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

我國正在全面實施創(chuàng)新驅(qū)動發(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)生把理論與實踐相結(jié)合，掌握相關(guān)實驗科學(xué)的基本理論、方法和技能[1]；培養(yǎng)學(xué)生實事求是、嚴肅認真的科學(xué)態(tài)度，靈活多變、敢于創(chuàng)新的科學(xué)思維和刻苦鉆研、堅韌不拔、團隊協(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)濟發(fā)展的現(xiàn)實需求[2]。云南大學(xué)在“新工科”背景下也注重加強學(xué)生在實踐教學(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“新工科”建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”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)有計算機科學(xué)與技術(shù)，其中主要包括數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)、云計算、人工智能、圖像處理等相關(guān)方向的研究。為響應(yīng)教育部的號召，云南大學(xué)信息學(xué)院將在這些基礎(chǔ)上探索實驗教學(xué)的內(nèi)容和方法，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，發(fā)揮實驗課程培養(yǎng)創(chuàng)新人才的作用[4-6]；同時，根據(jù)培養(yǎng)目標和人才理念，建立科學(xué)、多樣的評價標準?？梢?，對實驗課程教學(xué)質(zhì)量和效果進行正確的評價，順應(yīng)國家教育改革和發(fā)展的整體趨勢，對加強實驗室建設(shè)、深化實驗教學(xué)改革、完善實驗課程教學(xué)理念與方法，最終提升實驗教學(xué)水平、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重大意義。

1 當前SOPC課程實驗教學(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)進行相關(guān)電路的設(shè)計與開發(fā)[7-8]，圖1所示為基于FPGA 的SOPC 嵌入式系統(tǒng)知識體系。該課程以電子、計算機編程等技術(shù)為基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)SOPC 實驗課程的過程中，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，在實際的編程設(shè)計中掌握硬件電路的開發(fā)技巧。

傳統(tǒng)的基于FPGA 的SOPC 實驗教學(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)，在實驗箱上完成一些驗證實驗[9-11]。這種教學(xué)方法主要有以下幾個問題。

圖1 基于FPGA 的SOPC 嵌入式系統(tǒng)知識體系

（1）傳統(tǒng)的計算機專業(yè)很少將軟硬件結(jié)合起來進行一個項目的設(shè)計，F(xiàn)PGA 的并行性也僅僅用于硬件實現(xiàn)。傳統(tǒng)的基于FPGA 的SOPC 實驗課程教學(xué)以課本理論為主，教師在理論授課時通常只注重講解基本原理，內(nèi)容枯燥抽象，而且其實驗課程教學(xué)是以驗證性實驗為主，學(xué)生只需按照實驗要求操作得到正確的實驗結(jié)果即可，不注重實驗設(shè)計的原理，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驗時，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)生體會到學(xué)習(xí)硬件設(shè)計的樂趣，更難以發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

（2）在實驗過程中學(xué)生過分依賴老師的指導(dǎo)，在乎實驗的結(jié)果而忽略實驗的過程，做SOPC 實驗時，使用Verilog 語言編寫乘法器，不驗證實驗數(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)計方法，也無法通過有效的實驗手段去驗證，在實驗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踐思路。同時，由于實驗教學(xué)學(xué)時安排分散，導(dǎo)致一些用時較久、規(guī)模較大、設(shè)計較先進的綜合性實驗無法有效地展開，進一步降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

（3）最后，傳統(tǒng)的基于FPGA 的SOPC 實驗課程教學(xué)考核分為期末考試和平時實驗成績，且實驗部分注重實驗完成的數(shù)量，不注重實驗完成的質(zhì)量，使得一部分學(xué)生對于平時的學(xué)習(xí)過程和實踐環(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、實踐型人才[12]。

2 SOPC實驗教學(xué)方法改革

2.1 采用案例式教學(xué)方法，改進教學(xué)形式

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

以FPGA 實現(xiàn)乘法器為例，講解案例式教學(xué)的具體實施方案如圖3 所示。用案例式教學(xué)方法講授乘法器實驗時，應(yīng)首先讓學(xué)生單獨思考乘法器的構(gòu)成，結(jié)合自己的知識儲備，設(shè)計出自己認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，進行組內(nèi)討論，學(xué)習(xí)其他學(xué)生的設(shè)計思想；最后指導(dǎo)老師對該實驗進行權(quán)威講解，并根據(jù)學(xué)生設(shè)計的優(yōu)秀思路或誤區(qū)，針對性地進行乘法器實驗的擴展指導(dǎo)，同時在指導(dǎo)老師的講解過程中，要求學(xué)生邊聽課邊實踐，在項目實踐中學(xué)習(xí)乘法器的理論知識。

圖3 基于案例式的乘法器實驗教學(xué)

案例式教學(xué)方式也對教材有特定的要求，開課前不僅需要根據(jù)教學(xué)大綱精選實驗案例，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)生的知識儲備基礎(chǔ)，針對不同地區(qū)、不同學(xué)校的學(xué)生選擇合適的教材來設(shè)計案例，做到因材施教。

2.2 更新實驗內(nèi)容、方法，注重學(xué)生創(chuàng)造力培養(yǎng)

實驗內(nèi)容方面，在原有的實驗基礎(chǔ)上增加與工程案例相關(guān)的設(shè)計型和綜合型實驗內(nèi)容，將實驗環(huán)節(jié)設(shè)計為4 個等級：驗證型實驗、設(shè)計型實驗、綜合設(shè)計實驗和創(chuàng)新型實驗。驗證型實驗的實驗內(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)計型實驗有一定的難度，要求學(xué)生有足夠扎實的理論基礎(chǔ)，且設(shè)計方法并非唯一，可充分鍛煉學(xué)生的思維創(chuàng)造能力，使其能夠設(shè)計出更合理、占用硬件資源更少的SOPC 系統(tǒng)。綜合設(shè)計實驗較為復(fù)雜，為確保能在有限的時間內(nèi)完成此部分實驗，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，綜合運用所學(xué)知識和查閱相關(guān)資料完成實驗項目，初步培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力。創(chuàng)新型實驗是在綜合設(shè)計實驗的基礎(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)計出高效且實用的SOPC 系統(tǒng)。

實驗方法手段方面，改進和設(shè)計實驗課件，針對同一個實驗使用不同的技術(shù)，讓學(xué)生全面地掌握基于FPGA 的SOPC 系統(tǒng)設(shè)計方法。例如，在乘法器的實驗教學(xué)中，采用圖4 所示的流程實施教學(xué)。

圖4 改進的乘法器實驗教學(xué)流程

首先通過驗證型的實驗理解乘法器的硬件原理，再通過自學(xué)SOPC Building 和Qsys 組件，綜合運用不同的技術(shù)實現(xiàn)乘法器，達到全面掌握乘法器的設(shè)計目的；進而以乘法器為基礎(chǔ)，通過綜合設(shè)計型實驗，設(shè)計出算術(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)計出并行運算器，并以此并行運算器為基礎(chǔ)，設(shè)計出高效且實用的科技作品；最后可將自己的科技作品申報國家創(chuàng)新項目、參加電子設(shè)計大賽、發(fā)表論文等。

以上實驗內(nèi)容和方法手段的改革緊緊圍繞實驗、設(shè)計、創(chuàng)新3 條主線，可以有效地鍛煉學(xué)生運用科學(xué)知識與方法解決實際問題的能力以及團隊協(xié)作能力、獨立學(xué)習(xí)能力，將學(xué)生的學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)變?yōu)榭萍甲髌?，極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 改變考核方式

為了進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，需對實驗成績考核進行改革。實驗成績考核的改革包括平時成績、實驗操作成績、實驗報告成績和綜合實驗成績，其改革的核心是在實驗課上推行座位實名登記表及現(xiàn)場檢查驗證制度。

實驗課采用按實驗臺編號登記學(xué)號、姓名，實驗完成后由實驗指導(dǎo)老師現(xiàn)場檢查實驗系統(tǒng)的運行情況及實驗結(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，總計占實驗成績的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)計是電子類和計算機類專業(yè)的一門必修課程，未來電子行業(yè)對FPGA 嵌入式人才的需求主要集中在SOPC 系統(tǒng)設(shè)計工程師上，目前我國高校開設(shè)的基于FPGA 的SOPC 實驗課程存在過于注重理論教學(xué)、實驗部分以驗證性實驗為主、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)的實驗教學(xué)方法就顯得尤為重要。

基于FPGA 的SOPC 實驗課程自2015 年改革以來成果顯著。云南大學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗室指導(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。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)計競賽全國二等獎和云南賽區(qū)一等獎，指導(dǎo)碩士生連續(xù)3 年獲得研究生電子競賽優(yōu)勝獎，在學(xué)校組織的“互聯(lián)網(wǎng)+”比賽獲得一等獎等。

通過采用案例式的教學(xué)方法、合理地選擇和設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、改變課程考核方式等措施，不斷完善實驗教學(xué)環(huán)節(jié)：驗證型實驗、設(shè)計型實驗、綜合設(shè)計實驗和創(chuàng)新型實驗，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，達到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標。