一类基于SOPC技术的课程实践环节教学模式改革

何剑春

(绍兴文理学院 工学院，浙江 绍兴312000)

目前，计算机控制系统被广泛应用于工业生产和日常生活等各个领域，成为现代自动化技术的重要内容和具体形式.计算机控制技术是高校工科控制类专业的一门专业课程，主要介绍计算机控制系统的基础理论(信号变换理论和系统的数学描述)、经典z域分析方法、经典z域设计方法、状态空间分析和设计方法、数值控制方法以及目前工业控制领域的典型应用形式.通过本课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的信号通道设计、常规数字控制器设计、应用程序设计、系统设计和抗干扰措施等方面的理论和技能，具备开发常用计算机控制系统的能力.

计算机控制技术的传统教学方法侧重理论体系的系统性和完整性，以课堂讲授为主，辅以一定的演示或操作实验来加强学生的认知程度.由于计算机控制技术发展迅速，知识更新快，传统的教学方式方法必须加快适应时代的步伐.以本校为例，计算机控制技术课程内容多、学时少，教学上存在以下不足：

(1)实践环节薄弱.按照本校教学大纲要求，计算机控制技术课程实践环节设置为12学时；同时，现有课程实验设备体积大，成本较高，实验室配备数量很少.因此，教师一贯采用演示实验形式完成课程的实践环节，没有重视理论与实践的有效配合，无法进行深层次引导.

(2)学而不知其用.计算机控制技术综合了自动控制理论、单片机原理、微机原理、程序设计等相关内容，要求学生能贯通应用有一定难度.传统教学中，学生普遍感到知识点多且抽象，认知水平浮于表面，不能切实体会理论与工程实际的紧密联系，学而不知其用，久而久之学习兴趣受到影响.

由此可见，计算机控制技术教学需顺应形势发展调整授课内容，增加合适的新技术和新内容；同时，应采用新型授课模式，淘汰原用于操作实验的体积庞大的操作平台，革新实验技术，建设新型实验机制.通过教学模式改革，促进学生快速融合连续域控制理论，主动探索和解决实际计算机离散控制问题，形成重视技能培养的积极教学方式.

针对本校计算机控制技术教学实际情况，结合应用型人才培养要求，以“强化技能，革新技术”为原则，将目前流行的SOPC(System on a Programmable Chip)技术引入课程实践教学环节，设计了多项切合课程内容的实践项目，并由实践项目驱动理论知识点的传达顺序和学时分配，以强化理论内容在实践中的应用，缩短浅层次内容的课堂占时，提升学生的认知水平和学习兴趣.

1 EDA模式课程实践教学的意义

可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)的出现极大地提高了电子设计的效率和可靠性.目前，许多高校已经将基于PLD的EDA(Electronics Design Automation)技术引入本科生和研究生的教学，以培养学生创新能力与团队精神，增强就业竞争力.从本科培养计划角度看，EDA/SOPC技术为电气、电子、控制类专业学生的课外创新活动和岗前培训提供了必需的电子设计理论知识与技能，与其他技术基础课衔接十分紧密.我校电工电子实验教学中心2006年设立了FPGA(Field Programmable Gate Array)分室，配备有EDA开发系统(GW48PK2S)30套，但迄今为止使用率甚低.

因此，不论是出于加强实验室建设、拓展实验设备受益面的目的，还是出于强化计算机控制技术课程实践教学环节的目的，进行课程实践教学的EDA模式改革都很有必要.其重要意义体现在：

(1)有效提升FPGA实验室设备和软件的使用率.通过相关类别课程的实践环节、EDA技术讲座以及专项培训等环节，大力提高实验室资源使用率和受益面.

(2)取精用弘，有效支持电子竞赛和课外创新活动.将可编程逻辑技术和技能训练有机结合，有利于引导学生开展课外创新研究和横向合作，提升学生电子设计及其他领域的应用技能.例如，据统计全国大学生电子竞赛赛题中，可使用FPGA技术的赛题超过三分之一，有些赛题甚至离开FPGA技术便无从下手.因此，应尽快提高电类专业中FPGA技术的普及率，加强FPGA技术对课程实验的融合度，使之成为电子竞赛等创新活动继续保持活力的重要因素.

(3)以改促建，有效辅助新专业建设.本校控制工程系近年新增电气工程专业，EDA模式改革对该专业培养方案中数字电路、数字信号处理、嵌入式系统、单片机原理、计算机控制技术等课程的实践教学环节的建设有重要的推进作用.

2 EDA模式课程实践教学设计

为切实提升计算机控制技术课程教学效果，改进课程教学方式，根据课程大纲要求、项目典型性要求和教材侧重点，结合实验室现有EDA实验开发系统，选择表1、表2所示项目作为课程实践环节内容.其中，表1所示5项为课内实验项目，共计16学时；表2所示5项为课外选做项目，共计16学时.实验项目的选择依据以下原则：

广西宾阳竹编文化及其现代发展对策研究 …………………………………………………………………………… 覃秋萍（4/58）

表1 课程实验项目

表2 课外设计项目

(1)符合计算机控制技术课程教学大纲、教材侧重点和实践内容的典型性要求；

(2)符合GW48型EDA系统开设条件，并经过可行性测试，形成实施项目的引导性文档；

(3)兼顾课程传统实验内容及发展趋势，在集成度、复杂度等方面有所提升.

3 项目驱动调整理论教学计划

根据计算机控制技术课程教学大纲要求，2010级自动化专业选用电子工业出版社的《计算机控制系统》(康波主编，2011年出版)作为教材.该教材共11章，授课内容包含于其中的8个章节中(第7章至第9章内容超出大纲范围).授课过程以“项目驱动”形式重组知识结构，调整理论授课顺序，并及时穿插与项目相关的课外知识.调整后的授课计划及补充内容具体见表3.

以“围绕项目组织重点内容，简化基础理论”为原则，侧重于实践项目相关知识点的细讲和点拨，部分基础理论知识点则作简化处理，并以讲座形式(共16讲)组织教学. 除此以外，教学过程中还安排了16学时的课外自主学习内容，并要求学生提交简要的自学报告.

4 实践环节的实施与评价

由于课时限制，为保证实践环节的质量和效果，除要求教师精心设计实践项目、认真编制指导材料、合理组织教学内容外，还需学生做好前期预习准备，进行充分的课外练习和系统仿真.计算机控制技术课程实践教学环节的实施分以下几个阶段：前期准备，交流和引导，过程管理，项目评议.

4.1 前期准备

精心的前期准备是取得良好实践效果的关键.项目实施前应做好以下几方面工作：

(1)精心铺垫.实验前教师应确保编制完成实验指导书，并给学生提供详细的学习资料，必要时还要进行针对性的案例分析，保证学生理解透彻；

表3 “项目驱动”的知识结构重组

(2)认真试验.实验前需进行设备和软件的测试，并进行项目试运行，保证项目的准确性和可行性；

(3)认真预习.要求学生实验前认真阅读指导书，理解实验的目的和原理，弄清实验步骤；通过大量练习，熟练掌握VHDL语言及Matlab、QuartusII、NiosIDE等软件，了解EDA开发流程和注意事项.

4.2 交流和引导

(1)注重师生交互，通过网上交流平台，及时组织学生讨论实验方案和遇到的问题，充分发挥学生的主动性和创造性；

(2)及时布置联系紧密的思考题，共享启发性说明文档，提示和剖析备选的课外设计项目，引导学生深入理解项目的内容和意义，逐步培养学生进行独立分析和设计的能力.

4.3 过程管理

为保证教学效果，保质保量完成课内和课外项目，教学中组建了8个学习小组(每组4人).项目实施过程以小组为单位进行管理.各小组自行决定项目实施计划和组员分工.项目实施过程按小组进行监督和验收，并由小组自行评定组员的贡献率.

4.4 项目评议

(1)点评.为反映学生的综合应用能力，各项目均设置了明确的要求和目标，并有一定的发挥空间；项目实施后，对各组完成情况和共性问题及时进行点评，并进行阶段性总结.

(2)自评.为反映团队协作情况，项目实施后各小组进行自评，确定组员的贡献度.

(3)总评.为综合反映学生的实践水平，期末实践总评成绩为整个实践过程的加权和，包括课内项目(前期预习、实施效果和总结报告)、课外项目(效果测评和总结报告)及小组自评等部分.

5 结论

针对目前计算机控制技术课程教学过程中存在的问题，通过引入硬件可自由组建的SOPC技术，进行实践模式改革尝试.实践模式改革的侧重点有两个：一是针对GW48型EDA开发平台，设计切合课程关键内容且适于在平台上实现的实践项目；二是基于项目驱动调整理论授课计划，侧重围绕项目展示知识点，缩短基础理论用时.教学实践表明，采用这种新的教学模式符合计算机控制技术的发展趋势，可脱离大型实验平台的限制，显著提升了实践环节的构建层次，提高了学生的学习兴趣，扩大了他们的知识面，取得了良好的教学效果.在今后的教学研究和实践中，应进一步探索SOPC技术在同类型课程中的应用，鼓励学生自行设计实用的控制项目，提高学生分析问题、解决问题、自主创新的综合实力.

参考文献:

[1]康波.计算机控制系统[M].北京：电子工业出版社,2011.

[2]王慧.计算机控制系统[M].2版.北京：化学工业出版社,2005.

[3]张志刚.FPGA与SOPC设计教程-DE2实践[M].西安：西安电子科技大学出版社,2007.

[4]唐向宏,岳恒立,郑雪峰.MATLAB及其在电子信息类课程中的应用[M].2版.北京：高等教育出版社,2009.

[5]孙冠群,于少娟.控制电机与特种电机及其控制系统[M].北京：北京大学出版社,2011.

[6]何剑春,龙胜春.基于SOPC技术的电机控制实验[J].电气电子教学学报,2010,32(2):58-60.

[7]陶东娅,何剑春.基于NiosII的直流电机PWM调速系统设计[J].电子元器件应用,2008,10(12):56-59.