SOPC设计与应用实验教学改革探索

邓文娟，　朱兆优，　邹继军，　王海涛

(东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 南昌 330013)



SOPC设计与应用实验教学改革探索

邓文娟，朱兆优，邹继军，王海涛

(东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 南昌 330013)

摘要：通过分析当前SOPC设计与应用课程实践教学存在的问题，探讨了为适应新技术发展的需要，针对以激发学生学习的主动性和创造性为目的的实践教学模式，提出了采用模块化教学、分组开放性实验、层次化考核相结合的教学方式。

关键词：SOPC设计与应用；实践；教学改革

邓文娟，朱兆优，邹继军，等.SOPC设计与应用实验教学改革探索[J].东华理工大学学报：社会科学版，2016，35(2)：181-183.

Deng Wen-juan, Zhu Zhao-you, Zou Ji-jun,et al.Exploration on experiment teaching of SOPC design and application[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(2)：181-183.

实验教学是科学技术发展对高等教育提出的要求，是高等教育发展到一定阶段的产物[1]。在欧美广泛传播的拉伊实验教育学认为，“教育绝不能是被动地接受和吸收，而是主动的、创造的、建构的、积极的和活动的”； “教育中的因果关系非常复杂，需要通过实验，在有意识的控制条件下，观察引发的各种现象”[2]。近年来，我国在工程人才培养与产业需求之间出现一定程度的脱节，培养工程创新人才，是高校亟待解决的问题，而想要完成这一任务，实验教学无疑起着巨大的作用[3-5]。

随着高集成度、高性能、低成本的可编程逻辑器件FPGA(Field Programmable Gate Array)的出现，基于FPGA的SOC(System on Chip)，即SOPC(System on Programmable Chip)技术日益成为国际新技术的研究热点[6]，并逐步成为IC设计发展的新方向。笔者结合个人多年来的实际教学实践，探索SOPC的实验教学的改革创新，努力寻找提高实验教学质量的方法、以达到提高学生创新能力和设计能力的目的[7]。

1激发学习兴趣，注重首次实验课

SOPC课程是一门综合性很强的课程，要求学生具备一定的C语言、EDA设计及嵌入式设计能力基础，同时要求学生具备较强的软件运用能力，因此学生学习难度大，容易产生畏难情绪。如何将学生“要我学” 转变为“我要学”，充分调动学生的主动积极性是这门课程学习的首要难题。

“兴趣是最好的老师”，调动学生的学习兴趣，是转变学生学习观念的有效途径。在以往的课程实验中，首次实验课的内容往往较简单，学生对课程很难有感官上的直接认识。因此，首次SOPC实验课程中，应加入刺激学生感官的实验操作内容。选择往届学生的综合性实践项目，如俄罗斯方块游戏、显示汉字或图案等较有趣味性项目的演示。增加这样的实验，使学生对本门课程的认识更具体化了，虽然对具体设计技术还不理解，但是学习积极性提高了[8，9]。

2实验教学层次化

东华理工大学电子专业的学生入校时基础就有较大差别，加之前期课程掌握程度差别，以致学生对学习SOPC课程的理解程度上存在较大的不同。传统实验中，每位学生实验的内容都相同，基础好的学生觉得实验太简单，较短时间就完成了实验，基础差的学生短时间又消化不了，实验效果很不好。盐城师范学院的周殿凤老师在SOPC实验课程改革中采用了层次化的实验方法[7]，笔者也用此方法进行了尝试，取得了一定的效果，但也存在一些不足，因此在此试验的基础上做了一些相应的改进。

首先，每次实验前，对每个班(约30人)的学生进行分组(验证组、设计组及综合组)，结合学生的前次实验效果及学生的个人选择，每次实验进入到不同的分组中，随着实验的开展，每组学生人数也会调整。第1个实验时，可能没有学生选择综合组，最后一个实验时，则可能没有学生选择验证组。其中，验证组基础最弱，设计组中等，综合组基础最好。以要求完成的内容不同来区分，如流水灯实验，对于验证组学生，能根据实验指导书上详细的设计过程，修改实验中遇到的错误，进行演示即为达到实验目的；对于设计组学生，则要求在以上基础上设计另外2种点亮方法；对于综合组学生，则不仅需要增加点亮方法，还需要能变化指示灯速度。对于设计组、综合组的额外要求，在实验指导书上只有设计要求，没有设计提示，需要学生自行设计。不同的要求可以杜绝学生抄袭，也可以真正实现因材施教，达到最优教学效果。

东华理工大学实验课程的开设是在理论课之外，学生每次实验课程的时间是100分钟，时间比较紧张，因此，理论课堂上简要讲述实验课的具体要求，并进行演示，让学生对所需要达到的实验效果有直观概念。

其次，随着实验难度的加大，很多学生无法在规定时间内完成，此时，要积极引导学生预习或者课外到开放实验室完成实验内容，最后多安排一次实验来检查学生利用课余时间补充完成的实验。学生看到自己的设计效果时，学习兴趣也随之大大增加。

3实验、实践教学系统化

东华理工大学开设的SOPC课程为42学时理论+5次实验+1周综合课程设计，传统实验内容多以较单一知识点练习为主，这种实验情况下，学生在综合实践周中完成课程设计要求困难较大，实验过程中积累的经验及程序作用不大。而且综合实践周教学时，一般学生还会有其它的理论学习任务，甚至有考试安排，因此仅有较少部分基础很好的同学能够完成综合课程设计，其他大多数同学则盲目抄袭，实际达不到课程设计的目的。因此，综合学生的基础不同，我们将课程设计的题目分为不同的5组，具体举例如表1所示。

表1　不同组别学生课程设计课题

5组课题中，第5组难度最大，第1组难度最小，不是选择第5组就一定得优秀，选择第1组就一定不能得优秀。当然，学生也可以根据自身兴趣，凭借开发平台提供资源，自选课题，学生自己带着问题去做实验，并积极寻找解决问题的办法，以更好地提高设计能力。因为FPGA芯片本身是一张白纸，只要学生的嵌入式应用能力和硬件描述语言足够好，是可以有较大的发挥空间，创造出无限可能。当然，Quartus II及Nios II软件本身难度较大，网络上又较难找到较多的参考文献，因此，教师需要在这些方面作较详细的指导，以免学生花费大量时间去摸索。

此外，还可提前下达课程设计任务，当学生完成第1个实验后，对SOPC课程有了初步的认识，就可以让学生选择相应的课程设计课题，并引导学生根据所选择的课题选择相应的实验。如学生选择课题2则需要完成的实验内容为：按键实验、点阵屏实验、定时器实验、中断实验等；如学生选择课题4则需要完成的实验内容为：按键实验、定时器实验、中断实验、VGA控制实验等。因此，设计的实验内容远远超过需要完成的实验个数并可供学生选择。

经过以上改革，学生对于课程设计不再只是盲目应付，在一个个实验进行过程中，课程设计需要完成的目标也逐步清晰，学生对完成课程设计也变得较有信心和兴趣。

4实验考核多样化

对于实验的考核，首先是注重过程的考核，教师指导学生制作一张记录卡，记录实验操作考核过程。对于实验报告则应根据组别不同而不同，对于验证组，重点在于验证结果的分析及实验体会。对于设计、综合组则注重于报告中介绍设计思路、设计过程的实现。对于有独到见解及创新思想的学生，应给予积极的鼓励和较好的成绩。

对于综合课程设计的考核则应分以下三个组成部分。

(1)课程设计开始前2周，学生每3人一组，以PPT方式，介绍设计方案。方案介绍时，其它组成员及任课教师可以提问，提高方案可行性。此阶段着重考察学生的资料收集能力、分工协作能力、方案设计能力及表达能力。此环节成绩占30%。

(2)课程设计操作部分完成后，同样以小组进行答辩，演示实验结果、达到的设计目标及有待改进的地方。此环节着重考察学生的动手操作能力、设计能力及表达能力。要求小组每个学生参与答辩，此环节成绩占40%。

(3)课程设计报告部分，学生根据课题分工，完成自己的设计部分的报告内容，包括设计原理、硬件电路、软件设计、调试过程、结果分析等，再由组长整理成一份课题完整报告。改变以往每位同学都书写整个课题设计报告的情况，从而杜绝出现较严重的抄袭报告现象，避免浪费学生的时间。此环节成绩占30%。

5结束语

在SOPC课程实践教学改革探索过程中，分层次实验、实践是最大的改变，受到了学生的普遍欢迎。考核方式的改变也是一大亮点，使得学生能够真正重视实验、完成实验，教师也能从中找到优秀学生并进一步加以培养[10]。经过两个教学过程的实践，学生普遍对SOPC这样综合性难度大的课程有了不一样的认识。但SOPC课程改革中，仍然存在很多问题，比如实验考核过程中，由于考核细化，教师工作量加大，有时候因为时间关系可能做得不够细致、公平。另外，FPGA芯片及技术发展较快，相应开发板更新也比较快，这就要求实验内容能够较快更新。另一方面，教师及学生对于新技术的接受能力也是一个问题。

[参考文献]

[1] 马传峰. 实验教学改革的探索与思考[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(9):89-91.

[2] 瞿葆奎. 拉伊与《实验教育学》[J]. 教育评论,1995(6):48-51.

[3] 王怀平,林刚勇. 电工电子类课程群实验教学改革与实践[J]. 中国电力教育,2011,27(4):117-118.

[4] 吴光文,朱兆优,胡文龙,等. 基于RTOS平台的嵌入式系统课程群教学研究[J]. 东华理工大学学报：社会科学版，2016(1):93-94.

[5] 司红伟,颜七笙,姜俊坡. 基于网络化实验环境的程序设计类课程一体化教学改革与探索[J]. 东华理工大学学报：社会科学版，2015(4): 414-415.

[6] 李芸，易志强，黄继业. EDA/SOPC实验教学方法探讨[J]. 高校实验室工作研究,2010,106(4):45-46.

[7] 周殿凤. SOPC实验教学改革探讨[J]. 唐山师范学院学报. 2011,33(5):150-152.

[8] 阎波,李广军,林水生,等. EDA/SOPC 实验教学改革与实践[J].电子科技大学学报社科版,2005,7(S1):104-106.

[9] 韦思健,张驰,韩文龙,等. 最新的SOPC技术与EDA实验教学[J]. 实验技术与管理,2006,23(1):113-115.

[10] 崔永利,沈泓,李妍,等. SOPC嵌入式系统实验教学探索与创新人才培养[J].实验室科学,2011,14(6):16-18.

收稿日期：2015-09-22

基金项目：校级教改课题“应用型本科《SOPC设计技术》课程教学改革探索”。

作者简介：邓文娟(1981—)，女，江西高安人，硕士，副教授，主要从事嵌入式系统、光电检测等研究。

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1674-3512(2016)02-0181-03

Exploration on Experiment Teaching of SOPC Design and Application

DENG Wen-juan,ZHU Zhao-you,ZOU Ji-jun,WANG Hai-tao

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013，China)

Abstract：This paper analyzes the problems existing in experiment teaching of the course SOPC design and application, and then explores the experiment teaching model for motivating students’ initiative and creativity, and puts forward the teaching methods which include modularized teaching content, open experiment with group style and graded examination.

Key Words：SOPC design and application; experiment; teaching innovation