应用型本科大学FPGA教学改革与实践

周可君

摘 要 “FPGA 原理及应用”作为一门应用型课程，具有很强的应用性及专业性，要求学生学习课程之后要具备一定的编程及动手能力。对于应用型本科大学电子专业学生，FPGA技术是一项重要并且应当熟练掌握的技术。文章结合 FPGA 行業动态和独立学院的实际情况，针对目前FPGA教学的现状及问题，提出了在FPGA教学及考核中的几点改革意见，将理论教学与实践课程相结合，旨在提高学生独立思考及动手能力，提高本门课程的教学质量。

关键词 应用型本科 FPGA 教学 考核

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.044

The Reform and Practice of FPGA Teaching of

Application - oriented Undergraduate University

ZHOU Kejun

（Chongqing Normal University Foreign Trade and Business College， Chongqing 401520）

Abstract "FPGA principle and application" as an applied course， has a strong application and professional， requires students to learn after the course to have a certain degree of programming and practical ability. For the application of undergraduate university electronics professional students， FPGA technology is an important and should be proficient in the technology. In view of the present situation and problems of FPGA teaching， this paper puts forward some suggestions on how to reform the teaching and practice in the teaching and evaluation of the FPGA， and aims at improving the students' independent thinking. And hands-on ability to improve the quality of the course of teaching.

Keywords application-oriented undergraduate； FPGA； teaching； assessment

0 引言

随着电子技术的发展，FPGA（现场可编程门阵列）技术已成为电子信息技术中最热门的技术之一，是现今电子技术领域的一个发展热点，在通信、控制、电子等领域得到广泛应用。[1]目前，FPGA设计人才需求很大。为适应市场就业需求，许多高校开设了FPGA技术的相关课程，特别是应用型本科大学，更需要培养能熟练掌握应用技术的学生，提高学生的实际设计能力及就业技能。

FPGA的设计与开发，需要通过国际标准的硬件描述语言来完成，并利用计算机仿真软件，完成程序或原理图的编辑、布局布线、仿真，最终生成相应的FPGA器件配置文件，才能实现对实际FPGA器件的驱动，实现实际电路功能。对于以上一系列的工作，需要在FPGA技术教学过程中，根据学生的实际情况，制定相应的教学方案，带领学生实际编程、制作、仿真、实验，以求达到较好的教学效果。因此，本文根据应用型本科大学的实际情况，就目前“FPGA原理及应用”课程教学中存在的一些问题，提出了在理论教学、实践教学及考核过程中几点改革方法和措施。

1 FPGA教学现状及问题

“FPGA原理及应用”是目前电子技术学科中一门重要的应用性课程。FPGA也称为现场可编程门阵列，它为数字电路系统的设计提供了强大的技术性支撑，在目前的电子设计领域应用得非常广泛。FPGA设计具有编程灵活、可靠性高及开发简单等优势，此方面人才需求量巨大，就业前景优越，因此越来越多的应用型高校开设了“FPGA原理及应用”课程，在电子设计类专业中占有相当重要的地位。学生通过对本门课程的学习，能够掌握应用FPGA技术对数字电路的设计，在此过程中，培养学生的工程实践能力及创新设计能力。但在传统的“FPGA原理及应用”教学中，往往是教师教授理论知识，学生完成教师布置的实验任务。[2]这样的教学过程会带来以下问题：

首先，在传统教学方法中，教师先讲解理论知识，之后让学生自主操作，将理论和实践分离，不利于学生理解，使得学生对本门课程失去兴趣。

其次，作为一门应用型很强的课程，与实践紧密相关。在传统教学中，学生很难在独立的实践中，达到好的实践效果，无法与教师所讲的理论知识联系。并且FPGA技术发展速度快，往往学习实践跟不上技术发展的速度。

最后，作为一门专业性强的课程，初学具有一定的难度，特别是学生学习能力及基础不同。因此，需要教师针对学生的具体情况制定教学计划，否则，部分学生无法跟上教学进度，无法完成FPGA技术的应用。

要解决以上问题，需要对目前“FPGA原理与应用”课程，在教学上、考核方式上进行一些改革。以下是笔者根据本专业教学的一些实际情况，提出的几点改革意见。

2 FPGA课程改革

“FPGA原理与应用”课程的主要目的是让学生能够熟练的掌握数字电路的设计及可编程逻辑器件的基本知识、结构和使用方法，能够比较灵活的应用FPGA技术对数字电路进行设计。[3]FPGA的开发过程中，主要有原理图设计和程序设计两种。原理图设计可使用相关软件（如Quartus Ⅱ）对数字电路图进行直接输入；程序设计则需要掌握相应的硬件描述语言VHDL或verilog HDL，并能够熟练地使用该语言在FPGA上设计相应的数字电路系统，完成仿真、配置文件，最后驱动实际的FPGA芯片。在此过程中，不仅需要有扎实的理论知识、编程能力，还需要有实际的操作能力。[4]

在FPGA开发的课堂上，结合教材内容，可直接利用开发软件演示原理图输入、程序编写、仿真，并实际演示实验效果。将理论部分和实践部分相结合，使得学生能够切身了解整套FPGA开发过程。[5]这样不仅能够将理论知识融入实践中，而且由于学生能实际看到实验成功后的效果，可以提高学生的学习兴趣，更容易取得好的教学效果。

在FPGA实验环节的建设上，我们打算采用EDA/SOPC系统综合开发平台，使用HH-FPGA-EP4CE40核心板、Quartus Ⅱ软件作为主要的实验平台。在Quartus Ⅱ软件上完成原理图输入、程序编写、管脚分配、仿真、生成配置文件的工作。在EDA/SOPC系统综合开发平台上，下载配置文件，应用HH-FPGA-EP4CE40核心板，得到实验效果，完成对FPGA的完成设计流程。另外，由于传统的 FPGA实验内容多是验证性实验，比较基础，但设计性实验不足。因此在实验环节的安排上，我们根据学生的实际学习情况，对于掌握较好的一部分学生，将减少验证性试验，增加设计性与综合性实验内容。另外，对学生自己设计的作品，增加展示及答辩环节，使学生能够参与到真正的FPGA设计环节中来。

3 FPGA考试改革

“FPGA原理与应用”课程是电子专业中非常重要的主干课程，由于本门课程的专业性与应用性强的特点，不能单纯采用理论考试来作为考核方法。因此，考核采用多样化的方式，总评成绩由多部分构成。

第一，理论考试。主要包括对FPGA及数字系统设计基础知识，硬件描述语言的基础知识，相关软件及实验平台知识及设计要点等部分。

第二，实验操作。抽取难度适中的实验内容，要求考生实际操作，现场验收，考察学生真正对FPGA的应用能力。

第三，针对部分能够独立完成综合设计任务的学生，对其自己设计的作品或小论文及答辩环节的表现，酌情加分，调动学生的学习积极性。

第四，平时成绩。根据学生平时的出勤、课堂表现等方面，由任课教师评分。

通过对考核方式的多样性改革，调动学生的学习热情，使学生重视实践，特别是自主创新与设计，真正掌握FPGA设计技术。

4 结束语

随着电子技术的发展及FPGA人才的大量需求，越来越多的应用型高校开设“FPGA原理与应用”课程。教学实践表明，对该课程的教学及考核改革是非常有必要的。结合我院学生的实际情况，提出几点改革建议，有利于提高FPGA技术的教学质量，提高学生的学习兴趣，有利于应用型高校培养应用型人才的宗旨。但对于“FPGA原理与应用”课程的改革，我们还在路上，还需要进一步的探索和尝试。

参考文獻

[1] 徐松林，古康，郝青鹏.基于FPGA的可编程技术的应用[J].信息通信，2013.10.

[2] 张国萍.面向FPGA教学的启发性实验设计[A].Intelligent Information Technology Application Association.Proceedings of the 2011 International Conference on Future Computer Science and Application（FCSA 2011 V2）[C].Intelligent Information Technology Application Association：，2011：4.

[3] 张黎，李明，宋文龙，王建卫.FPGA入门级教材内容的探索与实践[J].中国电力教育，2014（21）：113-114.

[4] 钟旭.基于FPGA的电子设计课程体系改革探讨[J].科技经济导刊，2016（32）：169.

[5] 王正勇，尹洪剑.基于FPGA/CPLD的EDA课程教学改革与实践[J].工业和信息化教育，2013（3）：40-42.