新工科背景下“硬件描述語言及應用”教學改革探索

周殿鳳，沈法華，仇成群

(鹽城師范學院 物理與電子工程學院，江蘇 鹽城 224007)

引言

為主動應對科技改革和產業革命、促進服務創新，2017年以來教育部積極推進新工科建設，旨在新形勢下培養更高質量的人才，構建世界一流的具有中國特色的工科教育，這一舉動進一步促進了我國高等教育的良性發展[1]。新工科背景下的高等教育要完成應有的使命，必須重新審視每一門課程，切實有效地對傳統教學方式進行有區別的合適改革，其中實踐類課程的改革顯得尤為重要[2]。

“硬件描述語言及應用”是電子信息專業學生重要的實踐類基礎課程，主要講解VHDL語言的語法、算法、編程技巧及其應用。VHDL語言由美國國防部研發，其可靠性超強，主要用于驅動高速集成芯片CPLD或者FPGA以完成各種規模的電路設計。近年來隨著FPGA/CPLD芯片價格下降和國內研發的CPLD/FPGA芯片的投產，FPGA芯片的應用越來越廣泛，已由原來的航空航天和軍工領域迅速向民用領域擴展，我國每年使用數十億FPGA芯片進行各類設計，FPGA/CPLD類課程的地位也逐步提高，但精通FPGA的人才數量遠遠不如精通單片機的人才數量，人才短缺現象相當嚴重，這與硬件描述語言編程難度大、學生入門難、教師注重理論講解卻輕視實踐有很大的關系。

突如其來的新冠肺炎疫情催生了大量的網絡授課，線上教學已成為全球教育的發展趨勢之一[3—4]。為了提高教學質量，培養學生實踐動手能力，筆者經過多年探索，對“硬件描述語言及應用”提出線上線下混合教學的改革方式，線下采取項目化教學，同時利用線上網絡課堂補充線下教學的不足。

一、傳統教學方式的不足

1.理論與實踐融合度低，學以致用難

“硬件描述語言及應用”采用“32課時理論課+16課時實驗課”方式進行，其教學目標是讓學生熟練掌握VHDL語言的語法、常見語句的深層次應用，學會設計基礎的電路，但其最終目標是學生能夠使用VHDL語言驅動FPGA芯片進行電子系統設計，完成比較復雜的項目設計，能夠做到“學以致用”。傳統教學采用“教師上面講、學生下面聽”的教學模式。教師講完理論知識后再用幾個簡單的實驗完成實踐教學，這樣的實驗大多是驗證性的，甚至是教師演示一下然后學生跟著做的“填鴨式”實驗教學。一學期下來，學生云里霧里、似懂非懂，除了幾名學生是編程高手，其他學生幾乎沒有學會獨立編程，更談不上擴展應用，無法服務于實際應用。對于實踐類課程，教師的教學理念如果不能轉變和提升，精力一直放在理論知識上而偏離實踐應用，理論與實踐便無法有機結合，學生應用能力就很難提高[5]。

2.授課方式欠佳，學生積極性不高

目前大學生人手一部智能手機，如果理論課的課堂教學不夠生動或者教學內容晦澀難懂，部分學生終究抵御不了手機中精彩的網絡世界。即便大多數學生抵制了手機誘惑，教師講解理論知識時如不能對知識進行深度剖析，煩瑣的語法不僅零散而且數量多，很可能讓學生望而生畏，深邃龐雜的硬件電路同樣難以理解[6]，加上理論課講解多采用播放速度較快的PPT放映，學生很有可能來不及記錄，課上似乎聽懂了，課后卻不能及時復習和實踐，學習效果較差。程序設計類課程不同于其他課程，如果不能反復實踐，不能認真在電腦軟件環境下編程測試，所學知識很快便會遺忘。到了每學期的第10周左右，學生就算想學，也會由于前面的知識沒有融會貫通而難以跟上老師的步伐。據調查了解，大部分學生想學卻不知道怎么學，如果教師能注重教學效果、改進教學方法、有效調動學生學習積極性，學生的學習激情必定會燃燒。

3.師生交流少，課后提升難

由于大學教師不需要坐班，很多教師上完課就走，師生除了課堂沒有其他交流時間。與此同時，由于我國高等教育學分制規定16節理論課時對應1個學分，而16節實驗課時僅對應0.5學分，因此1課時理論課的學分等于2課時的實驗課學分。很多二類本科院校改革后變為應用型本科院校，為了符合“應用”之目標，大幅度增加了實驗課程課時；為了修滿學分，學生所學課時整體上增加20%以上。即使教師在學校，學生忙于上課，恐怕也難以向教師請教問題，因此師生間急需增加新的交流方式。

現在的大學生尤其是二類本科院校的學生，貌似不如20年前的學生那樣埋頭苦學，但是在這知識爆炸的時代，伴隨我國經濟的飛速發展，大多數人都在奮進，全民都參與到國家的建設中，教師和學生也不例外。有些學生課上不聽，課后卻能花費大量時間上網跟著視頻自學感興趣的知識，這也反映了教師的教學方式不能吸引學生。一些二類本科院校的學生和家長覺得上學作用不大，不能憑借畢業證找到相關工作，畢業后從事的職業與大學所學完全無關，這也從另一方面反映出工科生的傳統教學模式必須改革。教師應尋求好的教學模式，激發學生的學習熱情，營造好的學習氛圍，讓學生想學、愛學。

二、線上線下混合教學

1.線下教學

線上線下相結合的教學模式，在正常情況下以線下教學為主，線上教學為輔。實踐應用類課程的線下教學必須區別于傳統理論課的教學方式，需要激發學生學習興趣，培養正確的學習方法，提高學習效率，注重平時過程考核，淡化期末考核，注重學生設計能力的培養。

首先激發學生學習熱情，培養學生學習興趣。第一次理論課不必講解高深的理論知識，先講解FPGA的重要性和使用的廣泛性，可以美國挑起的貿易戰為例，告訴學生我國政府已經鼎力支持集成電路和軟件工程的發展，這個領域需要大量的人才，國家也會持續投入財力，我們必須學好學精軟件編程，熟練硬件描述語言編程技巧，積極投身我國即將到來的高科技自強發展大潮中，為祖國的高科技發展盡一份力，激起學生的愛國情懷。分析國內外形勢和軟件編程的重要性，也能讓學生感受到學好技術既能實現人生價值，也能為祖國的科技建設添磚加瓦。

其次，教師講解理論知識時不能照本宣科，不能籠統地講解語法常識。理論課應該從一個個小項目開始，在項目中講解語法語句，不僅用PPT，更需要將FPGA開發平臺帶入課堂，現場編程，讓學生知道硬件描述語言的具體應用。筆者帶領學生設計了口袋式FPGA開發平臺，攜帶方便，此平臺的大部分配件電路均由學生親自設計和制作。用此平臺在課堂上講解，學生參與度高，在佩服羨慕師兄師姐設計能力的同時，自己也愿意改進電路設計，希望自己的改進電路能被老師應用于下一屆的教學中，學生學習興趣大為提高。Altera公司研發的Quartus II 軟件功能極其強大，深受全球用戶喜愛。在Quartus II軟件環境下講解VHDL的語法，學生接受度明顯高于板書和PPT播放，而且Quartus II中配有很多常見的高級語句使用方法，教會學生調用方法，可以大大降低背誦量，避免讓學生在煩瑣枯澀的語法前止步，學生可以將更多的精力用于學習和提升算法，高超的算法才是編程的高級目標。當然，PPT作為輔助教學方法有其不可替代的地方，但制作方法需要優化。

再次，制定切實可行的項目化教學培養方案。選擇合適的項目，將枯澀難懂的知識點融入到不同的項目中[7]，如此一來，既完成了理論知識的講解，又提升了學生的設計能力。百看不如一練，理論教學完成后，便可以在實驗中實踐，讓學生變為項目設計和完成的主體，培養學生的分工合作能力和動手實踐能力。對于“32課時理論課+16課時實驗課”，我們可以按照表1的項目講透語法知識，利用理論課穿插講解項目，再用實驗課實踐，同時提升學生團隊合作能力和設計能力。利用項目可以講解清楚硬件描述語言是如何通過編程驅動FPGA/CPLD實現各種中規模和大規模芯片的功能。每個項目的講解均可以結合硬件和軟件，還可以擴展應用。以2課時的入門級小項目“蜂鳴器”為例，通過高電平驅動的蜂鳴器硬件電路，講解輸入輸出端口，對于FPGA接口，蜂鳴器接口被配置成輸出端口，FPGA送出高電平，蜂鳴器鳴叫，低電平不出聲，如果送給蜂鳴器方波信號，蜂鳴器則以一定的時間間隔實現鳴叫—停止—鳴叫—停止，如此周而復始。如果改變高低電平間隔的脈沖信號的占空比，蜂鳴器的鳴叫與停止又會有所變化，通過編程—演示—講解，學生可以快速理解很多相關知識。此實驗可以無縫轉接到發光二極管的閃爍，讓學生在二極管的閃爍和蜂鳴器的花樣鳴叫中體驗理論到實踐的轉換、相似項目的轉接、項目的移植等，進而深入理解電路設計，掌握初步編程技巧。所有項目均可以使理論知識更加感性化、實用化(見表1)。

表1 項目案例

最后，改進線下教學具體實施方法。允許和鼓勵學生帶電腦上課堂，分組而坐，培養團隊意識，提高分工合作能力。教師現場編寫程序時可以適當放慢速度，便于學生跟進，利于學生入門。教師每講解完一個項目，可將項目所有資料分享給學生，這些分享也可以在線上課堂進行。

2.線上網絡教學

對于應用性很強的“硬件描述語言及應用”，光靠線下教學還不夠，學生還不能真正學以致用，必須配備必要的線上教學，這種模式一開始占用教師的精力較多，但只要平時注意積累，1—2年即可建設成功[8]。這里的線上教學可以是錄播也可以是直播，并不一定是教師學生同一時間借助某個平臺上課，更多的是指教師和學生用網絡平臺進行交流,編程類課程更需要這種交流[9]。教師可以借助一些網絡平臺或者搭建一個網絡學習平臺，如果教師任務原本就繁重，也可以直接借用QQ群、微信群等完成線上教學。據騰訊公布的消息，2020年疫情中很多教師都利用QQ平臺完成了線上遠程課堂授課，說明QQ平臺可以勝任線上網絡教學[10]。教師將重要知識分片，錄制一些10分鐘左右的小視頻，小視頻的制作可以參考MOOC課程的建設，教師也可以將網上免費的相關視頻放入平臺上。這些小視頻既可以講解語法知識，也可以講解項目、算法，介紹芯片功能，甚至可以是datasheets的講解。視頻可以課后錄制，也可以是教師上課時請人在教室錄制。有些視頻甚至可以采取屏幕拷貝錄制方式進行，如Quartus II軟件的使用，步驟很多，學生不能一次性記住，教師可以采取屏幕錄制方式，錄好后放入網上課堂，便于學生隨時學習。Quartus II軟件的使用原本占用2個實驗課時，這樣一來學生利用課后時間便可以自行完成，節省的時間教師可以用來講解更加高級的知識。平臺上留有答疑頁面，學生有問題可以隨時留言，教師和學生均可以對問題進行解答。線上教學加強了教師和學生的交流，便于學生自學，對于實用性很強的課程以及學生畢業后可以賴以生存的技術，學生都愿意花大量時間學習。豐富的網絡課程可以有效推進“因材施教”的教學理念，學生可以根據自身所需補充學習。對于學生的自學，教師可以提高平時成績給予鼓勵。線上教學一方面占用了教師的時間，另一方面也對教師的能力提出了更高要求，這種教學早期付出很多，后期需要適當加入一些內容即可。教師的付出需要得到認可，學校應給予精神和物質上的支持。目前各高校都推出了數量較多的教學類研究項目，教師也可以通過申請項目的方式解決經費問題，對于沒申請到項目的課程，學校應投入“預研”經費以鼓勵教師建設高質量課程。

三、改變考核方式

線下采用項目化教學提升教學效果，線上完成輔助教學完善教學內容，線上線下有機融合、優勢互補的教學方式還必須配備新的考核方式，不能簡單地通過一份試卷或者一份小論文來考核，而應該注重平時考核[11]?？傇u成績采取平時考核×60%+期末考核×40%的方式進行，平時考核中注重學生對程序的理解、對算法的提煉，注重學生的設計能力和創新能力，期末考核中注重項目的完成情況、創新性、應用性和推廣性。如果大量采用項目化教學，畢業的學生可能受到用人單位的高度認可，學生培養質量也會大幅度提高，那么實施項目化教學課程的考核方式就可以再進一步改變，甚至完全可以由平時考核完成整個課程的考核，教師則每一次課都對學生的學習情況進行記錄和分析，并最終得出合理的成績。對于特殊原因課上沒有完成任務但課后通過自學彌補了不足的學生，教師應給予適當的寬容以提高學生學習的積極性。

結束語

本文根據“硬件描述語言及應用”的課程特點，深入探索了提高該課程教學質量的可行性改革方案，提出線上線下混合教學模式。線下采用項目化教學，教師精心挑選項目，融入理論知識，提升學生學習積極性，鼓勵學生自己設計項目。線上有效利用網絡課堂，促使學生自學，同時加強師生交流。線上線下融合教學模式是一種高效的教學方式，注重教學過程，注重學生的主體參與意識，師生一體，共同學習，共同進步。這種教學方式必將事半功倍，并適用于多數課程，成為教學的主流方式。