[摘 要] 紧跟技术发展，把FPGA技术平台引入山东科技大学电气工程专业中，开设FPGA在电气工程中的应用课程并对之进行设计。课程框架压缩理论教学，突出实验和实践，结合专业特点设计了丰富的基础实验和应用综合实验，应用Xilinx公司产学合作协同育人项目式综合实验的教学方法，以培养应用型、技能型人才为目标，锻炼学生的实践动手能力，提高创新意识和综合素质，弥补FPGA技术相关课程在教学过程中传统的单纯课堂讲解模式的不足，积极探讨实践教学模式，培养学生的实践创新能力，以满足现代企业对实践型人才的要求。
[关 键 词] FPGA;电气工程;实践教学;应用综合实验
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章編号] 2096-0603（2019）22-0019-03
一、引言
FPGA称为现场可编程门阵列，是在PAL、GAL等可编程器件的基础上发展起来的，凭借其高度的硬件并行结构、流水线架构、分布式内存及可编程等特性，在电子信息、通信工程、自动化等领域中广泛应用。
FPGA属于弱电，电气工程属于强电专业和领域，因此，FPGA与电气工程专业结合并应用其中的情况目前还很少，也缺乏针对电气工程领域的FPGA教材和实验装置。实际上，FPGA的高精度脉冲时间捕捉、高密度数字I/O以及PWM信号发生器等强大数据运算能力、积木式设计结构及快速的响应速度，可实现驱动控制电路进行高效集成，在电力电子技术应用中有明显的优势。其中ARM具有流水线设计方法、硬件乘法器、PWM模块等丰富的资源，具备并行处理、设计可重构、设计流程直观等优点，可快速地实现复杂算法，并根据需求可在FPGA内部重构出SVPWM波输出接口以及ADC接口，在工业多电机控制领域优势突出。因此，把FPGA课程引入并应用于电气工程专业是非常必要的。
然而FPGA涉及的知识技能很多，需要掌握理论，更需要扎实的实践锻炼，它包含VHDL语言、软件开发平台、FPGA内部硬件结构及外围电路。器件的基础结构、内部硬件结构等内容的教学难度大，其描述语言语法规则较多，给FPGA技术课程理论与实践结合带来了困难，因此，目前国内不少高校都在对FPGA教学进行改革。比如，有的直接把FPGA融入数字电子技术课程，在其中设置了一定量的FPGA实验内容;有的投入大量资金建设FPGA实验室，为提高学生FPGA应用开发能培养提供有力支撑;有的将FPGA创新开发实验教学平台融入现代电子技术、通信技术、计算机技术、EDA技术及硬件描述语言，在教学体系上提供一个理论与实践结合的实验平台。
本文结合目前教学现状，把FPGA技术引入电气工程学科中，专门开设了FPGA在电气工程中的应用课程，根据我校FPGA实验室和电气实验中心的教学条件和实验设备，结合赛灵思（Xilinx）公司ZynqPynq设计验证平台和开发板等硬件条件，开设基于FPGA在电气工程应用的实践教学课程，设计教学计划、实验模块与实验教案。教学设计突出以FPGA为应用对象，以VERILOG语言为主要描述逻辑手段的电子电路设计方法，进一步增加实验课学时，提高综合设计性实验和创新研究性实验的比例，并对实验内容及时更新，有意识地将验证性实验、综合设计性实验和创新研究性实验与课程设计、实训、实习和毕业设计等实践环节密切联系起来，结合FPGA在电气工程中实际应用的工程项目实验，让学生按照工程设计要求，课内完成设计任务，培养学生的电子设计能力和工程实践能力，达到了较好的教学效果。
二、课程框架的设计及强化实践的做法
原FPGA课程共48学时，其中理论32学时，实验16学时，理论为主，实验为辅。显然这种模式不利于学生动手能力的培养。
为此，学院专门成立了教研小组，对课程进行深入细致的研究，做出了比较合理、科学的规划。围绕能力培养，构建实践教学体系，在教学过程中理论与应用结合，引导学生独立思考，主动探索，激发学生的主观能动性。把传统学科体系中的相关知识转化为教学项目，围绕项目开展教学，组织学生进行实战性训练。课程框架设计为六章内容，前五章为理论部分，最后一章为实验，包含基础实验和应用综合实验。理论部分要求学生掌握FPGA软硬件设计工具、Verilog语言的基本知识、电气工程的相关理论;实验部分要求学生掌握FPGA在电气工程中应用的工程实践。课程加大综合设计实验的比例，FPGA理论教学修订为16学时，实验教学修订为32学时，而且综合设计性实验由原来的12学时增加到24学时，以提高学生基于电气工程的综合运用与工程实践能力，引入多个综合设计性实验训练项目，在学生完成课内基本实验内容的基础上，进入该层次进行综合训练。
（一）实验部分教学设计
综合考虑课程的特点，在实验环节进行改革创新，实验部分设计了丰富、进阶型的实验项目，基础和综合部分各包含10个实验项目。基础实验有计数器设计、译码器设计、串口通信控制、ADC采集控制、数字频率计的设计、任意信号与PWM发生器、IGBT驱动触发系统设计、三电平逆变器主控制器的设计、正弦波逆变器的设计。综合实验有智能电网自动化、智能断路器的设计、步进电机的控制、电网实时数据采集与控制、电力系统的临时保护装置、变电站测控装置、电力系统谐波分析仪的设计、电力系统谐波检测系统的研究、用Vivado实现嵌入式linux操作系统与液晶屏驱动、基于Linux用Vivado实现的电能采集与频谱分析。
基础实验帮助学生掌握FPGA基本的设计方法，综合实验强调学生综合应用知识解决实际问题的能力。基础实验部分要求学生掌握输入、编译、模拟、仿真、综合、布图、下载及硬件测试等FPGA设计基本过程，熟练使用Vivado软件等FPGA工具，一方面，锻炼了学生理论联系及分析问题的能力;另一方面，通过自顶向下的数字系统设计流程，启发学生的创新思维。在项目式综合实验中，设置课程项目，锻炼学生团队协作、项目组织、科技写作等综合能力。通过程序设计，使学生真实体验项目开发的实施过程。项目式综合实验可以很好地满足这一需求。项目进度被简化为“申请→设计→结题”三个基本步骤，每个步骤要求学生写出阶段性总结文档。
实验项目实施以学生为主体分组进行，教师只进行组织、协调及必要的辅导，项目组共同分析和研究实验项目，查阅文献资料，确定技术路线、实施方案和小组分工，在实践过程中锻炼了学生对较大问题的模块划分、编码、分工协作、科技报告撰写等技能。在课程结束时，以答辩形式组织各开发小组汇报和演示作品。肯定成绩，找出不足，学生在积极融洽的环境中相互学习、取长补短，不断提高自己。
（二）实践教学方法改进
在FPGA课程教学中，突出学生动手实践能力、开发创新能力的培养，以设计和实现大规模数字系统设计为目标，采取“以实践为基础，理论与实践并重”的教学方式，在实验室中展开教学活动，理论教学与实践教学穿插进行。本课程还将采用一套全新的教学理念：突出师生共同探索、教材和课外读物并用、课堂与课外并行、传授知识与培养能力并重的理念。课程设计中降低课堂教学课时，大大增加实验课时，力争在实验中巩固知识，引导学生进行创新设计，最后再通过Xilinx的Zynq等平台验证。秉承通识教育、培养“厚基础、高素质、强能力、重创新”人才的培养理念，将课程的思想性、知识性、创造性、学术性、趣味性融为一体，通过学习，使学生能够熟悉FPGA的开发流程，能完成一些电气工程应用案例的开发。在具体实施过程中，不拘泥于单一的教学方法，可根据教学内容和阶段特点灵活采用案例教学法、任务教学法、项目教学法及工程实践法等多种教学方法，教学活动大部分都在专业机房或实验室进行，真正实现教、学、做有机结合。
1.案例教学法
对器件，通过实物、照片、视频等方式让学生熟悉常用FPGA芯片，能够合理选择器件的类型、系列、型号，并学会查阅资料、参数。对Vivado，通过案例（如三人多数表决器）示范用图形和文本两种输入方式从设计、编译、仿真、引脚锁定、下载测试过程引导学生跟着教师做练习，并让学生独立完成逻辑功能、引脚分配新内容。对VERILOG，摒弃传统的语言教学模式，直接通过直观、典型的实例，引出语法内容，把其中最核心、最基本的内容解释清楚，使学生在较短时间内有效把握语言的主干。
2.任务教学法
在基本数字单元电路教学过程中采用任务教学法，学生根据任务要求，在教师的指导下进行任务分析、方案选择、知识与技能学习（回顾）、设计仿真并下载测试。
3.项目教学法
在FPGA技术综合应用中将学生分成3～5人的一组，小组从6个题目中自主选题，在教师的引导下分工协作、共同完成设计与测试，以培养学生的团结协作精神和实践能力。
4.工程实践法
在毕业设计或电子设计竞赛阶段，让学生从历年电子设计竞赛题目中选题或自主选题，在教师的指导下自主学习并设计制作一个小型数字测控系统或简单的电子产品，以训练学生的创新能力和工程实践能力。指导过程中强调产品的理念，即在实现功能的基础上，进一步在教学过程中考虑可靠性、经济性以及速度、功耗等。
5.示范教学法
教师通过示范操作和讲解使学生获得知识、技能。教师对实操内容现场演示，边操作边讲解，并强调关键步骤和注意事项，同时学生边学边做，利于提高学生的学习兴趣和学习效率。
三、教学效果及总结
通过对课程的设计，强化实践教学，贯彻新教育理念，FPGA在电气工程中的应用教学取得了很好的效果。
1.通过对FPGA在电气工程应用课程的建设，创建了激励学生参与实践、创新的机制。提出符合时代需求的人才培养新模式，以动手实践代替理论教育，制定与之相适应的课程建设要求与实施方案，培养学生的实践动手能力、创新意识和综合素质。改变传统单纯的课堂讲解模式，建立实践教学模式，通过本课程的学习，学生基本可以将FPGA设计方法运用在电气工程具体设计中，使学生掌握Xilinx的ZynqPynq等平台的应用以及SDx技术在电气工程学科交叉融合方向的实验模式，使学生符合现代企业对实践型人才的要求。
2.结合Vivado软件平台设计出符合设计要求的实验开发板，且性能稳定;提供FPGA设计方案，利于虚拟集成电路设计实验打破传统教育教学模式。学生通过本课程的学习需具备以下能力：熟练使用Vivado软件等FPGA工具;熟练掌握FPGA设计的基本流程;熟练掌握Xilinx Zynq嵌入式系统的设计与实现方法;对FPGA在电气工程实例有初步的设计能力。
3.更新教学内容、完善课程体系、建立健全教学课程。按课程建设要求编写了规范、开发必要的教具、教学课件等。
高等院校的FPGA技术教学需要与其发展现状相适应，深入进行课程改革，加大FPGA实践课程比重，改进实验内容、教学方式，突出分析问题、解决问题能力的培养，切实改善实验教学效果。FPGA技术是一门电气信息类专业的重要平台型课程，把FPGA课程引入电气工程专业中可为学生提供实践创新平台新方案，利于学生知识面的拓宽、创新意识的激发、工程实践能力的提高，也达到了FPGA技术更好地为电气工程学科服务的目的。
参考文献：
[1]王彩凤.基于FPGA的EDA课程教学改革与实践[J].高师理科学刊，2018，38（2）：91-93.
[2]赵小刚，丁玲.基于FPGA的计算机体系结构课程教学改革研究[J].湖北科技学院学报，2016，36（12）：64-67.
[3]燕莎.基于自主研发实验平台的高职FPGA课程教学改革[J].中国教育技术装备，2016（11）：32-33.
[4]王鹏，陈新武，陈咏恩，等.面向应用型本科教育的FPGA课程教学探讨[J].实验技术与管理，2016，33（3）：185-188，234.
[5]王洁，侯刚，周宽久，等.基于FPGA的课程群一体化实践教学体系与平台[J].实验技术与管理，2015，32（9）：208-211.
[6]胡靖，杜西亮.基于FPGA技术的课程教学改革探索[J].黑龍江教育（高教研究与评估），2015（3）：35-36.
[7]蒋俊华，王蓓.基于FPGA设计及应用课程的理论和实践教学方法探索[J].商丘师范学院学报，2014，30（12）：128-130.
[8]杨慧晶，于斌，任明远.基于FPGA课程的教学改革探究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2014（9）：8-9.
[9]周莉莉，周淑阁，井娥林.FPGA课程教学方法的探讨与研究[J].实验室科学，2013，16（3）：65-66.
[10]王正勇，尹洪剑.基于FPGA/CPLD的EDA课程教学改革与实践[J].工业和信息化教育，2013（3）：40-42.
[11]余能辉.关于FPGA课程教学的实践及其探索[J].南昌教育学院学报，2012，27（11）：49-50.
[12]叶波，赵倩，林丽萍.FPGA课程教学改革探索[J].中国电力教育，2010（24）：130-131.
[13]杨莉，施国勇.基于FPGA的“数字信号处理”课程设计教学实践[J].电气电子教学学报，2010，32（4）：77-78，90.
◎编辑 赵瑞峰