可编程《大规模可编程逻辑器件设计》课程实验教学革新

摘 要： 课程教学包括课堂教学和实验教学，其中实验教学内容的设计是重要的教学环节，只有精心设计和组织实验教学内容，针对实验教学和实践环节对课程教学的新要求和新特点，逐步修订和完善新的教学内容，探索和提炼新的教学模式和教学手段，才能有效地提高教学质量。本文从《大规模可编程逻辑器件》课程的特点出发，针对培养具有实践创新能力的大学生需求，深入剖析了目前该课程实验教学环节中存在的主要问题，提出了课程实验教学方法改革的一些措施，通过使用教学演示软件和实验考试软件，以期强化课堂教学效果，提高学生的实验动手能力和具体操作技巧，从而激发学生的学习兴趣，增强学生的学习动力，提高教学质量。
关键词： 可编程逻辑器件 教学软件 实验教学 教学内容
随着集成电路技术的迅猛发展，作为电子设计自动化（EDA）硬件基础的大规模可编程逻辑

源于：科技论文www.udooo.com

器件（Programmable Logic Devices，PLD）得到广泛应用，PLD通过编程可以灵活方便地构建和修改数字电子系统。PLD设计技术的发展和普及给数字系统设计带来了革命性的变化，传统的“固定功能集成块+连线”的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于大规模可编程逻辑器件的设计方法正在成为电子系统设计方法的主流。作为电子科学与技术专业课的《大规模可编程逻辑器件设计》，主要讲授大规模可编程逻辑器件的原理与应用，帮助学生了解和熟悉大规模可编程逻辑器件设计的基本思想，掌握数字系统设计的方法、CPLD/FPGA器件、流行的EDA设计软件和HDL设计语言等，并通过范例教学和实验课的上机实验，使学生掌握用Verilog和VHDL语言设计开发常用的数字电路和数字系统的技能，提高解决实际问题的能力。
在实际的教学与实验过程中，教学手段和教学方法过于单一，仅仅通过多媒体课件的教学手段，由教师讲授程序范例，缺乏学生的课堂参与和互动，难以使学生较好地掌握EDA设计软件和硬件描述语言（HDL）等。此外，该课程的实验教学内容较多，需要在实验课前指导学生掌握有关的EDA设计软件操作，而仅通过课堂教学和多媒体课件难以实现教学目标[2，3]。因此，依据电子科学与技术专业本科生的该课程实际教学情况，笔者详细分析了实验教学过程中存在的问题，提出了关于实验教学的改革方案。

一、目前教学中存在的问题

1.在课堂教学方面，教学手段和教学方法过于单一，仅由教师讲授程序范例，缺乏学生的课堂参与和互动，难以提高学生的实践和动手能力。教师在课堂上采用常规讲法，费时费力，学生对所讲内容仍无法彻底理解，难以实现对所学知识的灵活运用。
2.在实验课程方面，存在学生对实验准备严重不足，对实验缺乏独立思考的能力等问题。课前预习严重不足，导致实验课时，学生把大多数时间、精力放在程序的编写和设计上。由于大多数学生都是第一次接触硬件描述语言，对Verilog语法不能很好地理解和运用，例如并行语句等，程序设计占用时间过多，导致调试、仿真、修改、完善时间不够，部分学生不能完成实验任务。
3.在考查学生实际操作能力的实验考核阶段，缺乏对学生实际掌握有关EDA软件操作的能力进行量化考核的有效手段和工具。截至目前，该课程只是通过卷面的考试来考核学生对有关EDA设计软件和HDL设计语言等的掌握效果，没有通过实验考试来考核学生实际动手能力的过程，只是对学生利用HDL语言编写相关设计程序进行考试，对EDA软件的操作考核只是停留在卷面上，这种死记硬背通过考试的方法不适合《大规模可编程逻辑器件设计》这门以实践为主、强调动手能力的课程。
综上所述，在大规模可编程逻辑器件设计课程的教学过程中还存在一些严重影响教学质量的因素。为了响应国家“十二五”规划中明确提出的建设创新型国家的任务，培养创新型大学生的要求，我们必须逐步改革和完善现有的教学模式、教学手段和实验方法[4，5]，提高教学质量，为培养开创未来的全面发展型人才奠定基础。

二、实验教学改革的整体规划

为了优化实验教学和实践环节，提高学生的动手能力，突出实验教学的重点，必须摒弃传统的教学思路，重新构建实验教学体系。在实验教学中要贯彻“激发兴趣、夯实基础、引导创新、全面培养”的教学方针，通过对教学手段和实验方法的改革，扩展“范例”教学模式，对教学内容进行重新设计，采用新的教学手段，整个课程主要围绕大规模可编程逻辑器件实际的设计开发流程展开，加强课堂教学与实践的紧密结合，使学生明确本课程的学习目标是掌握大规模可编程逻辑器件的具体设计和使用流程，进而提高学生的课堂参与度和互动性，增强其学习主动性。

三、实验教学改革的具体内容

对实验教学内容的设计要坚持“从实践出发，通过实例化教学，强调设计流程，提升学生参与度和互动性”的原则[6]。实例化程序和设计流程是本课程的主要内容，要求学生对HDL语言和EDA软件设计流程等深入理解[7]，熟练掌握。因此，这部分教学内容要通过教学演示软件进行详细讲解，并利用该软件作为教学手段提高学生在课堂教学中的参与性和互动性。
对实验考核部分，通过实验考试软件系统对学生的实际实践能力进行考核，并给出量化的评判和考核结果，根据考核结果有针对性地给出如何提高其实验实践能力的指导性意见，使该实验考试软件系统不仅成为进行实验考核的有效手段，而且作为学生检验自己实际动手能力的标准，根据评判结果缩短学习差距，增强学习效果。具体的实验教学改革内容如下：
1.《大规模可编程逻辑器件设计》课程教学演示软件系统方案设计及开发。开发用于《大规模可编程逻辑器件设计》课程的教学演示软件，通过该软件的使用，与具体实验实践相结合，强化课堂教学效果，提高学生对EDA软件的掌握能力。在教学演示软件设计和开发过程中，如何选择教学的实例化程序，如何设计教学演示软件系统，使得其与实践过程一致并提高学生的参与度和互动性是需要解决的关键问题。首先给出典型器件的结构模型，分析其各组成电路的结构，明确具体的设计要素和使用流程及方法，然后通过实例化教学，运用Verilog和VHDL讲授程序设计，进而逐步完成大规模可编程逻辑器件的全部设计流程和下载。并通过对电子科学与技术专业本科生实际课堂教学的运用，考察该软件系统的教学效果，对该软件系统进行改进和完善，进而提高学生的课堂参与度和互动性，增强其学习主动性。 2.《大规模可编程逻辑器件设计》课程实验考试软件系统设计与开发。开发用于《大规模可编程逻辑器件设计》课程的实验考试软件系统，在实验考试软件系统的设计和开发过程中，如何有针对性地考核学生实际掌握有关EDA软件操作的技能，对考核结果进行量化评判，并针对每个学生的成绩给出量化的指导性意见，帮助其提高实践能力是需要解决的另一个关键问题。通过该软件系统可以对学生掌握有关EDA软件的操作能力做量化的考核，给出具体的评分标准和结果，对学生的实际操作能力做出量化的、具有实际指导意义的评判，从而为课程教学和学生学习及实验教学的改进和实践能力的提高制定明确且切实有效的目标。
四、结语
《大规模可编程逻辑器件设计》是一门强调实验教学和实践环节的课程，只有通过强化实验教学，才能提高学生实践和创新能力，而教学演示软件的引入可以强化课堂教学效果，提高学生的实验动手能力和具体操作技巧。实验考试软件的引入可以对学生的实际操作能力做出量化的、具有实际指导意义的评判，从而为课程教学和学生学习及实验教学的改进和实践能力的提高制定明确且切实有效的目标，进而有效提高实验教学质量，为培养具有实践创新能力的科技创新型人才奠定基础。
参考文献：
汤勇明，郑姚生，吴忠等.“可编程逻辑器件的基础与应用”课程建设与教学实践[J].电气电子教学学报，2007（29）.
沈建国，王秉举.可编程逻辑器件课程的探索与实践[J].高等理科教育，2004（54）.
[3]石新峰，牟光臣.《可编程逻辑器件原理及应用》课程实践教学研究[J].新乡学院学报（自然科学版），2009（6）.
[4]钱昕.可编程逻辑器件（PLD）课程考试改革的探索[J].时代教育，2012（12）.
[5]张巧文，杨亚萍，朱仲杰等.基于CDIO理念的可编程逻辑器件应用教学方法探索[J].中国电力教育，2011（19）.
[6]刘建华.基于项目教学法的《可编程逻辑控制器》课程改革[J].新课程研究，2011（2）.
[7]康胜武，廖艳娥，毛哲.关于有效开展EDA教学的探讨[J].中国电力教育，2009（5）.
天津工业大学高等教育教学改革研究项目（项目编号：2012-3-18）。