基于FPGA的SPOE实践教学云平台的设计与实现

崔贯勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院, 重庆 400054)

计算机技术应用

基于FPGA的SPOE实践教学云平台的设计与实现

崔贯勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院, 重庆 400054)

为了使SPOC教学模式能在对实践有较强要求的课程中得到推广,在对SPOE进行系统分析的基础上,以虚拟仿真、云计算和FPGA为切入点,从技术角度阐述了SPOE实践教学云平台所需的关键技术、平台架构、仿真模型及平台运行模式,设计并实现了基于FPGA和云计算技术、SPOE模式下的实践教学云平台,并将该实验教学平台应用到重庆理工大学相关课程实验教学中,取得了良好的效果。

云平台； 虚拟仿真； 实践教学； 现场可编程门阵列

在线教育是近年来教育领域的一个热门话题,它为受教育者提供海量的优质资源。百度在2016年博鳌亚洲论坛发布的《中国互联网教育行业趋势报告》指出:“以慕课为主的视频课程成为互联网学习用户首选”。然而高等教育是专业性的学历教育,慕课(MOOC)只能适用某些课程教学,对于大多数专业性较强的课程则采用了小规模限制性在线课程(small private online course,SPOC)教学。SPOC既吸纳了MOOC的优点,又便于在高校开展[1]。但无论是SPOC还是MOOC,对于众多理论与实践结合紧密的课程教学都存在一定的困难,其关键是实践教学部分。对于这样一种有别于传统的“课堂+实验室”的在线学习模式,如何开展实践教育以培养学生的动手实践能力，成为众多专家学者不得不思考的问题[2]。

1 建设基于FPGA的SPOE实践教学云平台的可行性

我国《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》指出:“完善各种资源库,建设优质网络课程和实验系统、虚拟实验室等,促进智能化的网络资源与人力资源结合。”教育部于2015年下发《关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》,积极顺应世界范围内大规模在线开放课程发展新趋势,直面高等教育教学改革发展新的机遇与挑战。2015年5月22日,习近平主席在致首届国际教育信息化大会的贺信中指出:“构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系,建设‘人人皆学、处处能学、时时可学’的学习型社会,培养大批创新人才,是人类共同面临的重大课题。”同年,教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见(征求意见稿)》中指出:“高等教育要通过消化吸收MOOC、翻转课堂等新型教育模式,创新高校教学和管理模式,提升创新人才培养能力”。2016年,教育部《2016年教育信息化工作要点》中指出:“继续建设100个左右的国家级虚拟仿真实验教学中心,试点开展优质虚拟仿真实验教学项目资源库建设”。

可见,教育信息化已成为我国高等教育改革的重要方向,而作为教育信息化的一个重要方面,在高校开展SPOC模式的教学也是未来高等教育的一个必然趋势。要开展SPOC教学,就必须在实践教学环节开展对应模式的小规模限制性在线实验(small private online experiments,SPOE)[3]。

目前,计算机软硬件技术、网络通信技术、存储技术都得到了长足的发展,为建设超大规模、按需服务、低成本、可伸缩、个性化的SPOE提供了必要的保障；信息压缩技术、视频处理技术等为网络课程内容的传输提供了强有力的技术保障[4]。而现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)与传统硬件电路相比,具有可编程、高集成度、开发周期短、硬件升级空间大等优点。FPGA 的可编程特点,使得系统的性能改进和扩充变得非常方便和简易,利用FPGA构建实验体系不仅可以更好地达到实验目的,而且为提高学生的实践动手能力和拓宽学生的知识面打下良好基础,也为SPOE实践教学云平台的建设提供了方便,使得建设平台的价值也能充分体现出来[5]。

2 基于FPGA的SPOE实践教学云平台

2.1 SPOE实践教学平台的架构

基于对云计算技术、SPOC模式、虚拟化技术的充分认知,本文提出了实验教学、认证、存储、电源控制、视频监控、环境监控等为一体的SPOE实践教学云平台,其架构如图1所示[6]。使用者通过网络远程控制仪器设备进行数据运算、分析测试等实验活动,达到与现场操作仪器设备同样的效果。该平台可以以实体资源的形式开展校内或区域的开放共享,也可以以虚拟资源的形式在网络环境下运行,同时提供在线预约、计费、审批和统计功能。

图1 基于FPGA的SPOE实践教学云平台的架构

2.2 SPOE实践教学云平台关键部分的设计

平台的核心部分包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括设备管理机(上位机)、实验设备在线接入控制器(简称在线接入控制器)和FPGA实验设备,其结构如图2所示。设备管理机将学生通过Internet上传的目标文件传送给在线接入控制器；轮询在线接入控制器上主控FPGA所接的所有输出设备和接口的引脚的电平状态,将其反馈给客户端,并在用户界面上显示出相应的实验结果。在线接入控制器支持多种输入信号激励与所有输出信号采集,支持FPGA实验设备远程接入,支持USB下载目标文件到FPGA中。FPGA实验设备是实验的硬件载体,学生的每个实验都下载到FPGA中运行[7]。

图2 FPGA硬件系统结构示意图

软件系统提供远程实验服务和设备控制管理功能,软件系统主要包括3类:逻辑仿真器(如modelsim、Verilog-XL等)、逻辑综合器(如LeonardoSpectrum、Synplify、FPGA Express/FPGA Compiler等)和FPGA厂家工具(如Altera的Max+PlusII、QuartusII,Xilinx的Foundation、Alliance、ISE4.1等)[8],其设计流程如图3所示。

图3 FPGA设计流程示意图

2.3 基于FPGA的SPOE实践教学云平台的实施

基于FPGA的SPOE实践教学云平台是为计算机及相关专业解决在线实践教学而开发的,可以为计算机组成原理、计算机EDA设计、计算机接口与通信、FPGA多核并行计算、嵌入式系统应用和数字系统设计等多门课程在线实验提供支持,培养学生计算机系统能力和综合设计能力。该平台组织与实施流程如图4所示[9]。

图4 SPOE模式的组织与实施流程图

3 基于FPGA的SPOE云平台的优点

3.1 低成本建设,方便开设相关课程

我国西部地方民办高校的财务实力较弱,因此实践教学环境的建设往往比较落后。而FPGA与ASIC相比具有适合小批量生产、编程方式灵活可变、费用少和开发周期短等优点；与CPLD相比具有集成规模大、单元粒度小、触发器数量多、功耗低和互连方式多样(可以分段总线互连、长线互连和专用互连等)等优点[10]。基于FPGA建设SPOE实践教学云平台,对西部高校来说财务压力就会小很多,甚至只需象征性地拿出少量的租借费,即可向建设有SPOE云平台的高校租借使用,为学生提供优质的实践教学环境,而且不需要场地和基本运行费的投入。

3.2 培养计算机类专业学生的系统能力

传统的计算机硬件类课程实践教学采用两种方式。

一是基于纯硬件实验平台的方式。在这种方式下,学生通过亲自动手操作仪器面板上的开关及连接线路来验证理论的正确性。这种方式的优点是学生能够实际动手接触硬件模块,但缺点是实验内容往往是固定的,操作也是教师设计好的,学生只需按步骤连接线路、拨动开关即可,可扩展性不强,学生自由发挥的余地很小,难以培养学生的创新能力[11]。

二是纯软件模拟的方式。在这种方式下，学生可以通过工具软件对指令集、接口等进行仿真,可以发挥的余地较大,但没有具体的硬件,直观性不强,动手能力欠缺,无法真正将计算机软件和硬件结合起来。

但是，而利用SPOE实践教学云平台,学生既可以感知到硬件,又能动手实现编写软件,将软件和硬件结合起来,系统能力得到充分培养。

3.3 更充分地开放,方便学生实验

传统的实践教学模式是学生在规定的时间和规定的实验室,完成规定的实验内容,学生学习的自由度受到了限制,无法做到随时、随地实验,实验资源利用也不充分。特别是周末、节假日等非行课时间,仪器基本闲置,降低了仪器的使用效益[12]。另外,当有学生在实验课上没有完成实验进度时,很难在课余继续完成,因为下次课又有新的实验教学内容,或者别的教学班要占用仪器设备。有了SPOE实践教学云平台,只要有仪器空闲,学生通过网络都可以访问仪器设备,无论是节假日还是在校外。

3.4 高校专业实践教育不再“网上谈兵”

MOOC是近年来高等教育教学模式的重大创新,它为高等教育教学带来了教学模式的重大变革,为高等教育的良性发展注入了新的活力。然而对于许多工科类专业来说,短时间内无法让MOOC真正融入教学实践中。一是因为高等教育是学历教育且具有较强的专业性,学生必须完成课程学习、参加考核并且合格,而非一般通识教育和认知教育；二是工科类专业大多数课程需要通过实践环节培养学生的实践动手能力,需要专门的实践环境[13]。SPOC结合SPOE实践平台,就可以让MOOC模式的推广如虎添翼。二者的具体特点见表1。

表1 MOOC与SPOE平台特点

表1(续)

4 结语

高等学校实践教学的实施是培养学生综合应用能力、动手能力和创新实践能力的最重要的途径,FPGA技术和云计算技术为SPOE实施实践教学提供了可能。基于FPGA的SPOE实践教学云平台可以为计算机组成原理、嵌入式系统开发与应用等课程的实践教学服务,在重庆理工大学两个年级的计算机类专业课程实践教学中收到了良好的效果。学生的动手能力得到充分的培养、创新潜能得到发挥,对理论知识的理解程度也得到加深,学生喜软件、怕硬件的局面得到较大改观。下一步,将进一步研究和设计更多的实践内容,为学生提供更多的实践教学资源,进一步提高学生综合设计能力和创新能力。

References)

[1] 李山山,陈永强,刘敬晗,等.MOOC时代下的计算机实验教学探讨[J].计算机教育,2014(13):103-106.

[2] 崔贯勋.基于云计算技术的MOOC实践教学平台[J].实验室研究与探索,2015,34(8):119-223.

[3] 周丽涛,刘越,彭立宏.探索MOOC在计算机实践教学中的应用[J].计算机工程与科学,2014,36(增刊1):118-120.

[4] 罗国玮,兰瑞乐.基于云计算的高校科研实验平台构建研究[J].实验技术与管理,2012,29(4):115-117.

[5] 崔贯勋.基于云计算技术的计算机实验教学平台[J].实验室研究与探索,2013,32(10):447-450.

[6] 曹正标.大型仪器仿真与开放共享平台建设方案研究与应用[R].武汉:中国高等教育学会实验室管理工作分会,2016.

[7] 张力军.计算机硬件类课程群MOOC实验平台建设[R].福州:国家级实验教学示范中心联席会,2015.

[8] 刘宏伟.面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设[R].长春:全国高等学校计算机教育研究会,2016.

[9] 崔贯勋,熊建萍.基于虚拟仿真技术的MOOE实践教学平台开发[J].实验技术与管理,2016,33(4):103-107.

[10] 吴迪,谢雪炎,吴贺俊.基于FPGA的计算机组成原理实验教学探索[J].计算机教育,2014(18):30-34.

[11] 周宁宁,程春玲.基于FPGA技术的计算机组成原理实验系统[J].现代电子技术,2005,28(1):23-25.

[12] 杨海钢,孙嘉斌,王慰.FPGA器件设计技术发展综述[J].电子与信息学报,2010,32(3):714-727.

[13] 曹庆华.构建云实验中心促进资源共享[R].南京:中国高等教育学会实验室管理工作分会,2016.

Design and realization of cloud platform for SPOE practical teaching based on FGPA

Cui Guanxun

(School of Computer Science&Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

According to the characteristics of SPOE from the perspective of technology, taking the virtual simulation, cloud computing and FPGA (field programmable gata array) as an entry point, this article elaborates on the key technology required, architecture of platform, model of simulation and mode of operation for SPOE practical teaching platform based on the systematic analysis. An experimental teaching cloud platform is designed based on FPGA and cloud computing technique in model of SPOE. At present,the experimental teaching platform is applied to experimental teaching of public computer courses, and the results are good.

cloud platform; virtual simulation; practical teaching; field programmable gate array(FPGA)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.034

2016-08-14

重庆市高等教育教学改革研究项目(163108,153115)；高等学校计算机教育研究课题(ER2015011)；重庆市研究生教育教学改革研究项目(yjg152003)；中国学位与研究生教育学会研究课题(C-2015Y0401-038)；重庆市教育科学“十二五”规划课题(2014-GX-039)；重庆市教育科学“十三五”规划课题(2016-GX-133)；重庆市教育评估研究会教育评估研究课题(PJY2015-52)；重庆市高教学会高等教育科研课题(CQGJ15093)

崔贯勋(1978—),男,河南许昌,硕士,高级实验师,实验室副主任,主要研究方向为实验技术及实验教学.

E-mail：cgx@cqut.edu.cn

G642

A

1002-4956(2017)1-0146-04