可编程逻辑器件原理与应用课程教学研究

李菊芳，李 婕

（河南工学院，河南 新乡 453003）

可编程逻辑器件原理与应用课程教学研究

李菊芳，李 婕

（河南工学院，河南 新乡 453003）

文章分析了以往可编程逻辑器件原理与应用课程教学中存在理论教学内容枯燥、实验教学效果不佳等问题，提出将理论教学融合在实践中的“理实一体化”教学模式。通过有针对性的考核方法证明，该教学模式教学效果良好，不仅提高了学生的理解能力和学习积极性，而且有助于培养学生的动手能力和创新能力。

可编程逻辑器件；理实一体化；教学模式；考核方法

0 引言

现代电子产品正在以日新月异的速度向功能多样化、体积最小化、功耗最低化、开发周期最短化的方向发展。同时基于芯片的系统设计方法被越来越多的电子产品设计者所青睐，成为电子系统设计的主流。20世纪70年代，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)在专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）的基础上发展起来，从此设计人员可以在实验室通过软件进行配置和对PLD进行编程，设计出具有既定功能的ASIC1[1]。PLD可以反复擦写，设计者只需通过软件来修改和升级程序，无须更改硬件设备，从而可以缩短开发周期，降低开发风险和投入成本，被广泛应用到航空航天、能源、通信及家用电器等工业领域。复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是在新型高密度的PLD基础上发展起来的，具有逻辑运算速度快、集成度高、编程方式灵活等优点，已成为高校电子通信等专业的核心课或限选课。

1 教学现状及存在的问题

可编程逻辑器件原理与应用这门课，历经近20年的教学实践，教学大纲逐年修订完善。但是如何组织教学，以更好地激发学生的学习兴趣，如何改进教学方法有效提高教学质量，是教育者探索和研究的重点[2]。

此前本课程采用以理论教学为主、实验教学为辅的教学模式，在60学时的教学安排中，理论课时占2/3，而实验课时才占1/3。虽然这在一定程度上实现了理论知识和实验内容相结合的目的，但是仍存在很多不足之处：比如学生在进行理论学习时，对一些枯燥无味的程序不感兴趣，久而久之会产生厌学心理；而在实验课上，又不会运用所学的程序来设计逻辑电路，虽然教师把程序给学生讲明白了，但是只要换个电路，或者换种语句来实现，学生就变得一脸迷茫。很明显这种教学模式不能激发学生的学习兴趣，也很难实现活学活用和创新能力的培养。

2 “理实一体化”教学

理论教学，主要是运用教材、讲义等材料，采用课堂讲授为主、实验演示为辅的教学模式，是教师将理论知识传授给学生的一个重要过程。实验教学，则以实践操作的方式，将理论知识运用到实际操作中，以期培养学生的综合运用能力、实践动手能力和创新能力[3]。而“理实一体化”教学，通俗地讲，就是把课堂由教室搬到实验室，一边通过实验操作来发现问题，一边通过理论知识的讲解来解决问题，即在“做中学，学中做”中发现知识的奥秘。该模式一方面可以培养学生的EDA职业能力，另一方面又可以通过实验操作加深学生对理论知识的理解和运用，可谓是“一箭双雕”。可编程逻辑器件原理与应用这门课是一门技术课，在学生掌握理论知识的基础上，更加注重学生的设计能力、动手能力和创新能力的培养[4]。基于此，本文提出该课程采用“理实一体化”的教学模式，现将该模式的具体实施过程及进度安排介绍如下。

2.1 具体实施过程

本课程的教材我们使用的是由机械工业出版社出版的全国高等职业教育规划教材——《CPLD/FPGA应用项目教程》。现以第一章“基于原理图的全加器设计”为例，结合专科学生的学习要求及自身特点，介绍“理实一体化”教学模式的具体实施过程。

2.1.1 提出要求

要求学生设计一个一位全加器。通过基于原理图输入的半加器、全加器电路设计，让学生认识可编程逻辑器件，了解其发展史、CPLD/FPGA的内部结构，以及QuartusⅡ的开发环境和可编程逻辑器件的开发流程。

2.1.2 原理分析

首先从一位半加器的真值表分析开始，给出输出端口与输入端口的逻辑表达式，分析一位半加器的实现需要哪几个门电路；其次画出一位全加器的真值表并给出其逻辑函数，分析全加器与半加器的关系；最后分析如何通过一个一位半加器来设计一个一位全加器。

2.1.3 实验分析与讨论

原理分析之后，接下来我们要对实验内容进行分析和讨论。每一次实验都有希望达到的学习目标，我们通过实验分析对所要学习的理论知识进行讲解，以期通过实验的操作来加深对理论知识的理解。一位全加器的设计有多种实现方法，可以通过原理图输入方法来实现，也可以用硬件描述语言来完成；可以由异或门电路来实现，也可以由同或门、非门的组合来完成。究竟采用哪种方式来实现，学生可以根据自身情况，以小组为单位讨论后做决定。因为学生尚未学习硬件描述语言，我们这里只能通过原理图的输入方式来完成电路设计。

2.1.4 实验操作

该过程是用具体的实验操作来实现学习目标的一个重要过程。要求学生以两人一组的方式，按照QuartusⅡ的开发环境和可编程逻辑器件的开发流程完成实验项目。教师要对实验过程中出现的问题进行答疑，帮助学生查找出错的地方、分析出错的原因，最终完成全加器的设计和功能验证。

2.1.5 总结

在实验操作环节中，我们发现学生还存在很多问题，比如在工程的创建过程中，实体命名没有按照标识符的规则命名，器件选型与试验箱上的FPGA型号不符等。我们通过总结这个环节，分析实验过程中存在的问题，指出容易出错的地方，避免学生在今后的实验中重蹈覆辙。同时对实验内容做一回顾，对理论知识加以梳理，旨在帮助学生加深对知识的理解，提高学生解决问题和分析问题的能力。

2.2 教学进度安排

依据该课程的培养方案，其学时定为60学时。通过本课程的学习，要求学生达到以下目标：（1）认识可编程逻辑器件的发展史，了解 CPLD/ FPGA内部结构；（2）掌握CPLD/ FPGA的开发流程；（3）能利用原理图、VHDL等输入方式设计逻辑器件；（4）能综合运用相关知识设计和开发典型的数字电路系统，以期达到动手能力和创新能力的培养。基于此教学目标，该课程的进度安排和学时分配如附表所示。

附表 进度安排和学时分配

2.3 教学效果

一年的教学实践证明，“理实一体化”教学模式充分地将理论知识与实验操作相结合，在实践中发现“新大陆”、解锁新知识，活学活用，大幅提高了学生的动手能力和创新能力。灵活多变的实验加理论教学模式，提高了学生的学习积极性，使他们由被动学习变为主动学习。课堂学习内容不再是枯燥无味的程序代码，也不再是强调再三的语法格式，而是实实在在地通过每一个电路的实现，每一个项目的设计，完成了VHDL语句的学习和应用，教学效果良好，达到了该课程预设的学习和培养目标。

3 考核方式探索及实践

好的教学模式要有好的考核方法与之对应。由于传统的闭卷考试只是检验学生对知识点的掌握程度，无法检测学生的知识运用能力和创新能力，故不再适用于本教学模式。为了检验“理实一体化”教学模式的改革成效，我们采用课程设计的方式来进行考核。

结课后教师给出一些课程设计题目，学生可以从中选取一个，也可以参考这些题目自行定题，在规定的时间内完成自己的课程设计，之后交由教师验收。通过验收后，学生需认真撰写课程设计论文，并统一上交纸质论文。最终，教师根据学生的课程设计内容是否能够实现，是否达到了预期设计效果，是否具有创新性等给出该学生的成绩。通过调查发现，对比传统的闭卷考试方式，该考核方式更适用于本课程“理实一体化”的教学模式。

4 结语

历史的车轮不断向前，教育的实施不断创新。教育者要掌握当前学生的特点，立足于培养学生的学习能力和创造能力，通过对课程的理解，寻找适应课程的教学模式。作为一名教师，只有提高自身修为，与时俱进，不断改革教学模式，不断创新教学方法，才能做学生真正的启迪者、引路人。

（责任编辑 杨文忠）

[1] 张智慧.CPLD/FPGA应用项目教程[M].北京:机械工业出版社，2015.

[2] 陈飞云.可编程逻辑器件应用课程教学实践探索[J].福建电脑，2016，35(3)

[3] 石新峰，牟光臣.《可编程逻辑器件原理及应用》课程实践教学研究[J].新乡学院学报，2009，26(3).

[4] 潘松.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社，2010.

Research and Practice of the Course PLD Theory and Application

LI Ju-fang，et al
(Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

The teaching problems of PLD theory and application such as the boring teaching content of the theory course and the poor effect of experiment teaching effect are analyzed , and the teaching mode of“Theory-practice integration” which combines theory with practice is put forward to in this paper. the teaching mode which not only can improve the students' understanding ability and learning initiative, but also help to cultivate students' practice and innovation ability is proved to be effective through the examination method, and has a wide range of the teaching process.

programmable logic device; theory-practice integration; teaching model; examination method

G642

A

1008–2093(2017)03–0067–03

2017-01-23

李菊芳（1987―），女，河南平顶山人，助教，硕士，主要从事移动通信物理层算法研究。