“新工科”背景下SOPC 實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革探討

楊 軍，孫欣欣，張 坤，田粉仙

（云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650091）

0 引言

我國正在全面實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展及“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”倡議等一系列重大舉措，目的是為了讓學(xué)生把理論與實(shí)踐相結(jié)合，掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)科學(xué)的基本理論、方法和技能[1]；培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，靈活多變、敢于創(chuàng)新的科學(xué)思維和刻苦鉆研、堅(jiān)韌不拔、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的科研作風(fēng)。建設(shè)與發(fā)展“新工科”是提高人才競爭力和深化工程教育范式改革、滿足國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求[2]。云南大學(xué)在“新工科”背景下也注重加強(qiáng)學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2017 年2 月以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”[3]。目前，云南大學(xué)信息學(xué)院所涉及的新工科專業(yè)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，其中主要包括數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算、人工智能、圖像處理等相關(guān)方向的研究。為響應(yīng)教育部的號(hào)召，云南大學(xué)信息學(xué)院將在這些基礎(chǔ)上探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)創(chuàng)新人才的作用[4-6]；同時(shí)，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和人才理念，建立科學(xué)、多樣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。可見，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量和效果進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)，順應(yīng)國家教育改革和發(fā)展的整體趨勢，對(duì)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、完善實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)理念與方法，最終提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重大意義。

1 當(dāng)前SOPC課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

基于FPGA 的SOPC 系統(tǒng)是以硬件描述語言為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)[7-8]，圖1所示為基于FPGA 的SOPC 嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系。該課程以電子、計(jì)算機(jī)編程等技術(shù)為基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)SOPC 實(shí)驗(yàn)課程的過程中，除了必備一定量的理論課程基礎(chǔ)和熟悉以FPGA 為基礎(chǔ)的硬件結(jié)構(gòu)以及開發(fā)軟件外，還要求能夠?qū)④洝⒂布Y(jié)合，在實(shí)際的編程設(shè)計(jì)中掌握硬件電路的開發(fā)技巧。

傳統(tǒng)的基于FPGA 的SOPC 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是以理論教學(xué)為主，先講解硬件描述語言和FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)軟件的學(xué)習(xí)，最后基于開發(fā)軟件生成的系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)箱上完成一些驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[9-11]。這種教學(xué)方法主要有以下幾個(gè)問題。

圖1 基于FPGA 的SOPC 嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系

（1）傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)很少將軟硬件結(jié)合起來進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA 的并行性也僅僅用于硬件實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的基于FPGA 的SOPC 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)以課本理論為主，教師在理論授課時(shí)通常只注重講解基本原理，內(nèi)容枯燥抽象，而且其實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)要求操作得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可，不注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，也不注重學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。例如，在講解基本的乘法器實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用圖2 所示的教學(xué)方式，學(xué)生往往一知半解，很難激發(fā)學(xué)生的興趣，也無法讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)的樂趣，更難以發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（2）在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生過分依賴?yán)蠋煹闹笇?dǎo)，在乎實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而忽略實(shí)驗(yàn)的過程，做SOPC 實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用Verilog 語言編寫乘法器，不驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性。學(xué)生即使產(chǎn)生了比較有創(chuàng)意的電路設(shè)計(jì)方法，也無法通過有效的實(shí)驗(yàn)手段去驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)過程中只能掌握最基本的軟件使用方法，無法深入地理解電路編程的編寫思想和實(shí)踐思路。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)安排分散，導(dǎo)致一些用時(shí)較久、規(guī)模較大、設(shè)計(jì)較先進(jìn)的綜合性實(shí)驗(yàn)無法有效地展開，進(jìn)一步降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

（3）最后，傳統(tǒng)的基于FPGA 的SOPC 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)考核分為期末考試和平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績，且實(shí)驗(yàn)部分注重實(shí)驗(yàn)完成的數(shù)量，不注重實(shí)驗(yàn)完成的質(zhì)量，使得一部分學(xué)生對(duì)于平時(shí)的學(xué)習(xí)過程和實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠重視；期末考試注重考前突擊復(fù)習(xí)，為了考試而學(xué)習(xí)，達(dá)不到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)目的。

因此，需要研究在“新工科”背景下的SOPC 課程的改革，從而培養(yǎng)一批創(chuàng)新型、實(shí)踐型人才[12]。

2 SOPC實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

2.1 采用案例式教學(xué)方法，改進(jìn)教學(xué)形式

案例式教學(xué)與傳統(tǒng)的課堂理論授課方式不同，它是通過對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的講解和適當(dāng)拓展，將課堂知識(shí)點(diǎn)整合到其中，以降低理論知識(shí)的抽象性，同時(shí)要求學(xué)生在教師講授案例的同時(shí)，邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐，在工程實(shí)例的實(shí)踐中學(xué)習(xí)到各種知識(shí)，這樣不僅能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，還能鍛煉學(xué)生在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，真正達(dá)到學(xué)以致用的目的。

以FPGA 實(shí)現(xiàn)乘法器為例，講解案例式教學(xué)的具體實(shí)施方案如圖3 所示。用案例式教學(xué)方法講授乘法器實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)首先讓學(xué)生單獨(dú)思考乘法器的構(gòu)成，結(jié)合自己的知識(shí)儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)出自己認(rèn)為最合理的乘法器原始電路；其次將學(xué)生以小組為單位分為若干組，進(jìn)行組內(nèi)討論，學(xué)習(xí)其他學(xué)生的設(shè)計(jì)思想；最后指導(dǎo)老師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行權(quán)威講解，并根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)的優(yōu)秀思路或誤區(qū)，針對(duì)性地進(jìn)行乘法器實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展指導(dǎo)，同時(shí)在指導(dǎo)老師的講解過程中，要求學(xué)生邊聽課邊實(shí)踐，在項(xiàng)目實(shí)踐中學(xué)習(xí)乘法器的理論知識(shí)。

圖3 基于案例式的乘法器實(shí)驗(yàn)教學(xué)

案例式教學(xué)方式也對(duì)教材有特定的要求，開課前不僅需要根據(jù)教學(xué)大綱精選實(shí)驗(yàn)案例，優(yōu)化整合課程教學(xué)內(nèi)容，選擇合適且經(jīng)典的工程應(yīng)用案例，還需結(jié)合學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備基礎(chǔ)，針對(duì)不同地區(qū)、不同學(xué)校的學(xué)生選擇合適的教材來設(shè)計(jì)案例，做到因材施教。

2.2 更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法，注重學(xué)生創(chuàng)造力培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加與工程案例相關(guān)的設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)為4 個(gè)等級(jí)：驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡單，旨在鍛煉學(xué)生能夠熟練使用SOPC 系統(tǒng)開發(fā)軟件和培養(yǎng)正確的SOPC 系統(tǒng)開發(fā)思維。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)有一定的難度，要求學(xué)生有足夠扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，且設(shè)計(jì)方法并非唯一，可充分鍛煉學(xué)生的思維創(chuàng)造能力，使其能夠設(shè)計(jì)出更合理、占用硬件資源更少的SOPC 系統(tǒng)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，為確保能在有限的時(shí)間內(nèi)完成此部分實(shí)驗(yàn)，可將學(xué)生分為兩人一組，在學(xué)生熟練使用SOPC 開發(fā)軟件的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和查閱相關(guān)資料完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，初步培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上展開的，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)FPGA 及其相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)出高效且實(shí)用的SOPC 系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)方法手段方面，改進(jìn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課件，針對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)使用不同的技術(shù)，讓學(xué)生全面地掌握基于FPGA 的SOPC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。例如，在乘法器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用圖4 所示的流程實(shí)施教學(xué)。

圖4 改進(jìn)的乘法器實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

首先通過驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)理解乘法器的硬件原理，再通過自學(xué)SOPC Building 和Qsys 組件，綜合運(yùn)用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)乘法器，達(dá)到全面掌握乘法器的設(shè)計(jì)目的；進(jìn)而以乘法器為基礎(chǔ)，通過綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出算術(shù)邏輯部件ALU；接下來通過自學(xué)FPGA 及其相關(guān)技術(shù)，在ALU 的基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)出并行運(yùn)算器，并以此并行運(yùn)算器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出高效且實(shí)用的科技作品；最后可將自己的科技作品申報(bào)國家創(chuàng)新項(xiàng)目、參加電子設(shè)計(jì)大賽、發(fā)表論文等。

以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法手段的改革緊緊圍繞實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新3 條主線，可以有效地鍛煉學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)與方法解決實(shí)際問題的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，將學(xué)生的學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)變?yōu)榭萍甲髌罚瑯O大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 改變考核方式

為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，需對(duì)實(shí)驗(yàn)成績考核進(jìn)行改革。實(shí)驗(yàn)成績考核的改革包括平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)操作成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績和綜合實(shí)驗(yàn)成績，其改革的核心是在實(shí)驗(yàn)課上推行座位實(shí)名登記表及現(xiàn)場檢查驗(yàn)證制度。

實(shí)驗(yàn)課采用按實(shí)驗(yàn)臺(tái)編號(hào)登記學(xué)號(hào)、姓名，實(shí)驗(yàn)完成后由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師現(xiàn)場檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確與否，再根據(jù)具體情況現(xiàn)場打分（A、A+、B、B+、C、C+）。學(xué)生的考勤也以登記表為準(zhǔn)，總計(jì)占實(shí)驗(yàn)成績的70%～80%。

3 結(jié)語

在“新工科”背景下，云南大學(xué)信息學(xué)院開設(shè)了新的專業(yè)以及新的研究方向。基于FPGA 的SOPC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電子類和計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一門必修課程，未來電子行業(yè)對(duì)FPGA 嵌入式人才的需求主要集中在SOPC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師上，目前我國高校開設(shè)的基于FPGA 的SOPC 實(shí)驗(yàn)課程存在過于注重理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)部分以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主、缺乏創(chuàng)新思維培訓(xùn)等問題，導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，達(dá)不到培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才的要求。因此，一套科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法就顯得尤為重要。

基于FPGA 的SOPC 實(shí)驗(yàn)課程自2015 年改革以來成果顯著。云南大學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的學(xué)生課外科技小組本碩學(xué)生共發(fā)表EI 檢索科技論文26 篇，其中，研究生18 篇，本科生8 篇；獲得軟件著作權(quán)8 項(xiàng)。2016 年指導(dǎo)本科課外科技小組獲得全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽全國二等獎(jiǎng)和云南賽區(qū)一等獎(jiǎng)，指導(dǎo)碩士生連續(xù)3 年獲得研究生電子競賽優(yōu)勝獎(jiǎng)，在學(xué)校組織的“互聯(lián)網(wǎng)+”比賽獲得一等獎(jiǎng)等。

通過采用案例式的教學(xué)方法、合理地選擇和設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、改變課程考核方式等措施，不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)：驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。