“FPGA技术及应用”课程教学研究与实践

舒双宝 张育中

摘  要：FPGA课程是电子信息、仪器类专业本科教学中一门重要的课程。文章对测控专业“FPGA技术及应用”课程的教学内容、教学方法与教学手段以及实验实践教学等方面开展研究;通过对学生的课程考核结果以及问卷调查的分析，建立教学的反馈机制，从而不断优化教学，提升教学质量。通过近两年的课程教学实践，该教学研究取得了良好的教学效果，加强了学生FPGA实践能力的培养，更好地培养了学生的创新意识。

关键词：FPGA;教学设计;实践教学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-000X（2019）05-0080-03

Abstract： The course of Field Programmable Gate Array （FPGA） is an important course in the undergraduate teaching of electronic information and instrumentation. The article conducts research on the teaching content， teaching methods， teaching methods and experimental practice teaching of the "FPGA Technology and Application" course of the measurement and control profession. Through the analysis of the students' assessment results and the questionnaire survey， the feedback mechanism of teaching is established. Optimize teaching and improve teaching quality. Through the teaching practice of the past two years， the teaching research has achieved good teaching results， strengthened the cultivation of students' practical ability of FPGA， and better cultivated students' sense of innovation.

Keywords： FPGA; teaching design; practical teaching

引言

FPGA（Field Programmable Gate Array）技术是电子工程设计的重要技术，也是电子工程技术人员必须掌握的一门技术。为适应现代工业技术发展以及就业市场应用需求，很多高校都开设了FPGA相关课程。通常，FPGA课程教学是使得学生利用现代电子系统设计方式，使用可编程逻辑器件，实现数字逻辑电路设计，进而完成大型数字系统设计[1-3]。“FPGA技术及应用”是一门应用性与专业性很强的课程，同时随着现代科学技术的发展，学生需要学习的相关知识和内容也在不断增加，但是课程学习时间是有限的，这就对该课程教与学的效率提出了很高的要求，这些特点都给该课程的教学带来了挑战。

“测控技术与仪器”专业（以下简称“测控专业”）是合肥工業大学仪器科学与光电工程学院的一个国家级特色专业，该专业是机械、电子、光学等多学科互相融合渗透的综合性专业，技术的“集成性”与学科的“交叉性”是该专业的一个显著的特点[4]。作为测控专业的学生，对FPGA知识的掌握是必不可少的，笔者所在的测控专业教学计划中开设了“FPGA技术及应用”课程，主要是培养学生在测控技术与仪器领域的电路设计与应用能力。本文研究的内容就是以测控专业“FPGA技术及应用”课程为研究平台，以学生的综合实践能力培养为导向，结合测控专业对学生的专业知识、创新能力和综合素质等方面的培养要求，着重对该课程的课程设置与教学内容、教学手段以及实验实践教学、考核方式等方面进行研究和实践，通过调查教学效果检测与教学问卷，不断反馈教学效果，并改进课程教学，从而进一步提升教学质量。

一、课程教学研究内容

（一）优化课程设置与教学内容

“FPGA技术及应用”是测控专业的一门重要的课程，课程教授以学生的实践能力培养为导向，根据测控专业特点及教学计划，制定该课程的理论课程教学大纲和实验教学大纲。本课程总计划32学时，共2个学分，其中课程课堂教学24学时，实验教学8学时。要使学生能够很好地理解和掌握课程内容，课程教学中需建立学生培养的OBE的理念，明确该课程的课程目标，使得学生通过该课程的学习，具有掌握基于EDA技术进行电子系统设计方法的能力;至少掌握一种硬件描述语言（如VHDL语言）的编程技术以及仿真测试技术;能熟练使用一种常用EDA工具软件（如Quartus II软件）的设计应用、测试以及综合优化技术;基于所学知识，可进行一些常用的基于FPGA的电路系统设计。

结合测控专业特点，为使教学内容设计更合理、更实用，在实际教学需要对教材进行合理选择。目前所选用的是西安电子科技大学出版社出版的谭会生、张昌凡主编的《EDA技术及应用——VHDL版》（第三版）[5]，同时也结合国内一些其他FPGA的优秀教材，如科学出版社出版的潘松、黄继业主编的《EDA技术实用教程》（第四版）等[6]。主要的教学内容包括：FPGA设计的基本概念、EDA设计流程及其工具、FPGA/CPLD结构与应用、VHDL语言基础、Quartus II应用向导、系统仿真、电子系统设计实践等，教学内容基本上涵盖了从对FPGA器件的理解到VHDL语言的学习，从系统的仿真到系统的设计实践，从理论部分到实践的应用，加强学生对FPGA的系统性理解和掌握。

（二）丰富教学方法，优化教学手段

根据以培养应用型技术人才目标，课堂教学中VHDL语言的编程基础主要以讲授教学为主，实际设计以实验上机操作为主。在课堂上重点讲解FPGA的编程方法和应用举例，简介FPGA的结构及特点、FPGA的内部结构原理以及VHDL语言的学习，另外对FPGA的工程设计以研讨型为主，以特定的电路功能作为设计对象，以研讨的方式开发学生的创新思维，加以设计。Quartus II开发软件的学习主要以学生的自学为主，在课外进行实际上机操作，培养对工具软件的熟练使用和开发设计FPGA的能力。在教学内容安排上，要抓住一个重点：VHDL的编程，在教学中主要应用三种手段：案例分析、应用设计和上机实践，这样做到理论与实践相结合，课内教学和课外实践相结合，促进学生实践能力和自学能力的培养。教学过程中采用现代教育技术与手段提高教学效率，实行多元化教学，以多种手段授课。教学模式上，从单一的教师讲授，逐渐改革成互动式、研讨式教学，引导学生去设计、构建电子设计系统，参与到教学过程中。

实现该课程的教学资源信息化建设，建立网络教学与互动平台，主要内容包括：教学大纲、教案、教学课件、实践项目等资源的共享与师生间的互动，平台建立的目的在于加强教师与学生的交流和沟通，调动学生的参与意识，实现交互式教学，更好地提升教学效果，是课堂教学一个很好的补充。

（三）实验实践教学建设

通过课堂教学，学生掌握EDA技术的基础知识、VHDL编程语言以及软件开发工具的使用后，就要加强学生的实际动手能力和综合设计能力的提升。在该课程的实验与实践教学环节中，将课程基础实验、课程设计和相关竞赛有序结合，有效提升自身的学习主观能动性及创新、合作、动手、社会适应等方面的能力，提高工程实践能力。要制定合理的课程实验大纲，明确课程实验目的和目标：通过实验使学生加深对可编程逻辑器件的理解，加强对VHDL程序编程语言的掌握，提高实践动手能力和基于FPGA的电路设计能力。同时本课程同时注重培养学生的解决复杂能力、开发实际应用电路系统的综合素质。实验课程的目标是使学生熟练掌握基于EDA的FPGA和CPLD以及常用EDA工具软件，同时使得学生基于所学知识，可进行一些简单的FPGA系统设计。在本专业教学实验中，实验室现有的Altera的EP3C55+SOPC为实验平台的FPGA综合实验箱开展课程教学实验，使用Quartus II开发软件。实验包括基础实验和进阶实验。基础实验要求学生必须掌握的，主要涵盖的实验有LED流水灯设计、动态数码管、AD采集等，进阶实验主要包括FIR滤波器设计、直接数字频率合成器等，要求学生在课下完成VHDL程序的编写和仿真，在实验课程中再在实验工具箱中加以调试和验证，这样在实验过程中就可以节省编程时间，提高实验效率。

除常规的课堂实验，也积极培养学生的课外实践创新能力。组织学生参加国家级或省级光电设计竞赛、大学生智能汽车竞赛、科技创新设计大赛等，培养学生的实践能力和创新意识，以项目为引导，组织教师、学生参加校际交流，相互学习，加强对学生的创新实践能力的培养。

（四）课程考核方式设计

“FPGA技术及应用”是一门实践性很强的课程，而以往单纯从理论上进行考核的方式并不能够全面反映出学生的实际学习效果。在本课程中主要采用的考核方式如下：课堂测试10%，作业撰写10%，卷面考试40%（其中考试中60%为FPGA的设计题，其他为VHDL语言基础和FPGA结构概念题），实验上机测试40%，通过这种综合考核方式较全面地考察学生对知识的理解和掌握程度。

二、教学实践与反馈机制

“FPGA技术及应用”课程具有一定的理论性和一定的实践性，笔者在2014、2015级测控专业学生中将上述课程教学方法应用，从学生最终的考核成绩来看，学生的成绩比以前有一定的提高，同时学生积极将FPGA技术应用到创新设计比赛中，其中所授学生中，以FPGA作为主控元器件申请的大学生创新实验项目5项目，参加安徽省第一届、第二届大赛光电设计，获得比赛一等奖2项，二等奖3项，另外参加的ICAN比赛、互联网+比赛均取得了良好的参赛结果，使学生学习FPGA的热情进一步增长。

同时为进一步检查课程的教学效果，了解学生的学习热情和兴趣，以及采取的教学方法是否有效等，笔者在课程考核完成后对学生进行了问卷调查。课程问卷调查的内容包括教学内容的设置、教材的选用、教学手段与方法、学生的学习习惯与学习兴趣、课程考核方式、学生的学习收获、意見与建议等内容。结合该课程的教学实际，针对调查问卷的不同内容，共设计了18道选择题以及3道问答题，通过这种问卷调查的方式，充分了解学生在该课程学习中的各种问题。为了确保数据真实有效性，问卷采用无记名方式，由学生根据自己实际学习情况如实填写。课程调查共发放179份问卷并收回，学生答卷态度认真，因此调查结果可靠。

通过问卷调查得出，学生普遍认为教学内容比较丰富，课程主要从大规模可编程逻辑器件概念、结构与原理，VHDL硬件语言，Quartus II开发软件工具以及实验开发系统安排，安排合理，结构层次分明。95%的同学对课程教材的使用是满意的，也有部分的同学希望增加国外优秀教材。在教学中对目前采用的课程教学以及实验教学方式等比较认同，93%的学生认为授课教师教学过程中条理清楚，整体感觉这种学习气氛比较活跃。通过问卷调查看出，绝大部分学生的学习目的还是较明确的，能够完成相关VHDL语言实现并完成各种上机和实验设计操作，学习热情很高。由于该课程VHDL语言讲解课时偏多，学生也提出减少基本程序设计语言和开发环境的学习，增加课程设计案例的分析和介绍，多讲解一些经典VHDL设计的电路单元和功能，增加电路系统综合性设计环节和分析。另外部分学生建议，要在课堂上增加讨论环节，主要针对相同功能电路不同种设计方法的功能和优劣性分析，不仅从设计上完成电路功能，也要结合性价比、功耗性等多方面来考虑，对于调查问卷中提到的这些意见和建议都将在教学过程中不断加以改进和完善。

三、进一步教学改革的措施

通过对学生课程考核结果和调查问卷的分析，该课程在教师的“教”与学生的“学”两方面存在着一些缺点和不足。针对这些问题，结合笔者从事该课程的教学实践和经验，以后将主要从课程教学内容的优化、教学方式的灵活多样、实验及实践环节的多功能性等方面进行教学探索与改革，以此来提高该课程教学质量。主要措施如下：

1. 进一步优化教学内容。完善课程内容，参考国内外高校的经典教学教材和案例，改进教学手段和教学方法，提升教学效果。

2. 加强实践实验教学。要进一步加强实验课程建设，指导学生加强各类创新创业活动，在实践活动中加深对本课程的理解和掌握。

3. 加强教学过程管理，制定教学过程监督规范，建立完善的教学质量反馈机制。以学生能力培养为导向，结合中国工程教育专业认证标准规范，通过制定详细、具体、可衡量的评价指标，坚持OBE理念，通过课程对专业培养目标的达成度分析，计算达成度评价结果。通过对课程达成度的评价和反馈结果，不断改进教学内容、教学方式等，以实现教学的持续改进。

四、结束语

本文通过开展测控专业“FPGA技术及应用”课程的教学改革研究，以教学一线专任教师为依托，以培养学生综合运用FPGA技术的能力。通过对课程教学内容、教学方法以及实验实践教学等方面进行教学研究，并在测控专业14级、15级学生进行课程教学实践，从对学生的考核结果以及调查问卷分析，总结教学经验，同时也了解教学中的缺点与不足，不断优化教学过程，促进该课程的建设，加强对学生创新意识和综合素质的培养，从而提高教学质量。本文研究所取得的教学研究成果为提高学生的FPGA设计与实践能力起到积极的推动作用，同时也为其他课程的教学改革提供一定参考价值。

参考文献：

[1]叶波，赵倩，林丽萍.FPGA课程教学改革探索[J].中国电力教育， 2010，24：130-131.

[2]柴明钢，海霞.突出创新能力培养的行业特色《EDA技術》课程建设探索[J].高教学刊，2016，23：182-183.

[3]牛立强，徐振宇.Quartus II软件在FPGA技术课程教学中的应用[J].科技信息，2011，36：570.

[4]舒双宝，夏豪杰，刘文文.测控专业控制类课程群建设与实践研究[J].大学教育，2018，8：55-57.

[5]谭会生，张昌凡.EDA技术及应用——VHDL版（第四版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016，8.

[6]潘松，黄继业.EDA技术实用教程（第五版）[M].北京：科学出版社，2013，8.