基于OBE理念的FPGA技术课程教学设计与实践

吕兆承，李 营，罗靖宇，郑晓东

（淮南师范学院 电子工程学院，安徽 淮南 232038）

0 引 言

在现代数字系统的设计中，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）技术已经成为一种广泛使用的工具，其设计实现的数字系统具有处理速度快、灵活性高、开发费用少、升级简单、易编程等特点。对电子信息类本科生而言，熟练掌握FPGA设计方法是当代电子工程师必须具备的技能之一。只有学生掌握FPGA开发技术，才能使教学跟上科研的发展，培养出社会需要的人才。FPGA技术课程是为电子信息类专业学生开设的一门实践性很强的专业基础课，它可以巩固数字电路技术的有关知识，也能为后续课程提供有效的实践教学支持。本课程通过传授FPGA技术的原理、工具、器件、硬件描述语言以及仿真技术等的理论知识，并循序渐进地从组合逻辑、时序逻辑的开发开始，深入到FPGA的基础应用、综合应用和进阶应用，使学生在了解FPGA技术一般概念的基础上，掌握用Verilog HDL语言的数字系统电子设计自动化（Electronic Design Automation, EDA）设计基本方法与流程，学会以Quartus为代表的EDA工具及配套FPGA硬件开发系统的使用，具备独立设计实现较复杂数字电路和系统的能力，并注重培养学生的实践能力和创新能力。

1 FPGA技术课程教学现状

作为普通地方应用型高校，我校以往FPGA技术课程设置为52课时（理论36课时+实验16课时）。教师根据教材的知识结构，从知识点中梳理出重点，主要从讲授知识的角度完成FPGA技术的教学，配以实验深化知识的理解，教学重点在于知识的讲解与知识点相互之间关系的把握。这是一种基于传统知识点的教学方式，教师是课堂的主体，占有绝对的主动性，虽然可以极大地提高课堂效率，但也存在以下问题：

（1）FPGA技术课程内容繁杂且枯燥，在教学过程中，教师更多考虑课程知识的系统性和完整性，忽略了学生能力和素质的培养，容易让学生失去学习兴趣与信心；

（2）实践与理论脱节，实验教学安排在学期后半部分，学生做实验过程中无法与理论知识联系，不能深入理解电路程序的编写和设计思路，过渡依赖教师，能力得不到有效锻炼；

（3）课程考核形式单一，强调期末考核，卷面考试成绩占总成绩的70%，平时考核依托于出勤（10%）、作业（20%）等指标，使得许多学生不重视平时的学习过程和实践环节，达不到培养应用型人才的目的。

通过以上分析，本文以淮南师范学院为例，在工程教育认证背景下，贯彻OBE教育理念，从课程目标、教学内容、教学方式、考核评价等方面对FPGA技术课程进行教学改革探索，助力提高人才培养质量。

2 基于OBE理念的教学改革与实践

OBE（Outcome-based Education, OBE）是一种基于学习产出的先进教育理念，又称能力、目标或需求导向教育，以“学生中心，成果导向，持续改进”作为核心理念，现已成为国内外许多高校教育改革的主流理念。与传统的教育理念相比，它要求教师必须对学生毕业时应具备的能力有清晰的设想，围绕实现预期的目标成果进行教学设计，从而在教学过程中保证学生达到预期目标。根据社会需求制定课程目标和教学大纲，依据教学大纲进行正向实施，从而完成以学生为中心的课程内容整合和实施，制定多元化、多层次的课程评价体系，根据评价结果进行反思总结并持续改进授课内容。

2.1 将思政融入目标要求，构建学习成果

《高等学校课程思政建设指导纲要》中明确提出，工学类专业课程要注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的国家情怀和使命担当。根据FPGA技术课程对电子信息工程专业毕业要求相关指标，结合学生的职业规划和深造发展的需求、现代社会对电子信息类专业人才的需求，确定了FPGA技术课程的目标成果。

目标1：了解可编程逻辑器件的发展历程和FPGA技术在国内外的发展状况，理解FPGA的构成、工作原理和应用优势，激发学生对FPGA技术的学习热情，培养学生科学、严谨的做事态度，提升学生的责任感和社会使命感，树立奋发有为、强我中华的职业报负。

目标2：熟悉硬件描述语言Verilog HDL的语言特点和基本语法规则，掌握Verilog HDL的设计流程和语句，掌握Verilog HDL实现组合逻辑、时序逻辑和状态机等各种类型数字电路的方法。

目标3：了解现代复杂数字系统设计技术与验证技术，掌握描述和分析现代数字系统的方法，树立正确的设计理念，能够根据系统功能要求进行硬件模块的搭建，具有独立设计实现较复杂数字电路与系统的能力。

目标4：能够熟练使用Quartus II开发平台、ModelSim仿真平台实现模块的设计与仿真，能够使用SingalTap II与RTL视图进行验证与仿真测试，掌握基于Quartus II的编程、编译、适配、仿真、配置下载等要点。

在处理数据时，对于5个评分因子的满意度设置分值，用选项的平均值作为这一问题的总体分值进行统计分析．设对卫生状况非常满意的使用者所占比例为，比较满意的为，一般的为，不太满意的为，很不满意的为，同理，对于卫生安全有，，，，，对于价格有，，，，，对于口味有，，，，，对于服务态度有，，，，，对于种类有，，，，．

2.2 以项目引导教学过程，改进教学内容和方式

课堂改革提倡理论授课和实践环节相融合，将理论知识放入实验室，推行小班教学，将学生人数控制在15～20人，结合实验项目进行讲解，学生可以边学习边实践，从工程项目中学习知识，在实践操作中培养分析问题、解决问题的能力。课程组以综合能力培养为主线，以基本概念、设计原理和相关技术为核心，精心设计了7个基础设计型实验和5个综合系统设计项目（5选1），共计32学时。以任务驱动、典型系统为载体，教学项目为单位，打造课程教学内容的模块化和专题化，见表1所列。这些项目均由多个模块实现，每个模块相对独立，顶层模块将各模块有机整合，便于学生理解和掌握FPGA设计思想和方法。

表1 “FPGA技术”课程内容

采用项目化教学方式，按照工程构思-设计-实施-运行的思路组织教学，要求学生以个人形式完成任务，流程如图1所示。针对难度较高的综合性设计实验，提倡学生自组团队，通过沟通协作的方式完成任务。此举一方面可适当降低学生的工作量，自由分配工作内容；另一方面可发挥学生的主观能动性，培养他们的团队协作能力。

图1 基于项目驱动式教学的教学流程

2.3 结合“互联网+教育”，采用线上线下一体化教学模式

为实现以学生为中心的教与学，本课程采用线上线下相结合，课堂学习与课外学习深度融合的教学方法，分别以超星学习通课堂等虚拟学习环境和教室实验室等为教育载体，开展教学活动。课前，学生通过网络平台的教学资源库获取相关学习资源，了解学习目标与学习任务，自主学习。课堂上，以学生为中心，进行线上测试、课堂测试，老师可检测并了解学生的学习情况。为了更好地适应新的教学模式，需对原有的教学内容作调整，将原来在理论课堂上讲授的硬件描述语言要素、基本语法等知识录制相应视频或者提供学习资料。除本课程的校内教学资源，还可充分利用网络资源，在中国大学MOOC、学堂在线等网络平台上收集相关的、学生感兴趣的、有一定深度的课程章节作为课程教学资源的补充，方便学生课后进一步学习。

利用“互联网+教育”的思维模式，可以有效对学生的作业完成情况进行大数据统计和分析，如：成绩分布、错误集中点等，以此改进和优化课程中存在的问题，同时将批阅结果反馈给学生，使其更清晰地了解易错点，便于讨论改正。在教学过程中，学生和教师均有自我调整、独立思考的空间，满足教学所需的紧密及时、高效多样的互动要求。

2.4 构建多元化考核方式，评价课程目标达成度并持续改进

合理、科学的课程考核体系是实现课程目标的重要保障，教师必须确保学生知晓本课程的教学目标、考核内容、考核方式、评分标准、成绩构成等信息，既具有督促学生学习的作用，又检验了学生平时学习的学习效果，便于老师发现问题并及时解决问题，从而加强学生学习的过程化管理，对学生既有激励也有约束。课程组采取平时考核、实验考核和期末考核相结合的考核方式，上述三项在总成绩中分别占30%、21%、49%，明显弱化了期末考核所占比重。平时考核主要对应课程目标1、2、3，教师利用超星学习通课堂APP记录学生参与情况，包括出勤（10%）、作业（15%）、课堂表现（35%）等，同时引入线上视频学习（10%）、线上阶段测试（20%）、问题讨论（10%）等评价模块。实验考核对应课程目标4，包括预习（10%）、课堂表现（30%）、实验报告（20%）、操作测试（40%）。由老师按照百分制分别给出评定成绩，并适时公布学生成绩。期末考试采取闭卷笔试方式，题型主要有：客观题（包括填空题、选择题），对应课程目标1；简答题，对应课程目标3；设计题，对应课程目标2。

课程目标达成情况使用分目标达成度和总目标达成度来评价。

（1）课程分目标达成度计算：

（2）课程总目标达成度计算：

式中：为课程总目标达成度；G为编号为的课程分目标对应的达成度；Q为编号为的课程目标的权重。

根据专业认证要求，将课程目标值设置为0.7。针对FPGA技术课程，以淮南师范学2020—2021（1）学期，电子信息工程专业2018级学生为例，以学生的期末考试试卷成绩和实验成绩为依据计算该课程的达成度，具体见表2所列。

表2 电子信息工程2018级“FPGA技术”课程达成度

根据表中课程目标达成度计算结果可知，学生的目标1和目标3没有达到预期。分析原因：

（1）试卷难度较大，侧重学生综合能力的考查，其中设计题50分。大部分学生基础知识掌握较好，表现在填空题、选择题、简答题做的较好，而在设计题失分严重，反映学生综合应用能力有待加强；

（2）本课程使用的Verilog语言依托C语言发展而来，两者在语法结构上有许多相似之处，但它和C语言又有本质的区别，部分同学的软件设计与硬件设计转化能力较差；

（3）本课程的专业性与应用性较强，学习难点较大，需多练习，多仿真。

基于上述原因提出以下持续改进措施：

（1）帮助学生明确学习目标，激发学生的学习兴趣；

（2）提高教师自身教学水平，学习先进的教育理念、教学方法，认真研究课程中讲授的内容；

（3）利用实验深化理论，使理论与实践紧密结合，相互促进，以提高学生分析和解决问题的能力；

（4）大力进行本课程的教学资源信息化建设，充分运用网络教学平台，使学生单独学习转变为合作学习，使教学活动从信息的单向传递转变为双向交换；

（5）加大过程管理，让学生能够从始至终投入精力到学习中，并通过实践锻炼学生的工程设计能力。

3 结 语

OBE理念体现了“以学生发展为中心”，要求在教学过程中，教师时刻关注学生的成长。经过几个学期的实践，学生的学习态度得到了明显改善，主动性和参与性逐步提高，更加注重平时的学习与积累。引导学生积极参与教科研项目，借助FPGA平台，申请国家级和省级大学生创新创业实践项目，如电子信息工程17级学生成功申报2020年国家级大学生创新创业训练计划项目：基于FPGA的多终端智能控制音乐播放器的设计与实现（202010381037）；电子信息工程19级学生申报2020年安徽省级大学生创新创业训练计划项目：基于FPGA的非接触红外测温仪设计（202010381010）等。此举也进一步发挥了教师的主动性和创造性，让教师更多地参与学生的学习过程，通过“互联网+教育”改善教学情况，进一步提高教学质量。毕业生就业是课程教学改革的出发点和落脚点，要求建立长期毕业生跟踪及用人单位需求反馈机制，持续改进，不断满足新需求。