基于OBE理念的FPGA课程实验教学改革与实践

魏安静，凤 权，张明艳

（安徽工程大学 a.电气工程学院；b.纺织服装学院，安徽 芜湖 241000）

引言

OBE（Outcome Based Education）理念是由William Spady在1981年率先提出的，此后经过10年左右的发展，形成了比较完整的理论体系。OBE理念是工程教育专业认证的核心理念，是当前国内各高校高度认同并付诸实施的理念。OBE理念强调以能力产出为本位，被认为是追求卓越教育的正确方向。安徽工程大学注重工程应用型人才培养，强调坚持以高素质应用型人才培养为主要目标，突出训练学生解决复杂问题的能力。由此可见，OBE理念强调以成果导向的特点与高素质应用型人才培养的宗旨不谋而合［1］。FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA课程是面向电子信息类专业的必修课程，是以FPGA技术为教学内容，通过理论与实践，了解现代数字系统设计方法，掌握EDA软件的使用，训练项目开发、工程实践技能的专业教育实践课。FPGA是一门实践性很强的专业课程，该课程实验教学重在提升学生的动手能力，锻炼学生的独立思维能力和科研能力。现有的FPGA课程实验教学存在与学生培养要求不匹配的问题，亟待进行教学改革［2］。因此，进一步提高学生的动手能力、分析解决问题及团队协作的能力，对于培养应用型专业人才具有重要意义。

一、传统FPGA课程实验教学存在不足

（一）实验教学内容的启发性不足

传统的FPGA课程实验教学以验证性实验为主，实验前教师对实验目的、实验原理、实验注意事项等内容进行分析说明，然后学生按照实验指导书上的参考程序和实验步骤一步步完成并记录实验结果。但这种教学方式并没有获得良好的教学效果，很多学生甚至在完成实验之后还不清楚这些实验现象是如何产生和实现的，对于实验代码看不懂或不想看懂，学生的学习主动性差，无法锻炼学生的独立思维能力和创新能力。

（二）实验教学模式缺少创新性

传统的FPGA课程实验教学是以教师讲授为主，学生按照教师讲授的方法和步骤完成实验，这种教学方式过于单一，缺乏对学生动手能力的培养，不利于他们进一步深造和发展。实验前的预习过于形式化，简单地摘抄实验指导书上的内容，没有自己的设计方案和实验思路，实验目的不明确。实验结束时，教师只检查实验结果是否正确，没有对实验过程进行评估，对教学过程也没有持续改进，致使教学效果和学习效果一般。

（三）实验考核方式片面性

传统的实验考核方式往往是一考定结果的考核方式，以最后一个实验或根据出勤率和实验报告的成绩作为实验的最终成绩，没有形成闭环系统，不具有代表性和全面性。学生的实验成绩都差不多，没有一个完善的实验成绩评价体系，没有形成学习评估改进机制，缺少创新性和高阶性。

二、FPGA课程实验教学改革

（一）采用渐进式的以学生为中心的FPGA课程实验教学体系

根据电子信息类专业人才的培养要求，制定FPGA课程实验教学大纲。该课程的学习要达到两个课程目标：（1）了解现代数字系统设计的主流设计平台、设计方法、设计流程；锻炼学生查阅文献资料的能力，培养学生自主学习和终身学习的意识。（2）能够基于相关专业知识，采用科学方法对具体的数字系统设计中的工程问题进行研究，能分析与解释数据，并通过信息得到合理有效的结论。

本课程的任务是在理论联系实践中对学生进行现代数字系统主流设计方法的训练，增强工程实践能力，培养创新精神，拓宽工程视野，提高综合素质，为后续学习和从事相关专业技术工作奠定坚实的工程实践基础。我们把FPGA课程实验分成验证性实验、设计性实验和综合性实验，建立渐进式的实验教学体系［3］。在理论课教师介绍完主要的语法知识点之后，会给学生分配实验任务，两人一组，先从安装软件开始，全部独立操作，在确保软件能正常运行后，发放一个小程序进行验证测试，测试通过后，说明软件和设备完好，接下来就可以进行实验了。学生先预习流水灯的工作原理和需要达到的实验效果，然后分成分频模块和流水灯模块来实现。分频部分要求学生能实现任意分频，开发板的晶振时钟是50MHz，需要的时钟是1～10Hz，将程序下载至开发板上，我们的肉眼能识别。分频实验完成后，再进行流水灯的设计。首先要求实现从左向右的26个灯的循环亮灭，即每一个时钟到来时只有一个灯亮，依次向右，并循环，达到灯如流水的效果。这是每一个学生必须要实现的基本实验功能。基本实验功能完成后，要求学生做一些扩展功能。例如：基本功能是从左向右循环，能否实现从右向左循环？基本功能一个时钟只有一个灯亮，能否实现两个以上的灯同时亮并循环显示？基本功能是单方向的循环，能否实现双向的循环？等等。不断增加流水灯的功能，以达到不同的实验效果。如此一来，学生的积极性提高了，思考更深入了，对同一个实验能做出不同的实验效果。在实验过程中出现的问题，学生既可以在小组内讨论，又可以在小组之间交流，真正提高了学生的动手能力和分析解决问题的能力，同时培养了他们的团队合作精神。流水灯的实验设计流程如图1所示。

图1 流水灯实验流程

（二）采用启发式、线上线下混合的实验教学模式

整个教学过程分为课前、课中、课后三个阶段。课前推送学习视频和资料，供学生预习和思考。在预习过程中，学生要了解实验目的和实验原理，查阅相关资料提前设计实验方案。同时，布置预习测试题，测试通过后方可进入实验室。在实验中采用启发式、翻转课堂和线上线下混合的教学模式，以随堂提问和小组讨论的形式，激发学生的学习兴趣和热情，让他们积极参与到课堂教学中。在实验过程中，教师会观察每组学生的动态和实验进行情况，发现问题并及时给予指导，采用启发且循序渐进的方式，帮助学生优化实验方案，提高实验效率。在实验过程中，开展讨论和答辩，答辩通过后实验才算完成。实验结束后，教师通过智慧教学网络平台留课后作业和思考题，限时提交并进行在线评讲，起到复习和巩固知识的作用。对照教学大纲、教学目标和指标点的达成情况，及时评价实验效果，形成持续改进的闭环系统［4］。教学模式流程如图2所示。

图2 教学模式流程

与相关的企业合作进行人才培养模式改革，定期邀请企业工程技术人员来学校开展讲座，联合指导FPGA综合大实验，以市场为导向进行人才培养，缩短了学校培养的人才与企业需求的人才之间的差距，注重提高学生的实践应用能力，实现教育与生产的可持续发展。校企合作进行实验教学基地的建设和改革，有利于学生在实践中检验学到的理论知识，从而增强劳动观念，练就实践能力，培养综合素质。

（三）采用全过程、多元化的考核方式

弥补传统FPGA实验考核方式的缺陷，采用全过程、多元化的考核方式。最终成绩由课前预习（25%）、课堂表现（50%）和课后思考与总结（25%）三部分组成。课前预习智慧教学平台推送学习视频和学习资料，让学生了解实验目的、实验要求和实验内容［5］。以流水灯为例，主要考查学生对实验方案设计的完整性和可行性。课堂表现主要看学生在实验过程中的动手能力及分析解决问题的能力。像流水灯实验，每个实验成绩按百分制记分，完成基本功能得50分，每完成一个扩展功能加10分，每个实验结果都要经过教师的检查和验收，学生完成的功能越多越复杂，加分就越多。课后考核主要是学生作业和思考题的完成质量，还有对本次实验的收获与不足及改进措施，主要考查学生综合运用所学知识的能力［6］。从考核的权重来看，更注重学生在实验过程中的动手能力和分析解决问题的能力。具体考核依据如表1所示。

表1 考核依据

结语

本文探索了在OBE理念下，更加符合学生现状、贴近人才培养目标的FPGA实验教学新模式。通过教学改革，突出以学生为中心的教学理念，学生的主体地位得到了加强，学生学习的主动性和积极性得到了提高，分析问题、解决问题的能力也得到了有效提升。在实践过程中，学生不仅掌握了FPGA课程的基本理论和设计方法，还培养了综合应用知识的能力和工程实践能力，形成了大国意识，崇尚工匠精神。