建设一流本科

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【新工科】从“口袋实验板”做起,探究“数字设计FPGA应用”新玩法
——自动化工程学院卢有亮老师在“数字设计FPGA应用” 课程上的教改探索
文:罗莎 学生记者团 于泽超 张还月 张碧程 图:本人提供 来源:新闻中心 时间:2021-12-29 9872

  可以实现愤怒小鸟、通关弹力球、打砖块、打地鼠等游戏工程;能够处理猫脸识别、车牌识别、图像去雾等图像获取和处理工程;懂得实操数字存储示波器、波形发生器等仪器……

  不止于看上去的有趣,通过课程学习,还能掌握FPGA基本知识、现代数字系统的设计方法,GET动手设计数字系统的实用技能,更在完成项目的成就感中收获做工程项目的自信心,并将能力迁移到未来的工作中……

  如此有趣、有料又有用的“好玩”的课,指向电子信息类专业学子纷纷点赞的课程——“数字设计FPGA应用”。

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VGA游戏 flappy bird

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具有超声波测距功能的车牌号拍照照相机

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波形发生器设计

  作为学校挑战性学习课程示范课,该课程曾参选省级一流示范课程,其慕课获得首批国家级一流本科课程,鲜花与掌声的背后,是主讲教师、自动化工程学院卢有亮副教授对课程年复一年的创新探索和倾心付出。

迭代升级:自主设计“口袋实验板”+自编配套教材

  近年来,随着科技进步及教学改革的深入,大学课程教学设计的理念正向着小班教学、研究型教学和挑战性教学逐步发展。特别是挑战性教学,其根本目的是在学生掌握知识的同时,提高学生项目开发、沟通交流、解决问题等方面能力,最终实现学子综合素质的提高。

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  卢有亮所在的数字电路课程组在自动化学院教授姜书艳老师带领下,在挑战性教学方面进行了深入的改革,将HDL教学引入到数字电路的教学环节当中,但由于课时和课程主体内容的局限,学生只能掌握HDL和FPGA的初步知识和应用。

  鉴于此,作为“数字逻辑设计及应用”后续课程的“数字设计FPGA应用”,在整个教学和考核上更加关注工程性与挑战性。

  课程于2014年开始建设,最早开课时,教学使用的实验板还是BASYS2开发板。但是由于芯片和开发工具的升级换代,它不能使用最新的VIVADO软件进行课堂设计,在功能上也逐渐无法满足需求。如果更换开发板,将面对的不仅是更多更难抉择的替代品,还有随之而来的教材选择问题。

  困难仿佛一瞬间就扑面而来,为了让同学们的工程设计能力在课程中得到充分的锻炼,卢有亮想:开发板不够先进,那就自己设计新的能使用VIVADAO软件的开发板;教材难以抉择,那就自己写一套适合课程节奏的特色教材。

  随着课程建设的推进,卢有亮采用研究型、讨论式的方法进行小班授课收到了较好的效果,课程在讲授中积累了部分设计题目和建设经验,在此基础上,申请的新实验项目“基于 ARTIX_7 系列的数字设计 FPGA 应用实验”也顺利获得了批准。

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  “功夫不负有心人!”2017年,经过不懈努力,他自主设计完成了一款新型的口袋实验板,且这一实验板支持在最新的VIVADO下进行开发,与BASYS3相比,还具备DAC及行列键盘、扬声器等配置。与此同时,配套的教材《Xilinx FPGA 原理与实践—基于 VIVADO和 Verilog HDL》也开始了紧锣密鼓的撰写工作。另外,他还在此基础上建设了“数字设计FPGA应用”中国大学慕课课程。

  口袋实验板可以让学生课后拿回去继续进行实验,将口袋实验板作为课程设计实验平台,加以专门的教材辅助课堂知识的理解,以及中国大学慕课课程的线上课程支撑,不仅为学生提供了更多发挥自己创造力的空间,也为更高难度课题项目的实现提供了必要的条件,由此明显提高了本门课程的教学质量,也使得这门课程大受学生欢迎。

  “理论教学紧密结合工程实践,工程实训搭配知识升华,增强课程的实践性和挑战性,让学生在实践中吸收转化知识,不断提高开发能力、合作能力及解决问题的能力,成为国之栋梁。”卢有亮说。

基于工程:由浅入深培养学子“五项全能”

  挑战性课程讲求的就是训练学子的实际动手能力,卢有亮在课程内容设计上基于工程,方式方法上由浅入深,引导学生始终在突破自己的舒适区中不断寻求新的进步。

  做过挑战性课程建设的老师,往往会遇到因为学生基础水平的参差不齐而导致的教学进度困扰问题,“这种状况下,无论课程进行速度过快还是过慢,都会影响整个课程的教学效果。”

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  如何解决这一困扰呢?经过不断的尝试,卢有亮最终决定将整个课程分为三个阶段,每个阶段目标与任务各不相同:

  第一阶段的理论学习面向全体同学细致地讲授FPGA基本原理、HDL语言基础等,让绝大多数同学达到同样的理论知识水平。第二阶段进行一般性工程实践,这一部分作为由理论过渡到实践的进阶内容,促使学生们锻炼和应用上一阶段掌握的理论知识,进行一定程度上的实践设计。在经过前两个阶段的训练后,学生们将以小组的形式挑战本门课程难度最高的第三部分——工程性大课程设计,成功完成设计后才能通过答辩结课。

  三个阶段的划分设计有如三级楼梯,每个阶段之间既紧密联系又不失难度,学生们的能力在课程学习中得到了阶梯式的提高,有效避免了由于难度过大导致学生失去兴趣、或能力不足无法解决问题的状况出现。

  在课程评教中,学生们如是写道:“重点突出、内涵丰富,生动有创意,既严谨又活泼;卢老师的课虽然难度大,但也实实在在提升了我的实践动手能力!老师上课示范操作规范,深入浅出的教法让师生良好互动,这样的方式很nice。学习课程后,对个人的创新意识、批判性思维及社会责任感的养成很有帮助;我的老师不一般!让我每节课都有兴趣坐前面……”

  这门挑战性课程需要分小组合作,通常需要在网上查阅大量的资料。懂得查阅资料、利用资源,也是在这门课中卢有亮想要学生锻炼的能力,“有同学问我问题,我可以不客气的跟他说你可以先上网百度。这么讲不是我不愿意回答问题,而是‘逼’学生走出‘拿来主义’,更好地训练个人的科研基本功。”

   “学校的图书馆可以查到诸多期刊,还有很多硕博士论文,都是很好的参考资料。”卢有亮就是这样要求学生,希望通过课程逐步培养学生的知识应用能力、团队合作能力、查找资料的能力、分析解决问题的能力以及较强的综合能力,练就在未来实现心中梦想、成为国之栋梁的“五项全能”。

模拟现实:学生来做“工程师”

  实验板虽小得一个口袋就装得下,但凝聚了卢有亮及课程组老师的无限期望。卢永亮将教学目标设定为“具备较强的动手设计数字系统的能力、团队合作的能力”,致力于通过改革课堂形式来达到人才培养目的。

  开课初,同学们就会收到一块口袋实验板,等到结课再把板子还回来,这样做的好处是让同学们可以在课后也能随心实践,不仅仅局限于课堂上的一点时间,加深对这门课的理解。

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  “我们学习的目的显示不是为了应对考试,而是真正地搞懂FPGA。从学生反馈来看,这样的方式使他们的能力真正得到了提高,他们的项目作品,有的助力其参加了比赛,有的实现了保研加分,有的成为了面试工作时的亮点。”谈起学生们在课程上的收获,卢有亮由衷地感到欣慰。

  教学氛围上,将课堂从大教室转为到小教室,鼓励组内讨论,鼓励组和组之间的讨论及互助,进一步加强了学生间的交流。上课不是讲解PPT,而是打开软件连上实验板直接带着学生跑程序。

  同时卢有亮还密切跟踪学生的设计进度,以便及时发现问题,并通过引导学生查找资料来找到解决问题的方法,对解决了问题的同学给予及时的鼓励。而对较困难的环节,教师、助教都将提供必要的帮助,进一步增进了师生间的沟通。

  教学模式上,从原有的“老师讲学生听”的传统授课模式,转变为“老师设计题目,学生自主学习,老师针对答疑”的创新模式,这样的翻转课堂既增强了学生的自主学习能力,又通过精心设计的问题让学生产生了想学习的冲动与好奇心,激发了学习兴趣,使整个课程由“任务驱动“转变为”兴趣驱动“,进而提升课堂效率。

  而对于最重要的“利用知识解决实际问题“的能力,他采用了“将学生分组自主选题、半程汇报、结题答辩”的模式,通过模拟真实工程项目开发的情况,让学生们提前体验了作为工程师负责一个项目的主要流程,极大的提高了学生的团队合作和沟通能力。

  同时,由于老师和助教仅会进行定期答疑,开发任务主要由学生小组独立完成,这对于学生的独立解决问题、将知识灵活运用的能力同样是较大的考验。

  “从当前及今后的就业形势看,FPGA 的出路是非常好的。”卢有亮希望通过这样一个“数电的后续课程”,大幅度提高学生的FPGA开发能力以及数字系统的开发能力。

   从经常跑步锻炼的健身者,到一周跑量有30-50公里的跑步达人,再到2020银杏节校园迷你马拉松中教工竞速跑获奖者,课堂上打开软件连上实验板直接带着学生跑程序的卢有亮,在业余生活中还是一位长跑爱好者,“我觉得我们的学生真的很棒,晚上跑步的时候,总能看到很多同学在环校夜跑,还经常在操场被学生超越。”

  坚持跑步习惯多年,有过马拉松参赛经验的他将这份热爱迁移到教学中,他认为跑步可以锻炼学生的身体素质和意志品质,时常鼓励学生坚持跑步、科学训练身体。“当你有什么问题想不明白的时候,出去跑一圈可能就解决了!” 秉持立德树人初心的卢有亮由衷地说。


编辑:罗莎  / 审核:罗莎  / 发布:陈伟