基于微课的《可编程逻辑器件》课程改革与探究

吕石磊　王卫星　李震

【摘 要】本文对《可编程逻辑器件》课程教学实践现状进行了分析，针对培养高层次应用型和创新型人才的需求，探索将课程教学与微课相结合的新型教学模式，提出了基于微课的教学改革方案，以期达到培养学生对本课程的学习积极性，强化课程教学效果，提高教学质量的目标。

【关键词】微课；可编程逻辑器件；考核方式

0 引言

《可编程逻辑器件》课程是我校“电子信息工程专业”的核心课程，是“电子信息科学与技术”专业和“通信工程”专业的必修课程，同时也是“电气工程及其自动化”专业的选修课程，受益学生数量众多。作为一门能够直接应用于工程实际的技术课程，其教学内容与培养目标具有明确的针对性，与当前电子信息、通信、计算机等行业的企事业单位的技术应用需求具有较好的一致性。通过本课程的学习，学生能够熟悉现代大规模集成电路的设计流程，理解自上而下的设计理念和模块化设计策略，掌握可编程逻辑器件的基础知识及开发工具的使用方法，可以使用高级硬件描述语言独立设计中等规模逻辑电路系统[1]。本课程旨在培养学生具备现代数字电子系统的设计能力，这为学生对后续相关课程的学习及实践能力的培养都具有积极作用。

1 课程教学的现状分析

笔者在《可编程逻辑器件》课程的教学实践中，发现本课程的教学模式与预期的教学效果仍存在一定偏差，主要分析如下：

1.1 在教学内容方面

侧重于“以课堂教学为中心，以知识传播为中心，以教师为中心”，偏重于理论教学，与本课程的教学要求和教学特点不相吻合。虽然近年来，学校的实验教学条件与环境得到了很大改善，但是在本课程的教学模式上，大多教师仍采用“理论教学-实验教学”的单一进程方式，缺少“实践-理论-再实践-再理论”的知识自我学习与自我凝练的过程，实验教学与相关理论教学在内容上的紧密结合性有待于进一步改善和提高。

1.2 在教学效果方面

由于本课程属于电子信息类学科的专业课程，课程内容涉及多门专业基础课，包括电路基础、数字电路技术、计算机接口技术、编程语言等，具有较强的逻辑性和严密性，若任课教师不能有效地激发和培养学生对本课程的学习兴趣，则难以让所有学生都跟上教学进度，达到“滚雪球”式的教学效果。作者在教学实践中发现，每次在课程教学的后半期，授课班级基于本课程的学习情况会呈现较明显的两极分化状态，大部分学生能够熟练掌握课程内容，但是也存在少量学生对课程的基础概念仍模糊不清。

1.3 在教学评价方面

本课程具有工科专业课程的一般共性，即课程作业和试题一般具有统一、明确的标准答案，主观分析类型的考核方式相对缺少，这使得部分学生的考核成绩不能完全反映出其对课程内容的掌握水平[2]。例如，本课程的设计习题往往存在几种不同思路的解决方案，但是作者在批改作业、综合测试及实验考试的过程中发现，经常出现大部分学生，乃至全班都使用同一种解决方案的情况，这主要是因为在现有的教学模式下，学生对课程内容无法彻底理解，更难以实现对所学知识的灵活运用[3]。另外，课程考核方式的单一性也可能会导致部分学生出现借鉴，甚至抄袭他人作业的懒惰行为，从而不利于培养学生的独立思考能力。

基于以上对《可编程逻辑器件》课程特点、人才培养方向以及教学现状问题的分析，为了满足高层次实用型和创新型人才培养的需求，有必要对本课程的教学内容和教学模式进行改革与创新。

2 基于微课的课程教学改革探究

2.1 微课概念及特点

微课以构建主义为指导，利用情境教学法设计教学，通过创设典型情境，激起学生的学习兴趣，从而用情感活动加强认知活动[4]。微课是信息技术发展与教育变革时代相结合的产物，也是技术与教学应用融合的高级阶段[5]。目前学术界对微课的概念尚未形成统一的定义，国内学者对微课的研究范畴包括“微教学过程”[4]、“微教学活动”[6]、“微教学资源”[7]等不同领域。微课的一般设计与制作流程如图1所示。

微课的出现并不是对现有课堂教学模式的颠覆[8]，而是对传统课堂学习的有效补充和资源拓展。微课以微视频为载体，具有主题突出、目标明确、短小精悍、结构良好、资源多样、应用灵活等特点，这使得微课可以支持翻转课堂、移动学习、碎片化学习等多种学习方式。而且，微课的内容具有灵活性和针对性，适合于问题解决、技能操作、观摩学习等小型教学任务，因此微课在工科课程教学活动中具有较为明显的应用优势。

2.2 基于微课的课程教学改革方案

基于上述对微课的学习与理解，作者将微课与《可编程逻辑器件》课程教学相结合，根据具体的教学问题及教学环境，灵活运用微课技术来丰富课程教学内容，改善课程教学模式。一方面，教师使用微课为学生展示、讲解、剖析本课程的工程实例，加深学生对可编程逻辑器件设计及其硬件描述语言的理解与掌握水平；另一方面，学生根据教师布置的课程设计任务，通过自我学习和独立思考，以微课的形式提交课程作业，形成一种新的课程考核方式。本文所提出的基于微课的《可编程逻辑器件》课程教学改革的具体实施方案如下：

2.2.1 课程初始阶段

《可编程逻辑器件》课程的教学内容包括可编程逻辑器件结构、硬件描述语言、软件开发工具等多个部分，其学习思路与传统的数字电路课程有一定区别。在本课程的初始阶段，学生需要掌握较多的技术名词与概念，如电子设计自动化（Electronic Design Automation， EDA）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit， ASIC）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device， CPLD）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array， FPGA）、硬件描述语言（Hardware Description Language， HDL）以及综合优化（Synthesize）、知识产权核（Intellectual Property Core）等。若是教师仅在课堂上对学生讲述这些概念，则缺少形象性和直观性，难以激发和调动学生对本课程的学习兴趣。

因此，在课程的初始阶段，教师应该以微型教学视频的方式，结合部分硬件实体展示，按照“概念-原理-技术-产品-应用”的学习思路，向学生讲述本课程的基础知识，吸引和促使学生能够在较短的时间里较好地理解相关概念，从而激发其对本课程的学习积极性。

2.2.2 课程进阶阶段

作为一门工程应用类课程，学生需要通过学习众多工程实例来理解、积累和掌握本课程的教学内容。本课程的工程实例一般由硬件描述语言（VHDL或Verilog HDL）、逻辑电路图、状态图（或状态表）以及（功能或时序）仿真图等多个部分组成。对于学生而言，长期重复“逻辑分析-代码编程-仿真分析”的教学模式相对侧重于理论教学，这不仅会让学生感觉枯燥无聊，难以长时间集中精力学习；而且也会在无形中割裂“电路设计-代码编程-硬件实现”之间的内在联系，让学生产生本课程仅是一门“软件语言”的错觉。然而，若将实验教学搬入理论教学的课堂中，一方面，课程的教学效果会受到实验条件和实验设备的限制；另一方面，由于每个工程实例的调试、综合、适配、编程配置等阶段均需要耗费一定时间，这将导致学生难以利用有限的课堂时间来学习更多的理论知识。

因此，在课程的进阶阶段，教师应该挑选若干代表性工程实例，在课下事先制作微课，使用屏幕录制和视频处理软件（如Camtasia studio、Screencast、屏幕录像专家等）来展示可编程逻辑器件的软件开发过程及其关键知识点，同时利用数码摄像机或智能手机拍摄载入了设计文件的硬件系统的测试过程，旨在让学生全面认识和掌握可编程逻辑器件的设计流程，从而进一步培养和增加其对本课程的学习兴趣。本课程制作的微课课件实例如图2所示。

2.2.3 学习应用阶段

基于对本课程考核方式单一性所造成缺陷的考虑，本方案计划在课程的学习应用阶段，以微课为驱动，采用翻转课堂教学模式，向学生布置一批有一定的工作量，难度适中的课程设计任务，本课程的部分设计题目如图3所示。课程设计任务要求学生自由组成学习小组，每组3～5人，选定其中一个课程设计，合理分工，利用已经学习的相关理论知识及开发工具，仿照其在课程进阶阶段所学习的可编程逻辑器件设计流程，以“逻辑分析-代码编程-仿真分析”为内容，自行制作微课课件，在课堂中展示并且给予必要的补充说明，最终由任课教师评价其微课作业的完成效果及优缺点，并且引导学生进行问题讨论。部分学生制作的基于课程设计的微课课件如图4所示。

因此，在课程的学习应用阶段，将理论教学与实践教学相融合的课程考核方式不仅能够激发学生学习本课程的成就感，提高学生的动手能力，同时也能够培养学生的独立思考能力、创新能力和团队合作精神。另外，本课程的一个特点是相关的软件开发工具多样化，包括Quartus II、Max+plus II、ModelSim等，软件功能较为丰富，因此学生可以在实验室之外，不需要借助硬件实验箱或开发板，也可以较容易地实现对硬件描述语言的功能仿真和时序仿真，这也是学生能够以微课形式提交课程作业的必要条件。

2.2.4 课程复习阶段

本课程的教学内容较为繁杂，涉及的技术领域较为宽广，学生需要通过对大量工程实例的学习、实践来积累经验。然而，这也往往会导致学生在课程的最后阶段，重点关注于电路设计方案及代码编程策略等方面的应用学习，从而忽视了对本课程内容整体性与系统性的掌握。

因此，在课程的复习阶段，教师应该将微课课件凝练为知识点，并且通过对学生阐述和分析不同知识点之间的关联性来总结和归纳本课程的学习路线，以此来加深学生对课程体系的理解，实现“点-线-面”全方位的教学效果。

综上所述，本方案的四个阶段相辅相成，顺序递进。将《可编程逻辑器件》课程教学与微课相结合，不仅可以为学生提供新颖的教学模式，充分激发学生的学习热情；同时也为任课教师提供新的课程考核方式，达到强化本课程教学效果的目的。

2.3 课程教学改革方案的特色

1）将微课概念引入工程应用类课程：《可编程逻辑器件》，进一步扩展微课的应用范畴，增加本课程的先进性、现代性和开放性；同时，能够充分调动学生对课程学习的主观能动性，进一步增强学生对本课程的学习兴趣。

2）能够改善本课程的考核方式单一性问题，进一步健全和完善学生掌握本课程教学内容的考核机制。

3）借鉴和运用辩证唯物主义认识论，进一步将本课程的理论教学与实践教学相融合，丰富和完善课程的教学内容，从而实现不断深化的能动的辩证学习过程，促使学生熟练掌握课程内容，达到理想的教学目的。

3 结束语

本文分析了《可编程逻辑器件》课程教学的现状问题，以达到有效教学目的，提高课堂教学效益为目标，提出了将微课概念引入本课程理论教学课堂的教改思路。在充分考虑本课程特点的基础上，借助于数码摄像机或智能手机等常用设备，以及屏幕录制和视频处理软件，总结和归纳了切实可行的，具有较强针对性的，基于微课的课程教学改革实施方案。在下一步工作中，作者考虑将微课应用于其他工程应用类的课程教学中，进一步探索微课在该领域课堂“教”与“学”应用中的有效模式和方法。

【参考文献】

[1]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）.

[2]龚学余，朱卫华，单长虹，等.“可编程逻辑器件及应用”课程的实践教学[J].电气电子教学学报，2007（04）.

[3]陈力颖.《大规模可编程逻辑器件设计》课程实验考试改革的探索[J].教育教学论坛，2013（52）.

[4]胡铁生，黄明燕，李民.我国微课发展的三个阶段及其启示[J].远程教育杂志， 2013（04）.

[5]苏小兵，管珏琪，钱冬明，等.微课概念辨析及其教学应用研究[J].中国电化教育，2014（07）.

[6]黎加厚.微课的含义与发展[J].中小学信息技术教育，2013（04）.

[7]焦建利.微课及其应用与影响[J].中小学信息技术教育，2013（04）.

[8]王竹立.微课勿重走“课内整合”老路——对微课应用的再思考[J].远程教育杂志，2014（05）.

[责任编辑：杨玉洁]