基于FPGA 的新工科数字电路课程改革探索

王华东 晏中华 何 丰

（重庆邮电大学光电工程学院 重庆 400065）

0 引言

数字电路课程作为电子相关专业的专业基础课程，其课程建设和教学方法一直高校相关专业教师关注的重点。然而，随着信息技术和微电子技术的飞速发展，基于传统74 系列中规模芯片为基础的数字电路课程教学内容已经无法满足新形势下电子工程相关专业教学的要求。为解决当前数字电路课程教学面临的难题，更好地满足新工科以及专业工程对数字电路的要求，许多高校数字电路课程团队都做出了很多很好的课程改革工作，极大提升了数字电路课程教学的效果。[1-6]

在这些实践中，将FPGA 引入数字电路课程，取代传统的74 系列模块已经成为目前大多数数电课程团队的共识，并且基于FPGA 平台，提出了很多新的教学方法和考核手段，使得数字电路课程的教学更加注重学生的实践能力培养和创新思维的锻炼。为解决目前我校数字电路课程教学中存在的问题，参考兄弟院校的改革经验，对如何将FPGA引入数字电路课程的教学工作，展开了探索研究。[5-7]

1 数字电路课程教学改革试点

选择引入FPGA，需要选择FPGA 设计电路的方式。多数兄弟院校采用VHDL 等逻辑语言的方式设计逻辑电路，但基于实际情况，数字电路课程学时有限，采用VHDL 进行数字逻辑电路对绝大多数学生不具备可行性，[7]因此采用原理图设计的方式进行逻辑电路设计。这种方法的好处是和传统的逻辑电路设计方法兼容，学生易于学习掌握，无需额外学习新的语言。FPGA 开发板选择小脚丫开发板，开课后发给学生，供学生课后学习使用，学期末课程结束后回收开发板。目前教学试点进行了两期，具体总结如下。

1.1 第一期教学改革试点

第一期课程试点的主要措施有：（1）制作EDA软件和FPGA开发板的教学视频，要求学生通过课后自行观看教学视频来掌握如何使用EDA软件通过原理图的方式设计和仿真逻辑电路；（2）布置两次FPGA 课程设计作业，分别布置组合逻辑电路题目和时序逻辑电路题目。每次学生可以从多道题目中任选一道完成，课程设计题目考核结果计入平时成绩，占总平时成绩的30%，每次占15%。FPGA 开发板及EDA 软件的相关学习资料放在QQ 群共所有同学下载。

试点结果显示，大多数学生对于FPGA开发板用于数字电路课程学习都表现出较大的兴趣。此外，在学习EDA 软件使用方法中，学生会遇到各种问题，但大多数问题都高度相似，实际上可以通过总结常见问题来帮助学生快速掌握EDA软件和FPGA 开发板的使用。这个结果实际上表明在不过分增加学生负担的情况下，将FPGA 用于数字电路课程是可行的。这也是第一期试点的最大收益。试点中也出现了很多问题。首先是由于没有约束，大多数学生在短暂的FPGA 学习后，很快便放弃学习，最后采用抄袭的方式完成FPGA 课程设计。其次，期末测试结果显示，进行这种教学改革的班级，其数字电路课程的期末测试成绩相比较未进行改革的班级并未得到提升，表明直接将FPGA开发板引入数字电路理论教学的实际，并没有达到初始的预期。

对于第一次课程教学改革试点的结果进行分析总结，发现未达到预期结果的因素可能包括以下几个方面，第一：由于监督未到位，实际上FPGA 学习流于形式，因此导致教学效果不理想。第二：FPGA 学习与传统课程内容独立，试点增加了学生的学习负担，但并没有对理论课程学习带来帮助。

1.2 第二期数电课程教学改革试点

为解决第一期试点中存在的问题，又开展了第二期教学试点工作。本期试点在前期方案基础上进行了一些改进，主要有以下几点：（1）在理论教学过程中，减少了部分传统74 系列芯片使用的教学内容，以减轻学生学习负担；（2）所有的设计作业均要求学生在EDA 软件和FPGA 开发板上完成，并验证自行设计数字电路是否正确。（3）将两次课程项目设计改成固定题目和自选题目，固定题目要求单人完成，考核由助教检查完成情况；自选题目采用分组完成的方式，考核采用学生自行演示设计，各组之间相互打分，按分数排序给出最终成绩的考核方式，以发挥学生主观能动性，减少抄袭。

试点结果显示，有接近一半左右的学生在课程中基本能够掌握相关EDA 软件的开发板的使用，主动完成相应的逻辑电路设计题目。其次，自主选题确实能够有效激励学生的主观能动性和创新能力。如在考核中，部分同学基于FPGA 开发板，完成了诸如呼吸灯、翻阅障碍小游戏、斗地鼠、二人猜拳等有趣的FPGA 设计，达到了一定的预期。当然，考核中也出现了相同的设计题目，对此，在考核打分时制定了特殊的规则，所有成绩在排序前需要进行加权处理，如果一个题目是该组独有，加权系数为1，如果有两组相同，加权系数为0.9，三组相同为0.85，四组及以上为0.8，希望能够对抄袭现象有所惩罚。

在第二期试点发现了一些新的问题，主要有以下几点：第一，由于设计作业均要求学生在FPGA 内完成，使得作业的检查很困难，作业完成完全依赖于学生的自觉性。后期检查显示接近一半的同学在无监督的情况下，课程后期不会去主动完成设计作业。第二，传统理论教学内容和FPGA 学习存在一定的不兼容，前者重视74 系列模块的使用方法，而后者的电路设计非常灵活，并不拘泥具体模块的使用技巧。第三，在试点过程中，由于事先没有对数字电路课程理论教学和实验教学进行良好的协调，导致在教学内容和教学方法上都产生了冲突，降低了学生的学习效率，也弱化了试点的效果。

2 数字电路课程教学下一阶段探索思考

前期的试点，证实FPGA技术能够应用于数字电路课程的理论教学当中，并且具有相比较传统方法独有的优势。然而实践表明，要想让FPGA 技术在数电课程能发挥更大作用，还需要解决很多现实的问题。在分析总结试点中存在的问题基础之上，我们对如何开展下一阶段数字电路课程改革探索有了初步的思路。具体包含以下几个方面：

第一，数字电路课程理论教学和实验教学涉及FPGA部分的内容进行统一规划，并根据理论教学和实验教学自身的特点，重新分配教学内容和考核内容。譬如，将EDA 软件的教学以及FPGA开发板的使用方法学习放在课后和实验课上，并且实验室提供资源更为丰富功能更为强大的FPGA 开发板以提供学生进行更深入的学习研究。

第二，对数字电路课程理论教学内容进行优化调整，减少传统教学中的74 芯片使用方法的相关内容，增加模块化设计逻辑电路的内容。在不增加学生学习负担的基础上，调整学习重点，培养学生的数字逻辑电路设计能力，同时激发学生的创新意识，为学生后续课程学习及相关电子竞赛打下好的基础。

第三，优化数字电路课程的考核方案。新的考核方案将继承目前FPGA 测试中一些证明有效的方案(如学生FPGA 项目自主选题，学生自主对项目打分等)，并且结合传统书面考核(如作业和测试)和FPGA 题目两种方式，尽量发挥其各自的优点，相互补充比较。此外，希望在未来进一步采用网络手段，来提升考核测试的效率，降低教师的工作量。此外，解决如何有效监督学生的学习是需要考虑解决的问题。

3 总结

可以看到，今后的数字电路课程将从目前的74 系列芯片体系转移到FPGA 体系。如何适应这种变化是目前所有高校数字电路课程教学团队面临的挑战。本文介绍了我们在将FPGA 引入数字电路课程理论教学试点过程中的一些尝试，总结了课程改革试点中的经验，也对试点中存在的问题展开了分析，并介绍了后续进一步课程改革的思路，希望能够得到相关同行对我们工作的建议和指导，使得我们能更好地开展今后的数字电路课程的改革工作。