位同步加、减法计数器的设计，使学生能较好地掌握同步时序控制的基本方法，同时掌握LPM参数化模块库中的功能块调用方法。

在3个设计型实验中，交通信号灯控制器设计实验共分配4学时，通过设计一个简单的交通灯信号控制器，使学生掌握利用ASM算法状态机设计同步时序系统的方法，加强认识状态机的典型VHDL程序结构;ADC控制器设计实验共分配4学时，通过设计ADC0809或ADS801的工作控制器，对比A/D转换过程的软件与硬件控制方法，进一步巩固利用状态机实现同步时序系统的知识;乘法器设计实验共分配4学时，通过8位移位相加乘法器的设计，帮助学生理解可编程逻辑系统设计中的自顶向下设计思想，掌握原理图与VHDL编程相结合的混合设计方法。

课程最后通过设计一个简单微处理器系统，使学生认识并理解复杂时序系统的状态机划分方法，培养学生综合运用各类构建块和状态机思想进行系统设计的能力，并提供较为充分的开拓创新空间。

二、搭建实验教学平台

要圆满完成实验教学内容，顺利实现实验教学目标，一定需要兼具高性能、高可靠性和高效率的配套实验教学平台，以支持学生在课内外方便地将自己的实验设计在硬件电路中进行实际验证，从而帮助其对所学习知识内容的理解、消化与接收。

就“可编程逻辑系统设计”课程而言，长期以来国内市场上缺乏合适的实验教学平台。为此，我校组织教师自行研制了一种基于FPGA(即在线可编程门阵列器件)的综合实验教学系统，并以此为平台支持本课程及其后续课程的实验教学需要。该系统采用一块Altera公司的新一代中规模FPGA产品CycloneⅡEP2C35，不仅可满足本课程的各项基本实验教学任务需要，同时还配以众多丰富的外围设备，可很好地支持开展综合性较强的实验项目。系统采用完全开放式结构，充分保证在教学过程中能让学生接触到所有硬件资源，从而加深对设计的理解和认识，为在课程实验教学中组织学生扩展进行其它应用性、创新性实验提供了条件基础。

同时，为方便学生在课外继续进行实验，我校教师还研制了一种便携式实验系统，尽管其FPGA片内资源及外围设备相对较少，但仍然配置了较为完整的功能设备，并具备了轻便、小巧的优点，可供学生随身携带至图书馆、教室、实验室和寝室等各种场合，从而达到课程实验教学的延伸与拓展。两类系统基于同一厂家的FPGA产品系列，且功能结构设计完全一致，因此可保证学生在一套系统上所做的实验设计能轻易在另一套系统上进行调试与验证，二者共同构成了本课程的实验教学平台。

三、探寻实验教学模式

不可否认的是，长期以来我国高校传统的实验教学模式一直存在着这样的问题。由于制订专业教学计划与课程教学大纲的习惯性思维方式，一般来讲，大多数课程的实验教学内容均与理论教学(更加准确地讲，应该是课堂讲授)内容合在一起而存在，且在学时比例分配上有着前者较轻、后者较重的特点，在文字描述上也遵循着先理论教学后实践教学的安排顺序。由此，无论是在教师还是在学生中，均容易造成认识和理解上的一个误区，那就是实验教学是理论教学的附属，二者自然会有主次之分。并进而造成教师在实验教学的设计、组织、操作、考核等环节上出现了重课堂讲授、轻实验操作的现象。具体的表现是，不少教师在开展实验教学时，所采取的基本方式是首先布置任务，然后让学生自行操作练习，而在此过程中教师针对学生遇到的问题进行个别解答。显然，这样的方式只能算作是实验指导，而非实验教学，由于缺乏必要的教学设计，故教学效率不高，教学效果也难以保证。

遵循教改的精神，经过几个学期的探索与实践，本课程逐渐形成了“课内+课外”、“主导+主动”、“验证+探究”的实验教学模式。尽管在大纲制定、学时分配等方面仍然基于传统的设计方式，但在实施过程中却有效转变了教师与学生过去习惯的重教室而轻实验室的观念，特别强调了实验教学中的目标设计、过程引导、讨论总结以及教学延伸等各个环节的组织与开展。

针对教学大纲安排的26学时课内实验学时，课程共设计8个相对完整但却又相互关联的实验项目。每个项目按其在课程中性质和难度不同而分配不等的学时，但均要求学生在课外自行安排等量的附加学时以加强练习，从而形成“课内+课外”的基本教学模式。为此，在每个实验项目的设计中，并非像传统方式中直接给出一个需要完成的具体任务，而是基于综合案例教学的思想，将一个功能较为完整的实验项目分解成多个不同阶段的任务，然后由教师逐步提出每一阶段的任务和目标，带领学生采用适当的方法分步骤循序完成。而在此过程中，应特别注重教师的引导作用和启发手段，需要在每一阶段任务完成后即组织学生共同分析与讨论，针对已完成任务进行尚存的问题分析，并由此引伸出下一阶段需要解决的问题。同样在操作过程中，教师还可以针对实验中的难点问题进行适当程度的演示，以帮助学生更好地理解任务，启迪主动解决问题、创新解决问题的思维。

通过上述方法，很容易做到对学生的课外实验教学任务要求。绝大多数的课内实验教学任务设计均遵循“验证+探究”的方式，亦即首先通过教师的引导，使学生分阶段、分步骤完成一些验证型(但也可以是设计型)的实验内容，然后逐渐过渡到要求完成较为综合的任务，并在每次课后均留下需要继续完成的任务。于是学生可结合实验平台中的便携式设备，在图书馆、教室甚至寝室里均可以继续开展自主的探究式实验学习，从而有效地降低了传统实验教学方式的时空限制，大大提高了实验教学的效率和质量。

四、结束语

本文结合我校开设的计算机相关专业课程“可编程逻辑系统设计”的课程建设与教学活动，主要针对高等学校工科类专业课程如何更好地构建满足课程教学需要、促进教学质量提高的实验教学体系进行了论述。实验教学是高等学校实现素质教育和创新教育的重要环节和前沿阵地，也是高等学校教育教学改革的基础、前提和保证。通过科学规划与课程性质与课程总体教学目标相匹配的实验教学内容，合理搭建可完全支持教学活动开展的高效实验教学平台，综合采用“课内+课外”、“验证+探究”、“主导+主动”的新型实验教学模式，再充分结合客观、全面、真实、多元的实验教学考核手段，可形成一套逻辑完整、行之有效、且充分体现CDIO工程教育理念的专业课程实验教学体系，从而为实现课程教学目标、促进知识向能力转化、培养学生科学素养与探究精神提供了基础条件支持。

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