《FPGA应用开发》课程教学探讨

贺敬凯

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172）

引言

FPGA（现场可编程逻辑器件）产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域，随着FPGA应用领域的扩大，对应用人才的需求量越来越大，要求也越来越高。

FPGA应用开发是电子类专业以及相关专业的技术主干课，本文作者长期从事FPGA应用开发课程的教学，在教学过程中，注重校企合作，关注教学效果。经过长期的教学洗礼和经验积累，作者对于FPGA应用开发课程的教学逐渐形成了独特的教学理念和实际可操作的、行之有效的措施。作者称之为“以典型工作任务贯穿的项目实践教学模式”。下面在教学实践基础上，着重从教学内容和载体的改进完善措施以及教学理念两个方面进行提炼，以推广该类课程的教学思路和教学方法。

1 教学内容和教学载体

教学过程中，教学内容和教学载体的选择是重中之重，它涉及到要教授给学生的知识以及传授知识的路径。而FPGA类课程的实践性非常强，选择课程内容和课程载体就显得尤为重要。

1.1 精心选择课程载体

这是非常重要的内容，对课程的成败起决定性作用。经过多年实践经验，作者总结出了“以开发板承载教学内容”的教学理念。以前的教学大多用实验箱承载教学内容，但是实验箱价格昂贵，更换周期长，与技术进步保持同步比较困难，相较而言，开发板成本低、数量多、可以做到三年一更新，可以最大程度地与最新技术保持同步。最近在教学过程中，作者也大力提倡“口袋实验室”的教学理念。口袋实验室是对开发板作为载体的一种认可和延伸；口袋实验室就是可以随身携带的一块开发板，可以随时随地做实验，并且外留扩展接口，容许用户使用面包板或万能板搭建电路，并使用扩展接口连接到开发板上进行试验。目前，作者在课堂上一直使用的开发板，包括Altera cycloneII EP2C8Q208开发板和Xilinx spartan3E xc3S100E开发板，教学时可以每个学生1套。

1.2 精心选择课程内容

在校企合作的基础上，作者提炼了27个典型工作任务及其对应的知识点。整个课程内容则以27个典型工作任务为主线，按着知识递进、难度递进的原则，根据任务的知识点来组织内容[1]。27个典型工作任务如表1所示。

表1 FPGA应用开发典型工作任务

详细的任务描述和对应的知识点，以及内容的编排，请参考文献[1]。这些任务都基于FPGA开发板，任务的结果都通过开发板展现出来，直观易懂。

1.3 修订和完善教学设计，合理配置理论课和实践课比例

每学年，学校都会统一安排时间组织教研室来优化和完善教学设计。教研室根据一年来的实践经验，会把优秀的经验固化到课程设置和课程内容中。本课程目前已明确是一门核心实践教学课程，已将理论教学和实践教学的比例确定为1:3，强调学生的实际动手和解决问题的能力的培养。为了使实践教学发挥出更大的作用，作者一直坚持一次课安排4个学时，集中完成一个任务或相关联的几个知识点。其中，第一学时讲解本次实践课所需要的理论知识，“细讲+粗讲”相结合，细讲的内容在教材上，讲完后要做到学生当场消化吸收，粗讲的内容还需要学生自己查资料才能消化吸收；后三学时则要求学生完成实验的基础部分和拓展部分。边讲理论边实践，理论与实践的结合，既起到了理解和掌握理论知识的作用，又起到了理论指导实践的作用。

2 教学理念

在教学实践过程中，除了传授知识外，培养学生的兴趣、自信、学习积极性和创新意识也是课堂教学非常重要的内容。

2.1 注重培养学生的兴趣

注重学生兴趣的培养体现在项目的设置上。在表1的27个任务中，大量设置了学生非常感兴趣的实验项目。例如：4个数码管滚动显示手机号码、可以测量人的反应时间的反应测量仪、有渐变效果的呼吸灯、在VGA上显示彩条、在VGA上显示信息、带有校时和闹铃功能的数字钟，等等。这些任务，都在课堂教学过程中，受到了学生的喜爱，经受了实践的检验。随着教学过程的深入，学生对本课程的兴趣也在逐步提升。

2.2 注重培养学生的自信心

课程内容由简单到复杂，因材施教。课程的内容力争做到“人人有事做，人人有成果”。在27个任务中，每个任务都有基础部分和拓展部分，基础部分包含每个同学必须要独立掌握的知识，相对简单，完成任务后必须上交成果，该成果将作为期末成绩评定的非常重要的部分。而拓展部分，相对较难，课堂上对学生不做特别的要求，但是对于能够独立完成的学生则会在期末评定上加分。从教学实践的情况来看，基础部分学生都会有成果，拓展部分只有部分学生能完成。有了成果，学生就会有一种成就感，就会显得更加自信。

2.3 注重培养学生的学习积极性

课程的教学完全采用项目化教学，以多个项目贯穿于整个课程。而且，课堂选用的项目具有趣味性和实用性，可以充分调动学生的学习积极性。选择实用的、简单的一些产品作为课堂教学内容，利用学生的好奇心，引导学生自主完成这些项目。由于这些项目是日常生活中常见的、实用的内容，所以可激发学生对这些项目工作原理的好奇心，并激发学生自主完成这个项目的意识，从而培养学生的自主学习能力。目前已经在课堂上选用的项目包括：流水灯、呼吸灯、反应测量仪、序列检测器、数码管滚动显示信息、数字钟、数字跑表等。文献[2]的任务着重于课堂教学，而在课外，学生可以参阅文献[1]和文献[2]选择一些个人感兴趣的项目利用口袋实验室完成。本课程能够提升学生的学习积极性，最明显的一个体现就是：有许多同学在本课程的后半阶段会主动向教师申请将开发板带回宿舍学习。

2.4 注重培养学生的创新意识

项目化教学中，每个项目的内容均包括基础实验和拓展实验。基础实验在教材中会对实验内容作详细的阐述，课堂上也会全面地讲解，学生在理解实验原理的基础上，可以完成基础实验。而拓展实验，则需要学生自主查找资料，发挥想象力和创造力，才能实现。比如：“数字钟”项目的基础实验是完成时、分、秒计数，能够校时，以保证当前显示的时间与当前北京时间一致；拓展实验则包含“闹铃功能、整点报时功能、显示日历功能”等等。拓展实验的设置，主要目的就是培养学生的创新意识。从目前的实践情况来看，班级中只有学习基础扎实的那部分学生才能很好地完成拓展实验。拓展实验一方面开拓了学生的视野，也培养了学生的创新意识，这部分表现优异的学生可进一步培训选拔作为大赛的参赛学生。

3 结语

作者在教学过程中，不断地充实和完善教学讲义，每隔两三年都会把自己的教学成果加以提炼，公开出版教材。2010年至今，针对“FPGA应用开发”及相关课程已公开出版了4部教材[1～2]，其中在清华大学出版社出版了《Xilinx FPGA应用开发（第2版）》，该书在第一版的基础上进一步优化了教学项目。

从2008年至今，该课程的课堂教学效果良好,年年获得教学质量优秀。本文作者从2008年至今，几乎每年都指导学生参加全国省市各级各类技能大赛，参赛学生都是通过课堂教学发现的，然后再经过进一步选拔和培养，截至目前，已获得了省一等奖4项、省二等奖1项、市一等奖1项、市二等奖3项的成绩。

课程教学要与时俱进，本文介绍的“以典型工作任务贯穿的项目实践教学模式”还需要紧随时代步伐，在研究学生群体学习规律的基础上不断改进完善。

参考文献：

[1]贺敬凯.Xilinx FPGA应用开发（第2版）[M].北京:清华大学出版社, 2017.

[2]贺敬凯.Verilog HDL数字设计实训教程[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2012.