基于FPGA课程的教学改革探究

杨慧晶+于斌+任明远

摘要：随着EDA技术的发展，基于FPGA的系统设计方法已成为硬件设计的重要手段之一，FPGA课程教学在集成电路等电子类专业中所占据的地位越来越重要。针对这种实践性、应用性强的课程教学，文章从理论教学、实验教学和考核方式三方面入手，阐述了FPGA课程教学改革的方法。

关键词：FPGA；考核方式；案例教学；数字系统

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2014）09-0008-02

基金项目：2013年度 哈尔滨理工大学高等教育教学研究项目“‘基于FPGA的系统设计与应用课程改革研究与实践”（C201300014）

电子设计自动化技术的飞速发展与EDA开发工具功能的不断完善为现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）设计提供了强大的技术支撑，使得它已经逐渐成为当今电子设计领域中应用最为广泛的可编程逻辑器件之一。它以空前的速度和规模被应用到各行各业中。由于基于FPGA的设计具有开发周期短、编程灵活、可靠性高等优点，所以FPGA技术非常适合在高等院校集成电路设计等相关专业中作为电路设计学习的载体。因此，这门课程在高校的集成电路设计类相关专业的教育中占据着极其重要的地位。

FPGA 课程教学的主要目的是利用现今先进的EDA技术手段和方法，使用可编程逻辑器件，实现数字逻辑电路的设计，进而完成大型数字系统的设计，这种方法是电子工程技术人员设计硬件电路时所采用的一种重要方法和手段。并且学生通过课程学习，能够掌握基础知识的实践应用方法。当今的高等教育是开放的教育、创新的教育， 因此FPGA课程教学的主要目标是培养学生在电子系统设计过程中的创新能力和工程实践能力。把学生培养成为具有创新思维、创新能力的高素质的电子工程类技术人才。

一、注重理论教学方式改革

FPGA课程的教学目的主要是让学生掌握可编程逻辑器件基本结构，灵活应用硬件描述语言完成基于FPGA的数字系统设计，掌握基于FPGA设计时所依据的基本原则和采用的各种优化算法；将电路设计方法从传统的硬件设计转向软硬件高度协同的设计，以此让学生全面掌握集成电路设计的基础知识和数字电路技术知识，并能够将所学知识灵活应用，提高他们的系统设计能力以及工程实践能力。

在FPGA课程的理论教学过程中需要学生掌握基本的电路设计方法和手段，了解大规模可编程集成电路的基本结构，掌握硬件描述语言verilog HDL，并能自如地应用该语言在FPGA上设计相应的数字系统，能够设计出具有一定应用性的芯片。并且在整个理论教学过程中应加强培养学生的工程意识，培养学生能够将基础理论知识转换成应用的能力。在教学过程中应该以学生为中心，避免像传统的教学方式那样，只是把知识从教师传送到学生，达不到知识的融会贯通。要突出学生对知识的探索能力、发现能力和对所学知识的应用能力，并完成整个知识体系的主动建构与应用。

在整个教学过程中通过案例让学生完成知识体系的构建。首先是根据FPGA课程的教学内容需要，建立完整的案例系统，使得案例设计实现的过程涵盖所学的基础理论与知识，同时引入对于基础知识的常见应用如：基于FPGA的控制系统，音频、视频采集系统，存储系统的应用等；通过案例可以发现FPGA设计过程中经常遇到的问题和解决方案，并将此过程贯穿课程的教学始终。案例教学过程中，在提供了高质量的案例之后，要提供给学生案例相关资料，引导学生阅读并进行讨论；让学生自主地建立案例设置的情境，构建整个案例系统。因为有实际的案例应用作为依托，因此能够激发学生的自主学习能力，将所学的知识进行灵活应用，达到从基础理论知识的接受到灵活应用的目的。

二、强化实验教学方式改革

（一）发挥实验教学平台的作用

实验教学环境依托于DE II实验开发板，使用它可以完成基于FPGA的编程设计，还可以完成基于Nios软核处理器的应用项目编程和开发。该平台提供了丰富的多媒体、储存及网络等应用接口，非常适合大学课程在实验室环境下的一系列设计项目和非常复杂尖端的数字系统的开发和应用。

DE II实验开发平台的核心是一款的Cyclone II 的FPGA芯片，同时它还提供自由选择的存储卡以及一些高级的I/O 口驱动，同时还具备有音频、视频、网络和存储设备。所以它对各类数字系统的实现来说是一个极其理想的开发和验证平台，在以Altera Nios II为处理器的嵌入式应用中也是一个理想工具。因此在FPGA课程实验教学环节中，应该充分发挥该实验平台作用，除完成基础实验外，还应增加一些常见的面向应用的复杂系统设计。使学生在整个设计过程中充分利用开发板的资源，将FPGA设计的理论知识与实践结合。

（二）从基础实验向应用性实践转变

以往实验教学环节中设置的实验题目基本上是一些基础知识的应用，题目之间关联性很小，基本上是每个实验针对一定的基础知识，很少能够将知识结构整体统一。并且传统的实验环节中，设计多停留在仿真模拟的环节，没有办法完成最终的实现。

为解决以上问题，该实验环节改革重点放在实验设置上，合理地安排实验内容，将每次设置的实验内容有机结合，最终能够形成一个复杂的面向应用的数字系统，并将其在开发板上最终实现，投入使用。实验内容设置要由浅入深，逐一将所学基本知识涵盖在内。并且最终实现的系统具有一定的应用价值，以此将FPGA设计的理论知识最终转化为完成成品的有力工具，将理论融合在实践中。并且要求学生对整个设计过程内容进行答辩，以此保证学生能够认真地参与到设计环节中。

三、采用多样化的考核方式

FPGA课程是电路设计等专业的主干专业课，该课程面向于专业基础知识的应用，因此考核方式改革的整体思路是将原有的面向于知识的考核方式，变为面向于应用的考核方式。采用多样化的考核方式，注重考核学生的综合能力，最终的成绩评定采用多种因素共同决定。考核过程汇总采用多种考核方式，分成多个考核阶段，采用多种考核类型，强化学生课外自主学习的能力，增加小论文、实验、课堂讨论等环节的成绩在学生成绩评定中的比重。

1.增加过程性阶段考核内容。为了增强学生自主学习的意愿，采取分阶段测试的方式，利用课堂时间进行测试和课堂讨论，该阶段考核内容主要侧重于基本概念、基本方法的理解和掌握，使得学生进一步融入课堂学习。

2.引入实验考核测试。在学习过程中，把设计性的实践考核作为考核方式之一，不同阶段设置不同的实验题目，让学生自主完成实验内容，从整体系统分析到最终的系统实现。考核时依据学生最终的设计，并要求学生对设计内容进行综合答辩，提交包含实现结果和仿真结果的设计报告。以此培养学生的综合应用知识能力和创新能力，以及总结表达的能力。

3.改革期末考试内容。考试内容侧重点从基础知识的掌握转移到原理的分析和综合应用上，以教学大纲为依据，还要考查学生独立分析问题、解决问题的能力以及学生对基本理论、基本知识和基本技能的应用情况。具体考核方式计划如表1所示。

表1考核方式计划

针对像FPGA课程这样具有很强应用性、实践性的课程，其教学方式改革应从以下三个方面入手。

1.在FPGA课程的理论教学中，从案例入手，加强培养学生的工程意识，培养学生能够将基础理论知识转换成应用的能力。

2.在FPGA课程的实验教学中，提供相应的实验平台，设置具有应用价值的实验题目，提供相应的案例让学生自主完成，以此锻炼学生的自主学习能力，提高学生设计系统的能力。

3.FPGA考核环节中，由于课程实践性、应用性强，为提高学生的学习的积极性，修改考核方式，加大学习过程和实验所占成绩比重，让学生能够从始至终投入精力到学习中，并通过实验环节锻炼学生的工程设计能力。

参考文献：

[1]蒋洪波等.基于开放实践基地的FPGA课程体系研究[J].高师理科学刊，2013，(7).

[2]邓茜，梁小朋.基于独立学院的FPGA/CPLD课程教学改革与实践[J].大众科技，2012，(9).

[3]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).

[4]余能辉.关于FPGA课程教学的实践及其探索[J].南昌教育学院学报，2012，(11).

摘要：随着EDA技术的发展，基于FPGA的系统设计方法已成为硬件设计的重要手段之一，FPGA课程教学在集成电路等电子类专业中所占据的地位越来越重要。针对这种实践性、应用性强的课程教学，文章从理论教学、实验教学和考核方式三方面入手，阐述了FPGA课程教学改革的方法。

关键词：FPGA；考核方式；案例教学；数字系统

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2014）09-0008-02

基金项目：2013年度 哈尔滨理工大学高等教育教学研究项目“‘基于FPGA的系统设计与应用课程改革研究与实践”（C201300014）

电子设计自动化技术的飞速发展与EDA开发工具功能的不断完善为现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）设计提供了强大的技术支撑，使得它已经逐渐成为当今电子设计领域中应用最为广泛的可编程逻辑器件之一。它以空前的速度和规模被应用到各行各业中。由于基于FPGA的设计具有开发周期短、编程灵活、可靠性高等优点，所以FPGA技术非常适合在高等院校集成电路设计等相关专业中作为电路设计学习的载体。因此，这门课程在高校的集成电路设计类相关专业的教育中占据着极其重要的地位。

FPGA 课程教学的主要目的是利用现今先进的EDA技术手段和方法，使用可编程逻辑器件，实现数字逻辑电路的设计，进而完成大型数字系统的设计，这种方法是电子工程技术人员设计硬件电路时所采用的一种重要方法和手段。并且学生通过课程学习，能够掌握基础知识的实践应用方法。当今的高等教育是开放的教育、创新的教育， 因此FPGA课程教学的主要目标是培养学生在电子系统设计过程中的创新能力和工程实践能力。把学生培养成为具有创新思维、创新能力的高素质的电子工程类技术人才。

一、注重理论教学方式改革

FPGA课程的教学目的主要是让学生掌握可编程逻辑器件基本结构，灵活应用硬件描述语言完成基于FPGA的数字系统设计，掌握基于FPGA设计时所依据的基本原则和采用的各种优化算法；将电路设计方法从传统的硬件设计转向软硬件高度协同的设计，以此让学生全面掌握集成电路设计的基础知识和数字电路技术知识，并能够将所学知识灵活应用，提高他们的系统设计能力以及工程实践能力。

在FPGA课程的理论教学过程中需要学生掌握基本的电路设计方法和手段，了解大规模可编程集成电路的基本结构，掌握硬件描述语言verilog HDL，并能自如地应用该语言在FPGA上设计相应的数字系统，能够设计出具有一定应用性的芯片。并且在整个理论教学过程中应加强培养学生的工程意识，培养学生能够将基础理论知识转换成应用的能力。在教学过程中应该以学生为中心，避免像传统的教学方式那样，只是把知识从教师传送到学生，达不到知识的融会贯通。要突出学生对知识的探索能力、发现能力和对所学知识的应用能力，并完成整个知识体系的主动建构与应用。

在整个教学过程中通过案例让学生完成知识体系的构建。首先是根据FPGA课程的教学内容需要，建立完整的案例系统，使得案例设计实现的过程涵盖所学的基础理论与知识，同时引入对于基础知识的常见应用如：基于FPGA的控制系统，音频、视频采集系统，存储系统的应用等；通过案例可以发现FPGA设计过程中经常遇到的问题和解决方案，并将此过程贯穿课程的教学始终。案例教学过程中，在提供了高质量的案例之后，要提供给学生案例相关资料，引导学生阅读并进行讨论；让学生自主地建立案例设置的情境，构建整个案例系统。因为有实际的案例应用作为依托，因此能够激发学生的自主学习能力，将所学的知识进行灵活应用，达到从基础理论知识的接受到灵活应用的目的。

二、强化实验教学方式改革

（一）发挥实验教学平台的作用

实验教学环境依托于DE II实验开发板，使用它可以完成基于FPGA的编程设计，还可以完成基于Nios软核处理器的应用项目编程和开发。该平台提供了丰富的多媒体、储存及网络等应用接口，非常适合大学课程在实验室环境下的一系列设计项目和非常复杂尖端的数字系统的开发和应用。

DE II实验开发平台的核心是一款的Cyclone II 的FPGA芯片，同时它还提供自由选择的存储卡以及一些高级的I/O 口驱动，同时还具备有音频、视频、网络和存储设备。所以它对各类数字系统的实现来说是一个极其理想的开发和验证平台，在以Altera Nios II为处理器的嵌入式应用中也是一个理想工具。因此在FPGA课程实验教学环节中，应该充分发挥该实验平台作用，除完成基础实验外，还应增加一些常见的面向应用的复杂系统设计。使学生在整个设计过程中充分利用开发板的资源，将FPGA设计的理论知识与实践结合。

（二）从基础实验向应用性实践转变

以往实验教学环节中设置的实验题目基本上是一些基础知识的应用，题目之间关联性很小，基本上是每个实验针对一定的基础知识，很少能够将知识结构整体统一。并且传统的实验环节中，设计多停留在仿真模拟的环节，没有办法完成最终的实现。

为解决以上问题，该实验环节改革重点放在实验设置上，合理地安排实验内容，将每次设置的实验内容有机结合，最终能够形成一个复杂的面向应用的数字系统，并将其在开发板上最终实现，投入使用。实验内容设置要由浅入深，逐一将所学基本知识涵盖在内。并且最终实现的系统具有一定的应用价值，以此将FPGA设计的理论知识最终转化为完成成品的有力工具，将理论融合在实践中。并且要求学生对整个设计过程内容进行答辩，以此保证学生能够认真地参与到设计环节中。

三、采用多样化的考核方式

FPGA课程是电路设计等专业的主干专业课，该课程面向于专业基础知识的应用，因此考核方式改革的整体思路是将原有的面向于知识的考核方式，变为面向于应用的考核方式。采用多样化的考核方式，注重考核学生的综合能力，最终的成绩评定采用多种因素共同决定。考核过程汇总采用多种考核方式，分成多个考核阶段，采用多种考核类型，强化学生课外自主学习的能力，增加小论文、实验、课堂讨论等环节的成绩在学生成绩评定中的比重。

1.增加过程性阶段考核内容。为了增强学生自主学习的意愿，采取分阶段测试的方式，利用课堂时间进行测试和课堂讨论，该阶段考核内容主要侧重于基本概念、基本方法的理解和掌握，使得学生进一步融入课堂学习。

2.引入实验考核测试。在学习过程中，把设计性的实践考核作为考核方式之一，不同阶段设置不同的实验题目，让学生自主完成实验内容，从整体系统分析到最终的系统实现。考核时依据学生最终的设计，并要求学生对设计内容进行综合答辩，提交包含实现结果和仿真结果的设计报告。以此培养学生的综合应用知识能力和创新能力，以及总结表达的能力。

3.改革期末考试内容。考试内容侧重点从基础知识的掌握转移到原理的分析和综合应用上，以教学大纲为依据，还要考查学生独立分析问题、解决问题的能力以及学生对基本理论、基本知识和基本技能的应用情况。具体考核方式计划如表1所示。

表1考核方式计划

针对像FPGA课程这样具有很强应用性、实践性的课程，其教学方式改革应从以下三个方面入手。

1.在FPGA课程的理论教学中，从案例入手，加强培养学生的工程意识，培养学生能够将基础理论知识转换成应用的能力。

2.在FPGA课程的实验教学中，提供相应的实验平台，设置具有应用价值的实验题目，提供相应的案例让学生自主完成，以此锻炼学生的自主学习能力，提高学生设计系统的能力。

3.FPGA考核环节中，由于课程实践性、应用性强，为提高学生的学习的积极性，修改考核方式，加大学习过程和实验所占成绩比重，让学生能够从始至终投入精力到学习中，并通过实验环节锻炼学生的工程设计能力。

参考文献：

[1]蒋洪波等.基于开放实践基地的FPGA课程体系研究[J].高师理科学刊，2013，(7).

[2]邓茜，梁小朋.基于独立学院的FPGA/CPLD课程教学改革与实践[J].大众科技，2012，(9).

[3]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).

[4]余能辉.关于FPGA课程教学的实践及其探索[J].南昌教育学院学报，2012，(11).

摘要：随着EDA技术的发展，基于FPGA的系统设计方法已成为硬件设计的重要手段之一，FPGA课程教学在集成电路等电子类专业中所占据的地位越来越重要。针对这种实践性、应用性强的课程教学，文章从理论教学、实验教学和考核方式三方面入手，阐述了FPGA课程教学改革的方法。

关键词：FPGA；考核方式；案例教学；数字系统

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2014）09-0008-02

基金项目：2013年度 哈尔滨理工大学高等教育教学研究项目“‘基于FPGA的系统设计与应用课程改革研究与实践”（C201300014）

电子设计自动化技术的飞速发展与EDA开发工具功能的不断完善为现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）设计提供了强大的技术支撑，使得它已经逐渐成为当今电子设计领域中应用最为广泛的可编程逻辑器件之一。它以空前的速度和规模被应用到各行各业中。由于基于FPGA的设计具有开发周期短、编程灵活、可靠性高等优点，所以FPGA技术非常适合在高等院校集成电路设计等相关专业中作为电路设计学习的载体。因此，这门课程在高校的集成电路设计类相关专业的教育中占据着极其重要的地位。

FPGA 课程教学的主要目的是利用现今先进的EDA技术手段和方法，使用可编程逻辑器件，实现数字逻辑电路的设计，进而完成大型数字系统的设计，这种方法是电子工程技术人员设计硬件电路时所采用的一种重要方法和手段。并且学生通过课程学习，能够掌握基础知识的实践应用方法。当今的高等教育是开放的教育、创新的教育， 因此FPGA课程教学的主要目标是培养学生在电子系统设计过程中的创新能力和工程实践能力。把学生培养成为具有创新思维、创新能力的高素质的电子工程类技术人才。

一、注重理论教学方式改革

FPGA课程的教学目的主要是让学生掌握可编程逻辑器件基本结构，灵活应用硬件描述语言完成基于FPGA的数字系统设计，掌握基于FPGA设计时所依据的基本原则和采用的各种优化算法；将电路设计方法从传统的硬件设计转向软硬件高度协同的设计，以此让学生全面掌握集成电路设计的基础知识和数字电路技术知识，并能够将所学知识灵活应用，提高他们的系统设计能力以及工程实践能力。

在FPGA课程的理论教学过程中需要学生掌握基本的电路设计方法和手段，了解大规模可编程集成电路的基本结构，掌握硬件描述语言verilog HDL，并能自如地应用该语言在FPGA上设计相应的数字系统，能够设计出具有一定应用性的芯片。并且在整个理论教学过程中应加强培养学生的工程意识，培养学生能够将基础理论知识转换成应用的能力。在教学过程中应该以学生为中心，避免像传统的教学方式那样，只是把知识从教师传送到学生，达不到知识的融会贯通。要突出学生对知识的探索能力、发现能力和对所学知识的应用能力，并完成整个知识体系的主动建构与应用。

在整个教学过程中通过案例让学生完成知识体系的构建。首先是根据FPGA课程的教学内容需要，建立完整的案例系统，使得案例设计实现的过程涵盖所学的基础理论与知识，同时引入对于基础知识的常见应用如：基于FPGA的控制系统，音频、视频采集系统，存储系统的应用等；通过案例可以发现FPGA设计过程中经常遇到的问题和解决方案，并将此过程贯穿课程的教学始终。案例教学过程中，在提供了高质量的案例之后，要提供给学生案例相关资料，引导学生阅读并进行讨论；让学生自主地建立案例设置的情境，构建整个案例系统。因为有实际的案例应用作为依托，因此能够激发学生的自主学习能力，将所学的知识进行灵活应用，达到从基础理论知识的接受到灵活应用的目的。

二、强化实验教学方式改革

（一）发挥实验教学平台的作用

实验教学环境依托于DE II实验开发板，使用它可以完成基于FPGA的编程设计，还可以完成基于Nios软核处理器的应用项目编程和开发。该平台提供了丰富的多媒体、储存及网络等应用接口，非常适合大学课程在实验室环境下的一系列设计项目和非常复杂尖端的数字系统的开发和应用。

DE II实验开发平台的核心是一款的Cyclone II 的FPGA芯片，同时它还提供自由选择的存储卡以及一些高级的I/O 口驱动，同时还具备有音频、视频、网络和存储设备。所以它对各类数字系统的实现来说是一个极其理想的开发和验证平台，在以Altera Nios II为处理器的嵌入式应用中也是一个理想工具。因此在FPGA课程实验教学环节中，应该充分发挥该实验平台作用，除完成基础实验外，还应增加一些常见的面向应用的复杂系统设计。使学生在整个设计过程中充分利用开发板的资源，将FPGA设计的理论知识与实践结合。

（二）从基础实验向应用性实践转变

以往实验教学环节中设置的实验题目基本上是一些基础知识的应用，题目之间关联性很小，基本上是每个实验针对一定的基础知识，很少能够将知识结构整体统一。并且传统的实验环节中，设计多停留在仿真模拟的环节，没有办法完成最终的实现。

为解决以上问题，该实验环节改革重点放在实验设置上，合理地安排实验内容，将每次设置的实验内容有机结合，最终能够形成一个复杂的面向应用的数字系统，并将其在开发板上最终实现，投入使用。实验内容设置要由浅入深，逐一将所学基本知识涵盖在内。并且最终实现的系统具有一定的应用价值，以此将FPGA设计的理论知识最终转化为完成成品的有力工具，将理论融合在实践中。并且要求学生对整个设计过程内容进行答辩，以此保证学生能够认真地参与到设计环节中。

三、采用多样化的考核方式

FPGA课程是电路设计等专业的主干专业课，该课程面向于专业基础知识的应用，因此考核方式改革的整体思路是将原有的面向于知识的考核方式，变为面向于应用的考核方式。采用多样化的考核方式，注重考核学生的综合能力，最终的成绩评定采用多种因素共同决定。考核过程汇总采用多种考核方式，分成多个考核阶段，采用多种考核类型，强化学生课外自主学习的能力，增加小论文、实验、课堂讨论等环节的成绩在学生成绩评定中的比重。

1.增加过程性阶段考核内容。为了增强学生自主学习的意愿，采取分阶段测试的方式，利用课堂时间进行测试和课堂讨论，该阶段考核内容主要侧重于基本概念、基本方法的理解和掌握，使得学生进一步融入课堂学习。

2.引入实验考核测试。在学习过程中，把设计性的实践考核作为考核方式之一，不同阶段设置不同的实验题目，让学生自主完成实验内容，从整体系统分析到最终的系统实现。考核时依据学生最终的设计，并要求学生对设计内容进行综合答辩，提交包含实现结果和仿真结果的设计报告。以此培养学生的综合应用知识能力和创新能力，以及总结表达的能力。

3.改革期末考试内容。考试内容侧重点从基础知识的掌握转移到原理的分析和综合应用上，以教学大纲为依据，还要考查学生独立分析问题、解决问题的能力以及学生对基本理论、基本知识和基本技能的应用情况。具体考核方式计划如表1所示。

表1考核方式计划

针对像FPGA课程这样具有很强应用性、实践性的课程，其教学方式改革应从以下三个方面入手。

1.在FPGA课程的理论教学中，从案例入手，加强培养学生的工程意识，培养学生能够将基础理论知识转换成应用的能力。

2.在FPGA课程的实验教学中，提供相应的实验平台，设置具有应用价值的实验题目，提供相应的案例让学生自主完成，以此锻炼学生的自主学习能力，提高学生设计系统的能力。

3.FPGA考核环节中，由于课程实践性、应用性强，为提高学生的学习的积极性，修改考核方式，加大学习过程和实验所占成绩比重，让学生能够从始至终投入精力到学习中，并通过实验环节锻炼学生的工程设计能力。

参考文献：

[1]蒋洪波等.基于开放实践基地的FPGA课程体系研究[J].高师理科学刊，2013，(7).

[2]邓茜，梁小朋.基于独立学院的FPGA/CPLD课程教学改革与实践[J].大众科技，2012，(9).

[3]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).

[4]余能辉.关于FPGA课程教学的实践及其探索[J].南昌教育学院学报，2012，(11).