基于工程教育認(rèn)證機(jī)制的FPGA課程改革研究和實(shí)踐

凌味未+馬文英+姚堯+石躍+陳祝

摘 要：在我國工程教育認(rèn)證國際化步伐加速的背景下，為電子和計(jì)算機(jī)類工程專業(yè)課程建立“能力導(dǎo)向”的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置過程化考核環(huán)節(jié)和評(píng)分機(jī)制顯得尤為迫切。本文以通信工程專業(yè)本科課程《FPGA技術(shù)》為改革對象，結(jié)合國際工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，從教學(xué)大綱設(shè)計(jì)，課程達(dá)成度計(jì)算和實(shí)施效果評(píng)價(jià)三個(gè)方面簡明扼要地介紹了工程教育認(rèn)證機(jī)制在該課程中的推廣情況。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；FPGA；課程改革；達(dá)成度；實(shí)施效果評(píng)價(jià)

一、 引言

2016年6月2日在吉隆坡召開的國際工程聯(lián)盟大會(huì)上，中國成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會(huì)員。這是我國高等教育發(fā)展的一個(gè)里程碑，不僅意味著我國工程教育的質(zhì)量得到了英、美等發(fā)達(dá)國家的認(rèn)可，更標(biāo)志著中國高等教育將真正走向世界。《華盛頓協(xié)議》體系的一個(gè)突出特點(diǎn)是建立“能力導(dǎo)向”的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，有效考核“教育產(chǎn)出”（學(xué)生學(xué)到什么）的效果。相關(guān)能力指標(biāo)對教師和教學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)課程提出了明確的方向和要求，教師在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，不僅要指導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題和開展獨(dú)立研究的能力。因此，針對課程體系的主要特點(diǎn)設(shè)置過程化考核環(huán)節(jié)和評(píng)分機(jī)制顯得尤為重要，主要表現(xiàn)在：過程化考核環(huán)節(jié)的設(shè)置可以全程監(jiān)控教學(xué)效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問題的環(huán)節(jié)，利于查漏補(bǔ)缺；而相關(guān)評(píng)分機(jī)制可以提供量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，特別是對課程達(dá)成度的計(jì)算，可以輔助教學(xué)環(huán)節(jié)持續(xù)改進(jìn)。

二、 改革內(nèi)容

（一） 教學(xué)大綱設(shè)計(jì)

面向目標(biāo)達(dá)成度的教學(xué)設(shè)計(jì)改革首先需要在《FPGA技術(shù)》課程的教學(xué)大綱中建立課程目標(biāo)與通信工程專業(yè)畢業(yè)要求之間的關(guān)系，該課程的兩個(gè)目標(biāo)分別對應(yīng)畢業(yè)要求的兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)：目標(biāo)1（熟悉FPGA的開發(fā)流程，掌握在其相關(guān)硬件平臺(tái)上進(jìn)行組合與時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法，熟悉狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)）對應(yīng)能力指標(biāo)3.2（掌握通信工程專業(yè)知識(shí)，具有設(shè)計(jì)開發(fā)滿足特定需求的電路模塊、軟件模塊和通信系統(tǒng)的能力）；目標(biāo)2（熟悉FPGA的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握運(yùn)用Verilog語言描述數(shù)字電路基礎(chǔ)模塊的方法，掌握Testbench的編寫和在模塊測試中的應(yīng)用）對應(yīng)能力指標(biāo)5.2（具有運(yùn)用通信工程專業(yè)工具，對通信系統(tǒng)中軟、硬件模塊進(jìn)行預(yù)測和模擬的能力）。

接下來，在課程中設(shè)定具體考核環(huán)節(jié)來支撐前面所提出的二級(jí)指標(biāo)3.2和5.2，具體思路為：課堂測試、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和卷面考核四個(gè)環(huán)節(jié)支撐指標(biāo)3.2；文獻(xiàn)閱讀、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和卷面考核四個(gè)環(huán)節(jié)支撐指標(biāo)5.2。這樣就把較寬泛的畢業(yè)要求轉(zhuǎn)換成較具體的能力指標(biāo)，并結(jié)合課程內(nèi)容對能力指標(biāo)的考核設(shè)定了具體環(huán)節(jié)。

（二） 課程達(dá)成度計(jì)算

課程達(dá)成度計(jì)算是把考核環(huán)節(jié)對能力指標(biāo)的支撐進(jìn)行量化的過程，分兩個(gè)步驟：第一，確定各類考核環(huán)節(jié)的權(quán)重和具體環(huán)節(jié)的分值，《FPGA技術(shù)》課程的教學(xué)大綱中限定了平時(shí)成績和考試成績在總評(píng)成績中的權(quán)重比例是4∶6，其中平時(shí)成績包括文獻(xiàn)閱讀、隨堂測試和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三個(gè)部分，分?jǐn)?shù)分布及支撐情況為：文獻(xiàn)閱讀10分，支撐5.2；隨堂測試3次，共15分，支撐3.2；實(shí)驗(yàn)5個(gè)，共60分（實(shí)驗(yàn)一、二占15分，實(shí)驗(yàn)三到五各占15分），這里，實(shí)驗(yàn)一到三支撐5.2，實(shí)驗(yàn)四和五支撐3.2。期末考試成績包括填空題、名稱解釋、簡答題和設(shè)計(jì)題四個(gè)部分，分?jǐn)?shù)分布和支撐情況為：填空題15分、名稱解釋10分、簡答題30分，共同支撐5.2；設(shè)計(jì)題45分，支撐3.2。

第二，在課程結(jié)束后抽取一定數(shù)量的學(xué)生（通常為一個(gè)自然班）作為課程達(dá)成度計(jì)算樣本，通過計(jì)算各個(gè)考核環(huán)節(jié)所有樣本的平均分?jǐn)?shù)來確定本課程所支撐的各個(gè)能力指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度評(píng)價(jià)值。這里，3.2和5.2兩個(gè)指標(biāo)點(diǎn)分別對應(yīng)了若干個(gè)考核環(huán)節(jié)和考核內(nèi)容，相應(yīng)評(píng)價(jià)值的計(jì)算方法為該指標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)平均考核成績除以教學(xué)活動(dòng)的滿分值。即：

指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度值=樣本考核成績的平均值（B）考核成績的滿分值（A）

其中，支撐指標(biāo)3.2滿分值（A）的計(jì)算公式為：平時(shí)考核×40%+期末考試×60%= 45×40%+45×60%= 45；而支撐指標(biāo)5.2滿分值（A）的計(jì)算公式為：平時(shí)考核×40%+期末考試×60%= 40×40%+55×60%= 49。另外，由于平時(shí)成績中考勤15分不作為支撐依據(jù)，按15×40%= 6，與上述兩部分分?jǐn)?shù)相加總和正好為100分。

將通信工程專業(yè)2014級(jí)本科1～4班作為考核樣本，得到各環(huán)節(jié)平均分?jǐn)?shù)情況如下：平時(shí)考核環(huán)節(jié)中，文獻(xiàn)閱讀平均分6.8；三次隨堂測試平均成績分別為3.3，3.9和3.2；各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的平均成績?yōu)閷?shí)驗(yàn)一、二13.1分，實(shí)驗(yàn)三12.9分，實(shí)驗(yàn)四12.8分，實(shí)驗(yàn)五12.3分。期末考試中，各題型的平均成績?yōu)樘羁?.9分，名詞解釋5.4分，簡答題24.7分，設(shè)計(jì)題 27.3 分。

綜上所述，經(jīng)過加權(quán)后，支撐3.2的各環(huán)節(jié)樣本成績總平均值（B）為30.6，而支撐5.1的各環(huán)節(jié)的總平均值（B）為37.1，由達(dá)成度值計(jì)算公式得出該課程對畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)3.2和5.2的總達(dá)成度分別為0.68和0.76。

三、 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

（一） 平時(shí)考核分析

在平時(shí)考核環(huán)節(jié)中，實(shí)驗(yàn)一、二和三的達(dá)成度都比較高。一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)內(nèi)容比較基礎(chǔ)，與講授內(nèi)容結(jié)合度比較高；另一方面，實(shí)驗(yàn)操作中軟硬件結(jié)合緊密，且入門難度較低，特別是實(shí)驗(yàn)一里面，對DE2板的測試內(nèi)容有一部分和大一階段已開設(shè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類課程相關(guān)。

第一、三次作業(yè)和第五次實(shí)驗(yàn)的完成情況都不理想。第一、三次作業(yè)分別考核了對FPGA開發(fā)原理的深入理解和運(yùn)用Verilog語言準(zhǔn)確描述重要的時(shí)序功能，平均分在及格線附近說明對課堂上重要知識(shí)點(diǎn)的理解還停留在表面。第五次實(shí)驗(yàn)是復(fù)雜時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，對綜合運(yùn)用FPGA開發(fā)技術(shù)的要求較高，該實(shí)驗(yàn)的平均分是所有實(shí)驗(yàn)中最低的，說明很多同學(xué)對復(fù)雜設(shè)計(jì)實(shí)例的整體把握能力還較差。

此外，文獻(xiàn)閱讀環(huán)節(jié)對指標(biāo)5.2的達(dá)成度貢獻(xiàn)偏低，這主要因?yàn)閷W(xué)生對調(diào)研題目的理解程度有較大差異，且課后愿意投入的時(shí)間也因人而異。

（二） 期末考試分析

從期末考試的考核內(nèi)容看，簡答題部分占的權(quán)重最高，且完成情況也最好，對指標(biāo)5.2的貢獻(xiàn)很大。簡答題部分主要考核FPGA的基本硬件原理，芯片識(shí)別，及Verilog基礎(chǔ)語法。這些內(nèi)容都是課堂上和實(shí)驗(yàn)中反復(fù)強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)，受學(xué)生關(guān)注度較高。

設(shè)計(jì)題的平均分僅占該項(xiàng)滿分的61%，大大降低了指標(biāo)3.2的達(dá)成度。再次反映出許多學(xué)生對Verilog語言的運(yùn)用還停留在表面，對基本開發(fā)流程也不夠熟練。

四、 結(jié)語

在我國工程教育認(rèn)證與國際標(biāo)準(zhǔn)迅速接軌的大環(huán)境下，工程背景較強(qiáng)的專業(yè)課程亟待建立更科學(xué)的教學(xué)框架和完善的考核體系。《FPGA技術(shù)》這門課程屬于電子和計(jì)算機(jī)學(xué)科的交叉范疇，又有廣闊的工程應(yīng)用空間，把該課程納入工程教育專業(yè)認(rèn)證能起到很好的示范作用。本文結(jié)合國際工程教育認(rèn)證機(jī)制的主要特點(diǎn)，系統(tǒng)扼要地介紹了該課程的教學(xué)改革設(shè)計(jì)框架及初步實(shí)施效果，希望能為工程教育認(rèn)證的深入推廣提供有價(jià)值的參考。

五、 致謝

感謝成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的資助。

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作者簡介：

凌味未，馬文英，姚堯，石躍，陳祝，四川省成都市，成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院。endprint