基于FPGA项目式技能培养的“电子信息”课程体系改革与探讨

徐运武+李艳

摘 要：通过EDA技术的实验实训项目与电子信息技术专业多门课程知识点有机结合，可帮助电子信息专业的学生将所学课程以知识模块的形式连接成一个完整的数字通信系统，以解决传统实验箱对学生缺少吸引力，导致学生缺乏学习主动性、创造性的问题，采取以“项目教学法”“案例驱动教学法”“小组讨论教学法”以及“学生示范教学法”等教学方法，改变考核方式，将教与学、理论与实际紧密结合，帮助学生建立对通信系统的感性认识，提高学生学习的积极性，培养他们分析和解决实际问题的能力，提高实际操作技能。

关键词：EDA；电子信息；课程体系；项目教学法

中图分类号：TP39；G712.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）02-0-03

0 引 言

将《数字通信技术》《EDA技术及应用》《移动通信技术》等电子信息技术专业多门课程有机结合，以帮助电子信息专业学生建立课程体系结构，将所学课程以知识模块的形式连接起来，形成一个完整的数字通信系统。但从本院近几届电子信息专业学生的知识掌握情况来看，由于缺乏系统、科学的学习方法和积极的学习态度，电子信息专业课程的学习效果差强人意，对后续就业产生了较大影响[1]。因此非常有必要形成一门专业课程体系，阐明各课程在实际通信系统中的作用和意义。

1 电子信息课程教学中面临的问题

（1）学生没有明确的学习目的，因此提不起学习兴趣。如《数字通信技术》《高频电子技术》和《移动通信技术》等课程理论性非常强，传统实验教学的主动权掌握在教师手中，学生处于被动的学习状态。在教学过程中，教师先讲解与实验内容相关的理论知识，然后进行实验操作演示，学生通常只需在实验台上进行简单的插接连线、信号测试等工作，最后提交简单的实验报告即可。在这种实验教学模式下，教学内容多以单纯验证与相关理论内容为主。过分强调实验课作为理论课的验证手段导致出现了一系列问题：学生缺乏实验学习的主动性，实验气氛沉闷；忽视对学生能力的培养；教师知识更新不及时[2]，实验内容无法反映通信发展的最新水平；实验过程缺乏创造性，无法满足社会对技能人才的要求；缺乏对学生实践能力的客观考察与激励优秀学生的评价机制。

（2）对于《EDA技术及其应用》等课程的教学，教师应把授课重点放在程序设计语言的基本语法讲授和掌握上，所选的编程实例大多用于语法规则的验证和说明，仅从程序设计语言的使用这一角度进行教学，或讲授的内容以针对数字电子技术为主，如加法器，触发器等，与电子信息专业课程或专业领域内的具体项目联系甚少，学生学习的积极性不高，导致大多数学生在学完本课程后“吃不透、用不活”，对程序中出现的逻辑错误不知所措，在开发较大应用程序时不知该从何入手。经过几次失败后[3]，学生的学习兴趣和主动性逐渐减退，很难实现预期的教学效果。

2 教学改革模式的实施

2.1 理论教学改革

精心规划实验项目。高职教育理念以就业为导向，专业理论基础教学要以“够用”“适用”为原则。为此，在高职课程教学内容改革上，针对高职院校电子信息类课程的教学实际，力求满足以学生为本、体现应用的教学要求。一方面要引导学生掌握课程内容的基本概念、应用方法和内在关联；另一方面，要突出重点、抓住要点和解决难点，提出“以线带点”的改革思路，实现“点线关联、线主点重”的学习内容安排，对课程的内容体系进行改革[4]。

2.2 实验实训教学改革

构建完整的实验教学体系，分层次组织实践教学，针对电信专业课程理论性强、知识点丰富的特点，建立感性的认识，帮助学生巩固理论知识。因此，通过帮助学生建立通信系统的感性认识，培养他们分析和解决实际问题的能力，提高实际操作技能，并将此作为实践教学体系构建的目标和出发点。在实践教学过程中，建立验证性实验、仿真设计实验和创新性实验层层递进的实践教学体系。

模块一：数字基带信号模块

设计项目1：基于FPGA的曼彻斯特码设计；

设计项目2：基于FPGA的HDB3码设计；

设计项目3：基于FPGA的单、双极性NRZ码设计；

设计项目4：基于FPGA的极性交替反转码AMI码设计；

模块二：数字编解码模块

设计项目1：基于FPGA的线性分组码编译码器设计；

设计项目2：基于FPGA的循环码编译码器设计；

设计项目3：基于FPGA的奇偶校检码编译码器设计；

设计项目4：基于FPGA的卷积码编译码器设计；

设计项目5：基于FPGA的交织与解交织器设计。

模块三：数字调制解调模块

设计项目1：基于FPGA的2ASK调制解调器设计；

设计项目2：基于FPGA的2FSK调制解调器设计；

设计项目3：基于FPGA的2PSK调制解调器设计；

设计项目4：基于FPGA的2DPSK调制解调器设计；

设计项目5：基于FPGA的CMPSK系统设计；

设计项目6：基于FPGA的QPSK系統设计。

模块四：数字同步模块

设计项目1：基于FPGA的巴克码发生器设计；

设计项目2：基于FPGA的序列检测器设计；

设计项目3：基于FPGA的位同步提取电路设计。

模块五：数字通信系统模块的FPGA设计与实现，利用前四个模块生成元件符号，在顶层设计中实现的数字通信系统设计如图1所示[5]。

模块六：综合设计项目：CDMA通信系统模块的FPGA设计。

通过对以上各模块的设计，使学生既能准确理解数字通信系统的组成及各模块的作用，又能够熟练掌握EDA硬件描述语言，为后续开发芯片打下坚实的基础。endprint

2.3 以项目组织实验，培养学生的实践能力

以项目组织实验，每个学生负责一个或两个具体项目，做到“人人有项目”，由组内其他学生负责辅助工作。实验室提供基础实验平台、电脑仿真平台、自制实验平台等实验条件，各组学生可根据自身情况自由选择实验方式[6]。

2.4 改革实验考核方式，建立新实验评价标准

现有通信专业课程的实验教学分为两个模块，即课内实验和期末集中实训或课程设计。传统考核将课内实验考核计入课程成绩，将集中实训或课程设计作为单独的课程计分。这种实验考核方式割裂了实验课程的内容，不利于实验课程的改革，应采取将课内实验和期末集中实训或课程设计统一为一门课程的考核方式。考核内容可覆盖实验表现、实验报告和成果、实验难度等方面，建立完整的数字通信系统实验考核评价体系，体现“强调过程，重视结果”的考核思想。实验表现体现在项目组成员互评、教师观察两个方面[7]。

3 以“ 交织-解交织的FPGA设计”为例，将移动通信关键技术之一与EDA紧密结合

交织技术实质包括发送端的交织和接收端的解交织。在发送端，编码后的信息输入交织器后，将连续的信息比特流以非连续的方式送入信道，此时若在信道中加入突发差错，则在接收端解交织时会将非连续的信息比特恢复成连续比特，同时会将突发差错转换为随机差错，然后再利用信道解码的检查纠错功能纠正随机差错，从而提高信息传输的可靠性。

本设计中交织+解交织结构如图2所示，由ROM模块、计数器、RAM模块和二选一选择器组成， 本设计顶层电路图和仿真结果如图3和图4所示。

（1）计数器模块CNT的作用在于为选择器提供顺序地址，为只读存储器提供顺序地址和读写控制信号。只读存储器中存放着交织地址，但这并不意味着只读存储器的输入输出方式是交织的，其输出元素是交织的。该模块元件符号中各端口作用：clk是时钟信号，clr是清零信号，ena是使能信号，q是输出。输出显示0～15位数字。主要作用在于读取顺序地址，与后面的交织地址对应。

（2） 选择器MUX2的主要功能是可进行选择，对地址过滤，当需要顺序地址时，计数器读取后送到RAM1总线上，然后按照输入的正常顺序读出来；若需要交织，则计数器的输出就先送到ROM1地址总线，然后按照ROM1的交织地址按照交织顺序输出。图中的d1和d2输出sel，是选择信号，即控制何时为交织何时为解交织。sel为“1”时交织，为“0”时解交织。q为输出的结果。

（3）ROM1 只读存储器模块用来存储和输出交织地址，其内容何时读出受计数器输出控制，程序中的data信号用来输出交织的地址。交织的数据已存放在ROM1表中，从这里得到最终的结果。我们预先把交织结果存放在ROM1表中，然后采用选择器来控制输出交织结果即可。

（4）RAM1模块用来接收输入的数据，受选择器地址控制，并按选择器地址输出数据，但其读写并非同时进行，映射了实际电路的时延[8]。

如本项目要求，学生要想完成任务，首先需要完全理解交织、解交织的原理与移动通信技术中的关键技术，同时也应熟练掌握EDA硬件描述语言的语法和层次设计的方法，能够熟练使用Quaaus II软件。经验证，该软件比移动实验箱单纯的验证性实验效果更好，也能为学生带来更多的成就感。同时还可根据学生的能力，提出思考问题。若要改变交织深度，提高纠错能力，只需增加存储器单元数量和地址线的位数即可。以项目完成情况提供考核标准，让设计更加灵活。

4 改革目标和拟解决的问题

（1）针对我院的办学定位、人才培养情况和生源情况，制定了符合我院电子信息专业学生实际情况的数字通信技术、EDA技术、移动通信技术、现代交换技术等课程标准与人才培养方案，考试大纲，编写了实用教程与相关课程辅导书。

（2）编撰规范的EDA技术及应用、通信原理课程习题试题集与实验实训指导书，尽可能编写适合我专业学生的移动通信技术、EDA技术及其应用教材。

（3）开发学习环境，开放网络教学平台及系统，包括教室、学习资源网站、课件等。学生在校内外可以利用网络平台自主学习，充分调动学生的脑、眼、耳、手，使教学不再枯燥、教学效果更直观，大大激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果[9]。

（4）积极探索多种教学方法，并将其灵活运用到课程教学中，如 “项目教学法”“案例驱动教学法”“小组讨论教学法”以及“学生示范教学法”等，以各模块设计为基础，提高学生学习的积极性。

（5）改变单一考核方式，提供约10套模拟考试题，针对某些操作性较强的科目设置了理论试题和机试试题，防止学生为了考试而被动学习，提升了课程项目实践在考核中的比重。

（6）利用我专业电子信息协会创新实验室的硬件条件，根据学生兴趣成立程序设计和硬件电路设计兴趣小组，提高学生对编程、做项目的积极性与动手编程能力和创新实践能力。

（7）改变传统验证性实验教学手段，以实验箱为主，将示波器作为检测波形工具，通过硬件调试验证理论知识的正确性。由于这种实验方法硬件电路的不稳定性，需要通过调节一系列电位器后才能够使波形输出，实验效果不理想，没有任何创新之处。若采用软件编程方式，以任务项目为目标，既可加深对理论知识的理解，又可灵活应用软件语言，并通过软硬件的仿真验证，使结果更稳定清晰，让学生有一定的成就感，提高其学习兴趣[10]。

（8）对比EDA技术与传统电子技术设计方法，大大缩短了电路产品的研制周期，提高了产品的可靠性、降低了成本。日趋进步和完善的EDA技术正在逐步取代传统的电子设计方法而成为现代电子设计技术的核心，它是电子技术类课程教学改革的重要方向。将该技术与电子信息专业数字通信技术有效结合，为学生后续课程的学习打下坚实的基础[11]。

5 结 语

本项目组成员拥有多年的电子信息专业课程教学经验，对《数字通信技术》《EDA技术及应用》《移动通信技术》《可编程控制实训》等相关课程之间的关系有深入研究，对各课程在通信系统中的作用非常明确，现已将《数字通信技术》《移动通信技术》等多门通信专业课程实验实训与《EDA技术及应用》有效结合，取得了较好的教学效果。

参考文献

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[6]王正勇，李国军，霍福翠.EDA技術与应用教程[M].北京：高等教育出版社，2012.

[7]张艳，靳孝峰.对EDA技术课程教学改革的探讨[J].教育与职业，2011（21）：143-144.

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[9]张熠，常春耘，杨英强.信息化条件下电类专业教学资源建设的探讨[J].中国电力教育，2011（1）：61-62.

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[11]罗文超，徐钊，盛祥佐.一种基于DDS的QPSK调制器及其FPGA实现[J].电讯技术，2007，47（4）：156-158.

[12]王正勇，李国军，霍福翠.EDA技术与应用教程[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint