基于FPGA技术的参与式教学在“数字电路与逻辑设计”课程中的应用

张琥石 陈妮 何婷婷 黄千芮 莫宁宁

广西医科大学 广西南宁 530021

1 研究背景

“数字电路与逻辑设计”为生物医学工程专业的一门主干课程，在整个生物医学工程专业教学中具有重要地位。此门课程作为“单片机原理与应用”“医用传感器”等多门专业课的前置课程，要求学生不仅需要掌握其基本理论知识，还要求学生能系统地掌握和应用数字电路进行电路分析、应用和设计，这些技能可以称得上生工专业的“看家本领”。

然而在实际教学中，此门课的实际教学效果并不是很好，从教师和学生两个角度进行调查发现，目前的“数字电路与逻辑设计”教学主要存在“四个脱节”。

(1)教学内容与数字电路的前沿发展趋势脱节。数字电路是一门新兴学科，发展日新月异，每年都涌现大量的新技术、新产品。而目前我们使用的教材中很多内容已经陈旧过时，与当前数字电路的发展前沿脱节。目前FPGA早已成为数字电路领域研究的热点，也被广泛应用于各类数字电路的设计中，是数字电路未来的发展方向。然而在目前数字电路的实际教学中，几乎没有介绍FPGA的相关知识，反而用了很大篇幅讲解TTL电路。

(2)理论课与实验课脱节。然而目前这门课的实验课设计存在着很多问题，首先，实验课设计了大量74系列的TTL电路实验，而TTL系列属于淘汰产品[1]，学生无法从中学习数字电路最前沿的知识；其次，目前的实验大部分属于验证性实验，学生在实验前已经知道结果，实验过程只是机械地重复操作，这样无益于学生创造性思维的培养；再次，因为实验课时所限，只能设计一些小规模电路实验，这类实验容量小，无法涵盖理论课的各个知识点，有一些知识点学生无法通过实践来巩固。综上所述，目前的实验课设置是存在问题的，与理论课相脱节。

(3)传统的授课方式与当前课程的实际需求相脱节。传统的“老师讲、学生听”的传统教学模式显然无法在一节课的时间里讲明讲透很多复杂的数字电路知识点。因此，传统教学模式在“数字电路与逻辑设计”教学中就遇到了困难，影响了学生对学习的理解。

(4)课前、课中、课后脱节。“数字电路与逻辑设计”每次课有三个学时，时间长，课程信息量大，因此老师多次强调必须要做课前预习，以保证听课效果。然而由于本门课程的课本和实验指导书内容多，难度大，学生很难在没有老师的指导下进行自主学习，这就使学生容易产生倦怠感。在调查中发现，仅有3.3%的学生认真进行了预习，而60.71%的学生认为课本的资源没有整体导航，无从看起。课后作业是巩固知识的重要手段，但因为学生在课中掌握的知识点不牢，课后作业写起来也困难重重，最终大部分流于应付。

FPGA(Field Programmable Gate Array)全称为现场可编程逻辑门阵列，是近年来广泛使用的一种数字电路，代表了数字电路发展的最前沿技术，器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效地解决原有的器件门电路数较少的问题，具备速度快、功耗低、可拓展性强等优点，目前广泛应用于各类数字电路的设计[2]。

“互联网+”时代的到来，以及网络技术的发展，传统的学习模式也在发生着变化，参与式教学进入了我们的视野。参与式教学是指以学生为中心，根据学生需求设计富有趣味、意义和挑战性的学习活动，运用多种教学方法营造轻松和谐的课堂氛围，鼓励学生积极、平等参与到教学过程中的一种学习方法[3]。教师作为协助者、引导者等角色，激发学生学习动力，使学生积极参与到课堂中来，在互动中建构知识、提高能力、体验情感、激发潜能。

基于FPGA技术和参与式教学的这些特点，我们将FPGA技术引入目前的数字电路教学中，让学生有机会接触数字电路的最前沿技术。运用参与式教学方法将这一全新的技术教授给学生，让学生更好地参与到教学过程中来。而利用参与式教学表现力强、便于师生互动的特点，解决目前教学中出现的学生学习积极性不高、理解困难等难题。因此，基于FPGA技术，在“数字电路与逻辑设计”课程中开展参与式教学中是有实际意义的。

2 开发平台选择

FPGA的教学是基于开发板展开的，我们选用了小脚丫STEP-MXO2二代FPGA开发板，此板采用了DIP40封装，板卡尺寸为52mm×18mm，小巧精致，携带方便。另外，板载资源也是十分丰富，包含4路轻触按键、4路拨码开关、8路用户LED、2路RGB_LED三色灯[4]。其最大的优势是体积小巧、引脚齐全，学生即使不在实验室也可以使用。此板还提供了大量外接模块，使用杜邦线连接后即可拓展功能，完全符合我们的教学需求。

FPGA是一个很大的概念，其中包含了众多的知识点，然而并不是要在一个学期的“数字电路与逻辑设计”教学中教授全部的这些知识点，这显然是不现实的。因此，我们要根据学生和课时的实际情况，选出适合出现在我们的“数字电路与逻辑设计”课程的教学之中的知识点，将适合以参与式教学为载体的知识点传授给学生。

在知识点的设置上，主要分为硬件和软件。软件上要掌握的知识点为Verlog HDL语言、Quartus Prime软件的使用、ModelSim仿真软件的使用。硬件知识主要是介绍开发板的硬件资源与接口，以及各拓展模块的硬件电路。理论课与实验课互相结合，开展参与式教学，把新的知识点尽快融入整门课的教学体系。

本项目在相关教育教学理论的指导下，依托参与式教学，在“数字电路与逻辑设计”课程中引入FPGA相关内容的教学，以达到提升教学质量、提高教学效果、满足学习者的自主学习、激发学习者学习热情的目的，与课堂授课相结合，解决目前教学中出现的相关问题。

3 教学模式设计

引入FPGA相关知识点后，开展参与式教学。参与式教学终究只是手段，目的是要把它运用到实际教学中，顺利引入FPGA知识点，提升教学水平。本项目拟将基于FPGA知识点，开展参与式教学。

在横向上，依托虚拟仿真实验教学平台，将一节实验课分为“课前模块”“课中模块”和“课后模块”三个模块。在纵向上，将传统的课堂教学与虚拟仿真实验教学平台相结合，开展参与式教学。

根据参与式学习的特点，将一次课分为“课前模块”“课中模块”“课后模块”三大部分。

“课前模块”，准备“课前引入材料包”，这个材料包包括PPT、视频、图片、微课等多种教学素材，素材力争做到较好的交互性与趣味性，目的是让学生对这节课要讲授的知识先进行学习，引导学生进行预习。同时利用“小脚丫”开发板不在实验室也可以使用的特点，让学生在“引入包”的引导下提前接触实验，接触开发板，在自行摸索的过程中激发学生思考，做到带着问题进入课堂，同时能够吸引学生，使学生能更好地参与到教学过程中。

“课中模块”，在参与式教学中，教师主要起引导作用，在上课前，随机抽取几位学生用PPT讲述一下自己在课前学习的收获、遇到的问题。老师通过他们的讲述，掌握学生课前自学的情况，找出他们学习中的薄弱环节，同时也引起学生的共鸣。针对薄弱环节，组织学生进行小组讨论，开展参与式教学。根据大家的讨论结果，教师做到“有的放矢”，有针对性地开始授课。在授课过程中，讲授到关键知识点时，再次与学生互动，通过提问的方式，再次加深学生的认识。

经过课前的独立学习及课中的反复学习巩固应用，学生会对FPGA知识点有一个整体性了解和掌握，学生“主动学习”为主，“被动接受”为辅，教师“引导教学”为主，“包揽教学”为辅，培养学生的主观能动性，提升学生习热情，为实际实验操作打下坚实基础。课后教学评价对教师的教学活动开展发挥着重要的导向作用，是促进课堂教学模式改革、提高课堂教学有效性的重要手段。

“课后模块”针对学生在课堂上的表现，有针对性地布置课后作业，并通过各类社交软件与学生保持交流，及时解决学生作业中的问题。通过统计学生作业完成的情况，教师及时掌握学生知识点掌握的情况。

通过开展参与式教学，构建“课前、课中、课后教学模块”，极大地拓宽了课程的宽度与广度，让一节课可以容纳更多的内容。同时也极大地激发了学生的学习热情与兴趣，让学生更好地参与到整个教学过程中。因此，我们可以借助参与式教学，改变以往数字电路课程老师主讲的传统方式，本课题将把参与式教学与FPGA技术相结合，以参与式教学为媒介，在“数字电路与逻辑设计”课程中引入FPGA相关教学内容，以学生为主体，构建“课前—课中—课后”三位一体的教学模式，充分参与式的教学特点打破时空的限制，使得学生能更好地参与到教学过程中，提升教学效果。

“数字电路与逻辑设计”是一门实践性很强的课程，而目前的实验课由于课时的限制，只能设置一些简单的验证性实验，而对于设计复杂、耗时多的设计性实验则难以展开。这就导致学生缺乏自己设计电路的经验，严重影响了学生动手能力的培养。而引入FPGA相关知识点后，增加了实验的复杂度，课时更显吃紧。而参与式教学可以很好地解决这一问题，该方法打破了“课上—课下”的限制，学生可以通过“课前模块”学习FPGA实验的相关内容，这样在实验课的有限时间内，就能完成一个较复杂的FPGA设计性实验。通过引入参与式教学，可以对原有的实验课模式进行改革，加入更多的设计性实验，这样不仅能加深学生对数电知识的理解，还能培养学生的动手能力。

4 实施效果

选取20级生物医学工程专业的学生作为对照组，采用传统的教学方式进行教学；而选取21级生物医学工程专业的学生作为观察组，开展基于FPGA的参与式教学。通过调查问卷，以及期末成绩对比，比较两种教学方式的教学效果。

调查问卷主要包含“对本门课程理论课教学满意程度”“对本门课程理实验课课教学满意程度”以及对“本次课的课堂氛围满意程度”，选项5分为最满意，1分为最不满意，以下为调查结果。

图1 理论课满意度问卷调查结果

图2 实验课满意度问卷调查结果

从上面的统计可以看出，观察组在三个调查中给出4分以上的人数比例增多，而2分以下的人数明显减少。因此我们可以得出结论，通过引入FPGA相关知识，开展参与式教学，能够活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，使学生能更好地参与课堂活动，显著提升学生课堂满意度。

课堂教学完成后，比较两班期末成绩，分析两种教学方法下学生对知识的掌握程度。

两组学生期末平均分比较表

从上表中可以看出，观察组的学生成绩比对照组的学生高出了12.1分。因此我们可以认为，通过开展参与式教学，学生能够更好地吸收和理解所教授的知识点，起到了提升课堂教学效果的作用。

5 结论

将FPGA内容引入“数字电路与逻辑设计”课程，增加了课程内容，增大了课程的难度，学生学习与理解遇到了新的问题。本研究创造性地引入了参与式教学法，以参与式教学法为媒介，向学生教授FPGA相关知识。构筑了“课前”“课中”“课后”三个模块，针对知识点进行量身定做，选用最适合的方式进行展示，这样知识点经过精心编排，实现主题突出，内容具体。极大地拓展了课程的宽度与广度，以学生为主体，让学生参与到整个教学过程中来，激发学生的学习兴趣，帮助学生更好地掌握FPGA相关知识。经过实践后发现，较之传统的教学方法，该教学模式能显著提高学生的参与度与课堂满意度，提升教学效果，能够解决目前在“数字电路与逻辑设计”课程教学中出现的实际问题，是一套行之可效的教学方法。