劉宏月 梁義濤 張猛

摘要：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用是基礎(chǔ)性的，為落實(shí)以學(xué)生所得為中心的認(rèn)證理念，應(yīng)該更新對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，實(shí)時(shí)開展個(gè)性化教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的過程中，教師要重視學(xué)生在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上的參與度和獲得感，做到差別對(duì)待，有效利用課時(shí);試錯(cuò)調(diào)試，提升實(shí)際問題分析能力;重復(fù)實(shí)驗(yàn).提升EDA設(shè)計(jì)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認(rèn)證;實(shí)驗(yàn)教學(xué);驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”是工程教育專業(yè)認(rèn)證的三大核心理念。其中，“學(xué)生中心”理念體現(xiàn)了工程教育的本質(zhì)目的，是要以“學(xué)生所得”為培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的評(píng)價(jià)核心和落腳點(diǎn)，是專業(yè)認(rèn)證中首要和根本的理念。“成果導(dǎo)向”是在以“學(xué)生所得”為中心的基礎(chǔ)上教學(xué)設(shè)計(jì)、組織和實(shí)施的具體方法論?！俺掷m(xù)改進(jìn)”是在以“學(xué)生所得”為中心的基礎(chǔ)上瞄準(zhǔn)培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求達(dá)成的保障體系建立的基本原則。以學(xué)生為中心原則要求面向全體學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，即常說的“看差不看優(yōu)”。

工程教育專業(yè)評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容是“學(xué)生所得”。對(duì)工程類專業(yè)學(xué)生而言，工程實(shí)踐的素質(zhì)和能力就是“學(xué)生所得”的核心。當(dāng)今，工程實(shí)踐教育早已成為工科類高等教育的基本教育環(huán)節(jié)，其基本內(nèi)容涵蓋了課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課程、實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及其他創(chuàng)新實(shí)踐類環(huán)節(jié)（如第二課堂等）?！皩W(xué)生所得”具化到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，直接體現(xiàn)為認(rèn)識(shí)一體驗(yàn)一再認(rèn)識(shí)一再體驗(yàn)的儀器設(shè)備操作和工程設(shè)計(jì)能力提高的過程。筆者嘗試結(jié)合所授課程EDA技術(shù)基礎(chǔ)，在學(xué)生中心視域下，就課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)和組織進(jìn)行研究。

一、EDA技術(shù)基礎(chǔ)課程性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

電子信息類專業(yè)都會(huì)開設(shè)一門專業(yè)課程——EDA技術(shù)基礎(chǔ)。它是一門綜合應(yīng)用各課程知識(shí)的綜合性應(yīng)用課程，也是一門直接應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)的專業(yè)工程設(shè)計(jì)課程。其先修課程包括模電、數(shù)電、微機(jī)原理等課程，是一門融合電子設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的“集成性”技術(shù)課程。

課程教學(xué)內(nèi)容上，涉及可編程邏輯器件的基本認(rèn)知知識(shí)、設(shè)計(jì)技術(shù)的基本原理和方法，編程語言及其在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)的熟練使用等。整體的設(shè)計(jì)過程包含四個(gè)環(huán)節(jié)：需求分析、設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)仿真及分析、下載實(shí)現(xiàn)。需求分析與其他編程類課程沒有太大的差別，最終給出關(guān)鍵信號(hào)或邏輯變量以及相應(yīng)的抽象邏輯應(yīng)用模型即可。設(shè)計(jì)輸入包括兩種方式：原理圖輸入或文本輸入。而在一個(gè)較為復(fù)雜的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中往往會(huì)涉及兩種輸入方式配合使用的情況，因此對(duì)于需求分析形成的邏輯模型的功能劃分就成為關(guān)鍵。常見的做法是基本的功能單元使用文本輸入的方式，生成本系統(tǒng)專用的邏輯器件，系統(tǒng)頂層使用原理圖輸入方式，將設(shè)計(jì)好的各個(gè)功能邏輯單元進(jìn)行連接形成最終系統(tǒng)。設(shè)計(jì)仿真主要有時(shí)序仿真和功能仿真兩種，時(shí)序仿真主要就是分析設(shè)計(jì)給出的實(shí)際時(shí)序結(jié)果從邏輯上是否滿足要求，而功能仿真則是指結(jié)合了實(shí)際的芯片后，時(shí)序是否還能保持原有的設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，功能仿真更加接近實(shí)踐，通過設(shè)備下載到芯片或配置芯片上，就可以實(shí)際運(yùn)行了。針對(duì)以上內(nèi)容及要求，本課程設(shè)置了8個(gè)實(shí)驗(yàn)，共計(jì)20學(xué)時(shí)，占總課時(shí)數(shù)的37%。就課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)而言，常規(guī)意義上可分為三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)設(shè)置：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是指對(duì)研究對(duì)象有了一定了解，并形成了某種假說，為了驗(yàn)證這種假說是否正確而進(jìn)行的一種實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的主要目的并不是為了搜集事實(shí)材料，而是要把研究工作引向深入，從而加深對(duì)研究對(duì)象的某些性質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)課程知識(shí)的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)指給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蠛吞峁?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

基于課程目標(biāo)、畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，三類實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是一個(gè)有機(jī)的整體，而教學(xué)組織等實(shí)施環(huán)節(jié)更應(yīng)該側(cè)重它們對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新性培養(yǎng)和學(xué)生參與度逐次遞進(jìn)的有效銜接。

二、重視驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一般在課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上占較大的比例（EDA技術(shù)基礎(chǔ)課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占總實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的60%），其設(shè)置的目的是通過驗(yàn)證某種課程內(nèi)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的假說，在不斷完善對(duì)課程要求知識(shí)和技能的直觀認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，促進(jìn)學(xué)生課程認(rèn)知能力的提高，為后續(xù)的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)酥羷?chuàng)新性科技活動(dòng)打下基礎(chǔ)。在實(shí)際的實(shí)施過程中，如果教學(xué)實(shí)施過程中只是簡單孤立地對(duì)待一個(gè)個(gè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，卻忽略了各個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置是一個(gè)有機(jī)整體，尤其是對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)重視不夠，往往會(huì)造成銜接不暢的情況，勢(shì)必影響教學(xué)效果。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的過程中，尤其要重視學(xué)生在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上的參與度和獲得感。

（一）差別對(duì)待，有效利用課時(shí)

通常情況下，實(shí)施驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的一般過程是：通過教師講解使得學(xué)生了解某實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：學(xué)生嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的流程進(jìn)行操作并觀測(cè)現(xiàn)象及結(jié)果，最后完成實(shí)驗(yàn)，分析比較結(jié)果，獲取相關(guān)知識(shí)和技能。這一過程中，只要學(xué)生嚴(yán)格按照要求操作，一般均能又快又好地完成實(shí)驗(yàn)。但是，由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力存在差別，有些學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)較快。這時(shí)，我們會(huì)對(duì)學(xué)生重新分組，實(shí)驗(yàn)做得好的學(xué)生指導(dǎo)做得不好的學(xué)生，讓學(xué)習(xí)程度不同的學(xué)生各有所得。

另外，教師還可根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況，實(shí)時(shí)微調(diào)或擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高他們對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的熟悉程度。本課程所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有10種工作模式，對(duì)應(yīng)10種不同的電路結(jié)構(gòu)圖，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明中會(huì)直接指定某種工作模式。教師通過深入講解不同的工作模式工作原理和電路結(jié)構(gòu)，對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)微調(diào)或改動(dòng)，可以選擇不同的工作模式實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意愿的目的。

（二）試錯(cuò)調(diào)試，提升實(shí)際問題分析能力

教師可以積極地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行試錯(cuò)，如連接線缺失、輸入錯(cuò)誤等，針對(duì)出現(xiàn)的調(diào)試信息進(jìn)行分析，并與實(shí)際操作相對(duì)應(yīng)，讓學(xué)生形成較為直觀的印象。整個(gè)調(diào)試問題的解決過程學(xué)生能夠親身體會(huì)，印象也就更深刻。

比如，學(xué)生對(duì)于仿真階段必須設(shè)定的時(shí)鐘頻率的概念認(rèn)識(shí)模糊，實(shí)際中只是機(jī)械地選用默認(rèn)工作主頻設(shè)置。這往往會(huì)造成功能仿真階段設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤和毛刺，但是從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)邏輯中卻找不到錯(cuò)誤，如果沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這類錯(cuò)誤的調(diào)試將無從下手。教學(xué)實(shí)踐中，當(dāng)這類錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，我們并不是直接指出學(xué)生的錯(cuò)誤所在，而是引導(dǎo)學(xué)生在仿真階段多次重復(fù)，設(shè)置不同的時(shí)鐘頻率，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到時(shí)鐘頻率設(shè)置不同會(huì)影響最終的仿真結(jié)果。然后再講解FPGA器件工作主頻對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要作用，使學(xué)生從實(shí)踐到理論全面理解仿真階段工作主頻設(shè)置的重要性和設(shè)置原則。引申介紹主頻信息可以從FPGA芯片手冊(cè)中獲取，進(jìn)而引出閱讀芯片手冊(cè)的重要性及方法。如此，一個(gè)調(diào)試過程，可以使學(xué)生親身體驗(yàn)和領(lǐng)會(huì)相關(guān)概念的內(nèi)涵和外延，有益于學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)體系的搭建和認(rèn)知的豐富。

（三）重復(fù)實(shí)驗(yàn)，提升EDA設(shè)計(jì)體驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書通常給出的是原理性設(shè)計(jì)的引導(dǎo)，學(xué)生需要用文本輸入的方式進(jìn)行改寫。體會(huì)程序設(shè)計(jì)（文本設(shè)計(jì)方法）給現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了變化，其方便、快捷、直觀，突破了領(lǐng)域局限。本課程實(shí)驗(yàn)中，有兩個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是緊密相關(guān)的，一個(gè)是原理圖輸入形式的一位全加器的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是利用設(shè)計(jì)好的一位全加器器件組合為一個(gè)四位全加器，依然是原理圖設(shè)計(jì)輸入形式。在學(xué)習(xí)了相關(guān)的設(shè)計(jì)語言之后，還可返回前面實(shí)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生用設(shè)計(jì)語言設(shè)計(jì)一位全加器，且要求運(yùn)用不同的表達(dá)方式。然后再將該設(shè)計(jì)打包成一位全加器器件，按照原來的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用原理圖設(shè)計(jì)輸入的形式實(shí)現(xiàn)四位全加器設(shè)計(jì)。學(xué)生在此過程中，可以充分體驗(yàn)利用已有器件庫的原理圖設(shè)計(jì)方法與利用硬件編程語言的文本設(shè)計(jì)方法的等效性特點(diǎn)。

另外，由于硬件編程語言的格式要求，一位全加器的功能語句最少可能只有兩條即可實(shí)現(xiàn)，但形式上看起來不一定很簡潔。這時(shí)教師可以適時(shí)地引入程序設(shè)計(jì)的四位全加器進(jìn)行比較，使學(xué)生直接體會(huì)到越是復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就會(huì)越突出。

根據(jù)實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)來看，這部分的重復(fù)設(shè)計(jì)工作可以在課外進(jìn)行，課內(nèi)只是下載驗(yàn)證一下，因此，一般不需要占用太多的課時(shí)。但是，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣和提升能力卻非常有效。

三、結(jié)語

綜上，只有進(jìn)一步優(yōu)化驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，強(qiáng)化驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程的靈活性和重復(fù)性，針對(duì)每個(gè)學(xué)生的不同程度、不同問題，實(shí)時(shí)微調(diào)實(shí)驗(yàn)方案，才能切實(shí)做到以“學(xué)生所得”為中心的認(rèn)證理念的落實(shí)，提升工程專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。