基于verilog HDL的FPGA應用設計的高職課程教學探究

李志貴?劉睿強?周勝

摘 要：FPGA技術的相關課程具有實踐性和應用性非常強的特點，結合高職學生的實際情況，本文闡述了FPGA技術的課程教學改革的基本思路，旨在提高學生的團結協作、溝通交流和分析解決問題等能力，進一步滿足用人單位的需求，從而提高學生的就業競爭力。

關鍵詞：FPGA;高職課程

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列，是1985年美國Xilinx公司率先推出的一種新型的可編程邏輯器件。其具有規模較大、集成高、靈活性強和實現邏輯范圍廣的特點。這些特點既克服了原有可編程邏輯器件規模小，又解決了專用集成電路投片成本高和開發周期長的不足。FPGA現常用于專用集成電路設計的原型驗證，以便及早發現仿真工具不容易發現的錯誤并及早更改，避免投片損失。隨著FPGA 技術的快速發展，其在視頻圖像處理、通信技術、數字信號處理和嵌入式等領域得到廣泛應用。

近年來，隨著國家對集成電路產業的高度重視，整個行業對FPGA相關的高素質人才需求急劇增加。經過大量的網絡調研，行業企業急需的崗位主要集中在基于FPGA的數字芯片原型驗證和FPGA應用設計兩方面。為滿足社會需求，各高校電子類相關專業開設了硬件描述語言和FPGA應用技術等相關課程。但是由于高職學生對數字電路和編程基礎等課程掌握不夠扎實，再加上學校實訓條件及師資的嚴重短缺，授課教師會有意識地偏重講授硬件描述語言等理論課程，而在FPGA應用技術方面投入的精力相對較少。這就直接導致高職學生理論知識學習效果差，實踐操作也未跟上，整體技能掌握的效果不佳，在就業時也就難以滿足企業的要求。因此，《FPGA應用設計》相關課程教學改革具有現實意義。

學校課程團隊成員就行業企業對FPGA人才的需求進行了詳細的調查與分析，同時提出了初步的課程整合方案，重新設計教學內容，新增部分實踐教學內容，重新制定了《FPGA應用設計》課程的考核及評價標準。課程整合主要包括《FPGA應用設計》和《verilog HDL硬件描述語言》兩門課程合二為一。在學生掌握硬件描述語言基本語法的同時，更加強調學生對FPGA器件的應用能力，鼓勵學生養成自主學習的能力，鼓勵學生加入成立的“工匠工坊”并積極參加相關的技能競賽，培養學生的工匠精神。從而提高學生的工學一體化的思想，并使學生潛移默化地形成創新性思維，具有行業企業認可的工程素質和實踐能力。基于上述思想，課程改革的思路基于如下六點進行實施：

1）明確教學目標，滿足企業需求。即通過對集成電路相關企業級網絡進行調研，掌握企業對學生在FPGA技術方面的技能需求，從而進一步明確FPGA技術的教學目標。為應對各企業的發展方向不同，開發工具也不盡相同的情況。教學目標應該重基礎、多實踐。在扎實的理論基礎上，讓學生多接觸典型的開發工具及開發環境。

2）整合課程資源，改變教學形式。根據專業特點、企業需求和教學目標，對原FPGA技術相關課程的教學內容進行深入分析，依據教學內容的關聯程度，制定課程整合方案，調整教學計劃，合理安排授課內容，做好銜接，充分利用教學資源。使學生同時掌握公司的典型開發環境，代碼編輯工具以及基本的系統級設計方法。

3）調整實訓計劃，提高學習興趣。Verilog硬件描述語言實驗通常以Modelsim仿真為主，基本只能通過波形確認代碼的正確性，顯示不夠直觀，學生的學習興趣大大降低。因此需要增加FPGA開發實訓項目，增加的實訓項目最好是肉眼可以直觀地觀察效果，其高學生的學習興趣，從而讓學生熟悉開發板結構、核心器件及外設結構、連接方式，真正能熟悉開發工具，熟練掌握開發流程，鼓勵學生多動手、多實踐，真正做到學以致用。

4）加強師資培訓，緊跟時代步伐。由于微電子行業技術更新快，新技術及新工具層推出層出不窮，而學校常常又遠離技術更新的核心區域。因此必須加強師資隊伍建設，進行定期的技術培訓，及時更新授課老師的知識體系。通過定期培訓，可以為課程中的開發工具及實訓內容進程及時的更新，以和最新的行業企業需求保持一致。同時通過參加培訓，使授課教師能有更多的機會直接與企業行業的一線技術開發工程師進行面對面地交流。及時了解行業的最新動態、趨勢、技術和主流的開發工具，更好地將最新的設計理念及行業信息及時地傳達給學生，緊跟時代發展的步伐。

5）變革教學方法，模仿實際工作。傳統的教學方法強調以課堂為中心、以講授為主，而FPGA相關課程本身以實踐操作為主，過分地知識點講授會影響學生的積極性、主動性及創造性的發揮，從而影響教學的效果。在 FPGA 技術的教學中，根據講授的內容，采用不同的教學方法。除了課堂講授外，在教學具體實例時還應多采用演示法。而FPGA技術的實踐性和應用性很強，實踐操作的課程設置應該設計必要的難度梯度，可分為基礎性實踐、提高性實踐和綜合性創新實踐。在實踐教學中要堅持“重基礎與技能、求綜合與創新”的改革思路，加強學生工程思維的訓練、分析并解決問題的能力，提高實踐教學體系的創新性、綜合性。除常規的課堂教學外，還應引導學生完成網絡學習的教學方式，提高學生的自主學習能力，并根據團隊協作的思想，根據學生的自身特點進行科學分組，在教學實施過程中大家取長補短，高效完成實踐任務，為每個小組的階段性成果在課堂上進行成果發布，鍛煉學生的語言表達能力。最后，還應設計對應的創新創業課程，由教師引導，根據課程的特點，學生在網絡上查詢資料，每位同學提出自己的創新思想，再進行課堂討論、分析，調動每個學生的創新思維，最后形成的創新思想可以用于中國“互聯網+”和中國創新創業大賽等競賽。

6）革新考核標準，全面綜合評價。傳統以教師印象為主的考核評價方式難以讓學生信服。因而通過以教師對每個學生在項目中完成任務比重、創新性思維、學生宣講內容及表現加上學生互評的結果作為學生FPGA應用能力的綜合評價結果的方式進行評價會更加公平。這同時也全面考察了學生的團隊協作、動手實踐、交流溝通、分析解決問題的綜合能力。

通過課程改革，學生的學習興趣明顯提高，有參加技能競賽的意愿的學生也明顯增多。大多數同學能獨立完成程序的編寫，通過反復地訓練掌握FPGA設計流程，參加“工匠工坊”的學生能獨立完成小型的創新設計。

參考文獻

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