基于项目驱动的FPGA实验教学浅析

赵善珍 胡仕刚

摘要：为了提高学生的就业竞争力，在促进学生项目式编程方面，提出了一种基于项目驱动的FPGA实验教学。通过三位一体的教学模式，即对项目的设置、实施、总结及考核等三个方面的教学尝试，极大地提高了学生的学习积极性。实践证明，项目驱动教学的实施使得教学的质量，促进了学生的就业能力。

关键词：项目驱动;FPGA;实验教学

近年来，随着科技的发展，现场可编程门阵列（FPGA）技术满足实验中对数据的并行处理，性能稳定且便于携带，可无限制的重新编程等特点，这是传统的串行处理系统不能与之相比的。由于其可靠性较高，FPGA技术在医疗检测、军工和航空航天领域得到广泛使用[1]。

为了让学生更好的了解科学技术的前沿知识及应用及学生的就业问题，我校特地开设了关于FPGA技术的一些嵌入式系统课程[2]。然而，学生如何能够从这个过程中获益并找到有效的教学方法，不仅非常重要，而且更加实用。

1.项目驱动教学的重要性

项目驱动教学法的目的在于通过老师的引导，在教学过程中，学生如何发现问题，提出疑问，并且能够独自解决问题[3];通过这种教学方式，培养了学生的创造意识、实践能力、分析问题和解决问题的能力，培养了学生的职业技能。而传统的教学方式旨在教给学生一些枯燥的理论知识，达不到教、学、做三者合一的教学模式，很容易把学生引向厌学甚至辍学的心理。因此，在未来的教学过程中，应大力提倡以项目为导向的教学法。

2.基于项目驱动的FPGA实验教学

2.1选择FPGA开发平台

实验开发平台的板卡采用Altera Cyclone IV FPGA，以芯片号EP4CE6E22C8为核心，可实现VGA接口、数码管、SDRAM、LCD1602、LED、独立按键及矩阵键盘等资源配置。此板卡可实现FPGA的入门学习的基本要求。相比于Cyclone II FPGA，Cyclone IV FPGA的成本与功耗都有所降低，设计精巧，具有足够发挥HDL逻辑电路的能力，实现最大的性能，具有更多的价值。实验采用Verilog HDL硬件描述语言在软件Quartus II 13 中进行编写程序，向学生介绍实验所需的软件和硬件的基本知识与应用[4]。

2.2项目设置

项目设置是开展项目驱动教学的一个重要环节，教师需要根据实际的教学进度与计划来选择合适的项目[5];项目的选择需要覆盖所学课程的核心内容，需要把理论知识与实践相结合才能提起学生对知识的渴望和兴趣;教师在选择项目教学时所选的项目都是有针对性的和代表性的特点，在教学时会对某个项目的知识點，从理论知识出发，从浅入深，层层递进，逐步深入，从简单的知识到复杂的系统体系，从而引发学生对所学知识的兴趣，再逐步引导学生去发现问题，提出疑问，到最后解决问题。

2.3项目实施

在教学实施过程中，教师将班里的学生分为若干组，但人数的多少要根据每次的任务量而定，要确保每位学生都能参入其中。教师在每个项目的制作过程中也可以相对性的设计若干个小实验，提出对应的问题供学生去解答。在学生学习初始阶段，教师可以根据理论知识设计并且演示几个相对简单的小实验，以引发学生的对学习的乐趣，并鼓励学生大胆尝试，去仿写相似的实验。在学习期间，根据实际情况，给学生安排课上和课下的任务，加强学生的自学能力;学生在做任务时，可以通过组内讨论，组间讨论，上网查阅资料及请教老师等方式，尽量每位同学都能通过学习有所收获。每当学生遇到难题时，教师应多鼓励学生自己想办法，如若还不能解决问题，教师可以帮助学生提供解题思路或者演示解题方法供学生参考。根据理论知识的进度，实验的内容主要分为两个人部分，第一部分主要包括一些基础实验，分别为Quartus II 13.0 开发软件的使用，全加器及带进位输入的加法器、计数器（并行加载、异步清零、同步使能）、数控分频器、流水灯（状态机：MOORE机、MEALY机）七段数码管的显示等等;通过这些基础的实验让学生练习所学的理论知识，了解Verilog HDL 硬件描述语言的自上而下的设计理念，基本语法结构和基本概念，模块结构与数据类型。第二部分属于进阶性实验，主要包括交通灯控制器、数字时钟设计实验、电子密码锁设计实验等等;这部分实验是运用基础实验去构建一个综合性项目。通过这些项目的练习，循序渐进，从易到难，激发学生的创新能力，可以更直观的达到教学目的。

2.4项目总结及实践考核

项目驱动教学与以往的传统教学方式不同，是教、学、做三位一体化的新型教学模式，学生为主，教师为辅，培养学生的发现问题，分析问题和解决问题的能力。项目完成后，每位学生需根据自己小组所选的项目写一篇项目总结，总结的内容包括项目总体解题思路，分析实验设计的优缺点，个人所做的工作以及实验的结果;项目实践考核成绩主要以项目的成果为主，每个小组须选出一位学生作为代表去讲解解题过程并做项目成果演示，小组的其他同学可以做补充。其他的成绩根据学生的课内表现，实验报告等视情况而定。

3.结语

通过项目驱动教学，促进了FPGA技术及其理论知识进步的更紧密联系，并充分鼓励学习者以创新思维激发自己，提高实践技能，提高教学效率，充分考虑课程的目的。基于项目的培训计划培养学生并提高他们的实用性、发现和解决问题的能力，并增加他们的就业机会。

参考文献：

[1]张杨，徐艳，朱家村，等. 嵌入式技术的应用研究[J]. 科技信息，2014（2）：147-147.

[2]余国良. 嵌入式图像处理系统中FPGA重构技术 研究[J]. 华中科技大学， 2015.

[3]朱向庆， 胡均万， 曾辉，等. CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究[J]. 实验技术与管理， 2012， 29（11）：4.

[4]罗杰， 康华光. 两种硬件描述语言VHDL/Verilog的发展及其应用[J]. 电气电子教学学报， 2002， 24（004）：1-5.

[5]雷芳， 余翔， 刘乔寿，等. 促进自主学习的课程考核方式的实践[J]. 教育研究， 2022， 5（1）：137-140.

通信作者：胡仕刚（1980-），男，湖北咸宁人，博士研究生，教授。从事集成电路设计教学与研究工作