新工科背景下“硬件描述语言及应用”教学改革探索

周殿凤，沈法华，仇成群

(盐城师范学院 物理与电子工程学院，江苏 盐城 224007)

引言

为主动应对科技改革和产业革命、促进服务创新，2017年以来教育部积极推进新工科建设，旨在新形势下培养更高质量的人才，构建世界一流的具有中国特色的工科教育，这一举动进一步促进了我国高等教育的良性发展[1]。新工科背景下的高等教育要完成应有的使命，必须重新审视每一门课程，切实有效地对传统教学方式进行有区别的合适改革，其中实践类课程的改革显得尤为重要[2]。

“硬件描述语言及应用”是电子信息专业学生重要的实践类基础课程，主要讲解VHDL语言的语法、算法、编程技巧及其应用。VHDL语言由美国国防部研发，其可靠性超强，主要用于驱动高速集成芯片CPLD或者FPGA以完成各种规模的电路设计。近年来随着FPGA/CPLD芯片价格下降和国内研发的CPLD/FPGA芯片的投产，FPGA芯片的应用越来越广泛，已由原来的航空航天和军工领域迅速向民用领域扩展，我国每年使用数十亿FPGA芯片进行各类设计，FPGA/CPLD类课程的地位也逐步提高，但精通FPGA的人才数量远远不如精通单片机的人才数量，人才短缺现象相当严重，这与硬件描述语言编程难度大、学生入门难、教师注重理论讲解却轻视实践有很大的关系。

突如其来的新冠肺炎疫情催生了大量的网络授课，线上教学已成为全球教育的发展趋势之一[3—4]。为了提高教学质量，培养学生实践动手能力，笔者经过多年探索，对“硬件描述语言及应用”提出线上线下混合教学的改革方式，线下采取项目化教学，同时利用线上网络课堂补充线下教学的不足。

一、传统教学方式的不足

1.理论与实践融合度低，学以致用难

“硬件描述语言及应用”采用“32课时理论课+16课时实验课”方式进行，其教学目标是让学生熟练掌握VHDL语言的语法、常见语句的深层次应用，学会设计基础的电路，但其最终目标是学生能够使用VHDL语言驱动FPGA芯片进行电子系统设计，完成比较复杂的项目设计，能够做到“学以致用”。传统教学采用“教师上面讲、学生下面听”的教学模式。教师讲完理论知识后再用几个简单的实验完成实践教学，这样的实验大多是验证性的，甚至是教师演示一下然后学生跟着做的“填鸭式”实验教学。一学期下来，学生云里雾里、似懂非懂，除了几名学生是编程高手，其他学生几乎没有学会独立编程，更谈不上扩展应用，无法服务于实际应用。对于实践类课程，教师的教学理念如果不能转变和提升，精力一直放在理论知识上而偏离实践应用，理论与实践便无法有机结合，学生应用能力就很难提高[5]。

2.授课方式欠佳，学生积极性不高

目前大学生人手一部智能手机，如果理论课的课堂教学不够生动或者教学内容晦涩难懂，部分学生终究抵御不了手机中精彩的网络世界。即便大多数学生抵制了手机诱惑，教师讲解理论知识时如不能对知识进行深度剖析，烦琐的语法不仅零散而且数量多，很可能让学生望而生畏，深邃庞杂的硬件电路同样难以理解[6]，加上理论课讲解多采用播放速度较快的PPT放映，学生很有可能来不及记录，课上似乎听懂了，课后却不能及时复习和实践，学习效果较差。程序设计类课程不同于其他课程，如果不能反复实践，不能认真在电脑软件环境下编程测试，所学知识很快便会遗忘。到了每学期的第10周左右，学生就算想学，也会由于前面的知识没有融会贯通而难以跟上老师的步伐。据调查了解，大部分学生想学却不知道怎么学，如果教师能注重教学效果、改进教学方法、有效调动学生学习积极性，学生的学习激情必定会燃烧。

3.师生交流少，课后提升难

由于大学教师不需要坐班，很多教师上完课就走，师生除了课堂没有其他交流时间。与此同时，由于我国高等教育学分制规定16节理论课时对应1个学分，而16节实验课时仅对应0.5学分，因此1课时理论课的学分等于2课时的实验课学分。很多二类本科院校改革后变为应用型本科院校，为了符合“应用”之目标，大幅度增加了实验课程课时；为了修满学分，学生所学课时整体上增加20%以上。即使教师在学校，学生忙于上课，恐怕也难以向教师请教问题，因此师生间急需增加新的交流方式。

现在的大学生尤其是二类本科院校的学生，貌似不如20年前的学生那样埋头苦学，但是在这知识爆炸的时代，伴随我国经济的飞速发展，大多数人都在奋进，全民都参与到国家的建设中，教师和学生也不例外。有些学生课上不听，课后却能花费大量时间上网跟着视频自学感兴趣的知识，这也反映了教师的教学方式不能吸引学生。一些二类本科院校的学生和家长觉得上学作用不大，不能凭借毕业证找到相关工作，毕业后从事的职业与大学所学完全无关，这也从另一方面反映出工科生的传统教学模式必须改革。教师应寻求好的教学模式，激发学生的学习热情，营造好的学习氛围，让学生想学、爱学。

二、线上线下混合教学

1.线下教学

线上线下相结合的教学模式，在正常情况下以线下教学为主，线上教学为辅。实践应用类课程的线下教学必须区别于传统理论课的教学方式，需要激发学生学习兴趣，培养正确的学习方法，提高学习效率，注重平时过程考核，淡化期末考核，注重学生设计能力的培养。

首先激发学生学习热情，培养学生学习兴趣。第一次理论课不必讲解高深的理论知识，先讲解FPGA的重要性和使用的广泛性，可以美国挑起的贸易战为例，告诉学生我国政府已经鼎力支持集成电路和软件工程的发展，这个领域需要大量的人才，国家也会持续投入财力，我们必须学好学精软件编程，熟练硬件描述语言编程技巧，积极投身我国即将到来的高科技自强发展大潮中，为祖国的高科技发展尽一份力，激起学生的爱国情怀。分析国内外形势和软件编程的重要性，也能让学生感受到学好技术既能实现人生价值，也能为祖国的科技建设添砖加瓦。

其次，教师讲解理论知识时不能照本宣科，不能笼统地讲解语法常识。理论课应该从一个个小项目开始，在项目中讲解语法语句，不仅用PPT，更需要将FPGA开发平台带入课堂，现场编程，让学生知道硬件描述语言的具体应用。笔者带领学生设计了口袋式FPGA开发平台，携带方便，此平台的大部分配件电路均由学生亲自设计和制作。用此平台在课堂上讲解，学生参与度高，在佩服羡慕师兄师姐设计能力的同时，自己也愿意改进电路设计，希望自己的改进电路能被老师应用于下一届的教学中，学生学习兴趣大为提高。Altera公司研发的Quartus II 软件功能极其强大，深受全球用户喜爱。在Quartus II软件环境下讲解VHDL的语法，学生接受度明显高于板书和PPT播放，而且Quartus II中配有很多常见的高级语句使用方法，教会学生调用方法，可以大大降低背诵量，避免让学生在烦琐枯涩的语法前止步，学生可以将更多的精力用于学习和提升算法，高超的算法才是编程的高级目标。当然，PPT作为辅助教学方法有其不可替代的地方，但制作方法需要优化。

再次，制定切实可行的项目化教学培养方案。选择合适的项目，将枯涩难懂的知识点融入到不同的项目中[7]，如此一来，既完成了理论知识的讲解，又提升了学生的设计能力。百看不如一练，理论教学完成后，便可以在实验中实践，让学生变为项目设计和完成的主体，培养学生的分工合作能力和动手实践能力。对于“32课时理论课+16课时实验课”，我们可以按照表1的项目讲透语法知识，利用理论课穿插讲解项目，再用实验课实践，同时提升学生团队合作能力和设计能力。利用项目可以讲解清楚硬件描述语言是如何通过编程驱动FPGA/CPLD实现各种中规模和大规模芯片的功能。每个项目的讲解均可以结合硬件和软件，还可以扩展应用。以2课时的入门级小项目“蜂鸣器”为例，通过高电平驱动的蜂鸣器硬件电路，讲解输入输出端口，对于FPGA接口，蜂鸣器接口被配置成输出端口，FPGA送出高电平，蜂鸣器鸣叫，低电平不出声，如果送给蜂鸣器方波信号，蜂鸣器则以一定的时间间隔实现鸣叫—停止—鸣叫—停止，如此周而复始。如果改变高低电平间隔的脉冲信号的占空比，蜂鸣器的鸣叫与停止又会有所变化，通过编程—演示—讲解，学生可以快速理解很多相关知识。此实验可以无缝转接到发光二极管的闪烁，让学生在二极管的闪烁和蜂鸣器的花样鸣叫中体验理论到实践的转换、相似项目的转接、项目的移植等，进而深入理解电路设计，掌握初步编程技巧。所有项目均可以使理论知识更加感性化、实用化(见表1)。

表1 项目案例

最后，改进线下教学具体实施方法。允许和鼓励学生带电脑上课堂，分组而坐，培养团队意识，提高分工合作能力。教师现场编写程序时可以适当放慢速度，便于学生跟进，利于学生入门。教师每讲解完一个项目，可将项目所有资料分享给学生，这些分享也可以在线上课堂进行。

2.线上网络教学

对于应用性很强的“硬件描述语言及应用”，光靠线下教学还不够，学生还不能真正学以致用，必须配备必要的线上教学，这种模式一开始占用教师的精力较多，但只要平时注意积累，1—2年即可建设成功[8]。这里的线上教学可以是录播也可以是直播，并不一定是教师学生同一时间借助某个平台上课，更多的是指教师和学生用网络平台进行交流,编程类课程更需要这种交流[9]。教师可以借助一些网络平台或者搭建一个网络学习平台，如果教师任务原本就繁重，也可以直接借用QQ群、微信群等完成线上教学。据腾讯公布的消息，2020年疫情中很多教师都利用QQ平台完成了线上远程课堂授课，说明QQ平台可以胜任线上网络教学[10]。教师将重要知识分片，录制一些10分钟左右的小视频，小视频的制作可以参考MOOC课程的建设，教师也可以将网上免费的相关视频放入平台上。这些小视频既可以讲解语法知识，也可以讲解项目、算法，介绍芯片功能，甚至可以是datasheets的讲解。视频可以课后录制，也可以是教师上课时请人在教室录制。有些视频甚至可以采取屏幕拷贝录制方式进行，如Quartus II软件的使用，步骤很多，学生不能一次性记住，教师可以采取屏幕录制方式，录好后放入网上课堂，便于学生随时学习。Quartus II软件的使用原本占用2个实验课时，这样一来学生利用课后时间便可以自行完成，节省的时间教师可以用来讲解更加高级的知识。平台上留有答疑页面，学生有问题可以随时留言，教师和学生均可以对问题进行解答。线上教学加强了教师和学生的交流，便于学生自学，对于实用性很强的课程以及学生毕业后可以赖以生存的技术，学生都愿意花大量时间学习。丰富的网络课程可以有效推进“因材施教”的教学理念，学生可以根据自身所需补充学习。对于学生的自学，教师可以提高平时成绩给予鼓励。线上教学一方面占用了教师的时间，另一方面也对教师的能力提出了更高要求，这种教学早期付出很多，后期需要适当加入一些内容即可。教师的付出需要得到认可，学校应给予精神和物质上的支持。目前各高校都推出了数量较多的教学类研究项目，教师也可以通过申请项目的方式解决经费问题，对于没申请到项目的课程，学校应投入“预研”经费以鼓励教师建设高质量课程。

三、改变考核方式

线下采用项目化教学提升教学效果，线上完成辅助教学完善教学内容，线上线下有机融合、优势互补的教学方式还必须配备新的考核方式，不能简单地通过一份试卷或者一份小论文来考核，而应该注重平时考核[11]。总评成绩采取平时考核×60%+期末考核×40%的方式进行，平时考核中注重学生对程序的理解、对算法的提炼，注重学生的设计能力和创新能力，期末考核中注重项目的完成情况、创新性、应用性和推广性。如果大量采用项目化教学，毕业的学生可能受到用人单位的高度认可，学生培养质量也会大幅度提高，那么实施项目化教学课程的考核方式就可以再进一步改变，甚至完全可以由平时考核完成整个课程的考核，教师则每一次课都对学生的学习情况进行记录和分析，并最终得出合理的成绩。对于特殊原因课上没有完成任务但课后通过自学弥补了不足的学生，教师应给予适当的宽容以提高学生学习的积极性。

结束语

本文根据“硬件描述语言及应用”的课程特点，深入探索了提高该课程教学质量的可行性改革方案，提出线上线下混合教学模式。线下采用项目化教学，教师精心挑选项目，融入理论知识，提升学生学习积极性，鼓励学生自己设计项目。线上有效利用网络课堂，促使学生自学，同时加强师生交流。线上线下融合教学模式是一种高效的教学方式，注重教学过程，注重学生的主体参与意识，师生一体，共同学习，共同进步。这种教学方式必将事半功倍，并适用于多数课程，成为教学的主流方式。