以实验教学为先导的理论教学改革
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0174-02
一、目前高校实验教学的地位和现状
目前在高等院校中实验教学在整个教学体系所处的地位越来越重要，其重要性甚至超过了理论教学。实验教学不仅可以提高学生的动手能力，而且可以增强学生的自主学习意识，加深学生对相关课程及专业的理解程度。
但受到传统教学模式的影响，各高校对实验教学的重视还仅仅停留在实验学时的增加和实验经费的投入层面，实验教学始终是理论教学的补充和辅助。多数高校实验教学和理论教学分开进行，在教学安排上实验教学在进度上略滞后于理论教学，学生先学习理论知识，再进行实验操作，这样使得实验教学的优势不能最大限量地发挥出来；另外实验课教师和理论课教师由不同老师担任，很容易导致实验教学与理论教学的脱节。为了充分发挥实验教学的作用，我们有必要对实验教学和理论教学进行科学的整合。
二、实际教学经历
笔者所在的专业是一个专业授课教师相对缺乏的教学单位，部分课程的实验教学和理论教学由一位教师承担，这样便给笔者实验教学和理论教学相结合的研究提供了良好的环境。以笔者所教授的《HDL与EDA》这门课为例，在前几轮授课中，还是采用了传统的教学方式，先讲理论课，等理论课的知识点足够支撑实验，才开始实验课的教学。由于是一个老师独立完成理论和实验的教学，所以在实验课上通常会提醒学生注意哪些知识点，而在理论课上也常常和学生一起分析实验过程中所遇到的问题及解决方法。这样几轮下来，理论知识的教学与实验教学完全融为一体，在实验的过程中不仅使学生的动手能力得到提高，而且可以使学生更好地把理论和实验联系起来。
但学生自主学习的能力和学习的热情并没有太大改观，于是笔者在进行了几轮传统教学后，改变了理论教学和实验教学的顺序，以实验教学为中心，以实验项目为先导引出理论教学中的知识点，充分发挥实验教学的优势，彻底打破原教材和大纲中授课顺序的限制，把理论教学揉入每个实验项目。让学生带着问题看书或上网查阅资料，带着问题进入实验室，解决部分问题走出实验室，解决全部问题结束理论课学习，撰写实验报告和学习总结，这个报告和总结已经不再是简单的局限在实验角度，它可以作为学生对所学知识的理解和掌握情况的总结。这样才可以更好地发挥实验教学的引导作用，突显实验教学的重要性；同时还提高了学生主动学习、主动解决问题的能力，学生的学习积极性被充分调动起来，教学效果显著。
三、具体教学案例
以《HDL与EDA》这门课的开学第一课为例，开学的第一节课不再是传统的理论教学――介绍FPGA和硬件描述语言（HDL），而是实验教学――流水灯设计，在这个实验中学生需要完成从代码编写，到程序下载，再到功能实现的全套过程。这对于对FPGA没有任何了解的学生而言确实极具挑战，这时教师的引导就起到了至关重要的作用。
1.布置实验课前预习作业
上网查阅资料，尽可能多地了解CPLD、FPGA的发展进程；CPLD、FPGA的功能、用途及应用领域。了解硬件描述语言的历史、分类及相对于普通原理图描述电路的优势。
独立安装QII软件，尝试学习QII软件的基本使用方法，并利用Verilog HDL编写简单流水灯程序。
预习作业要求学生前期投入很大，可很大程度上锻炼学生自主学习的能力，使学生在上课前对本节课的教学有了初步的了解。
2.实验课――教师引导讲解与学生动手相结合
实验课上教师的引导非常重要，刚刚做过预习的学生层次是不同的：预习较好且学习能力较强的学生可能已经大致掌握了相应的知识点，只需少量的点拨，解决心中的部分疑问；中等程度的学生可能看了许多资料后思路有些混乱；少数预习投入少的学生也许只是记住了几个专有名词。这些都没关系，实验课的目的就是引导学生并帮助学生梳理知识，使学生掌握利用QII软件编写流水灯程序、下载代码到芯片中并使LED灯循环轮流扫描的全套过程，进而对FPGA有直观的、感性的认识，初步了解它的用途，并对硬件描述语言的基本框架结构有所了解。
查看实验平台上FPGA芯片，对FPGA形成初步印象，初步理解FPGA的功能和用途。
利用多媒体教学直接演示如何利用Altera公司的QII软件实现从代码编写到下载到实现功能的最精简过程，并要求学生熟练掌握。虽然学生第一次接触QII软件，但以现在学生对计算机使用的熟练程度，此部分掌握起来基本没有难度。
实验课结束后，要求学生再次对实验课前的预习内容进行梳理和补充，此时可以先不写实验报告。
3.理论课讲解
经历了预习和实验课，学生已经从感性上对FPGA有了一定的了解，知道FPGA长什么样、FPGA是做什么的，这时教师开始系统讲解FPGA的历史及发展、FPGA的功能及适用领域、FPGA的内部结构等，学生在听课过程中一直浮现出的是实验平台上的FPGA芯片，做到了有的放矢。
通过实验课上编写第一个Verilog HDL代码，理论课上教师可以讲述硬件描述语言的产生及发展、讲述目前流行的两大硬件描述语言并进行简单对比，讲述Verilog HDL的基本架构等。
通过实验课上利用QII软件从代码编写到下载到实现功能的全过程，讲述FPGA与硬件描述语言（HDL）之间的联系，语言是如何以逻辑网表的形式被映射到FPGA芯片上并实现相应功能的。 所有的一切学生都是经历过的，理论教学不再是纸上谈兵，而是变得极为具体、亲切，极大地提高了学生的学习热情，同时教师的教学广度和深度也会得以施展。
4.学生撰写课后总结和实验总结
这是一个锻炼学生对知识总结和升华能力的过程，这不是一份简单的实验报告，也不是传统意义上的课后作业，这份报告需要反映出学生对教学内容和实验内容的理解和总结、对各知识点之间关联性的扩展。
经过以上四个过程，便完成了一个完整的教学单元，先进行课前预习，学生前期投入较多，但可以培养学生自主学习能力；再进行实验教学，教师在实验教学过程中要对相应知识点进行适度梳理，此部分教师的投入相对于传统实验教学多些，可提高学生的动手能力；再进行理论教学，对实验项目所涉及的知识点进行详细讲解，达到知识点全覆盖。最后学生撰写学习总结，实现对知识的总结和深化，有助于学生对知识的理解和把控更加深入扎实。
先上实验课，接下来的理论课把相应的教学内容补全，如果实验项目设置合理，是可以把一学期大部分教学内容涵盖在里面的。这样做，教师的实验教学工作量会有所增加，但理论课可扩展空间会增大。学生课前精力的投入会有所增加，但教学效果会有很大的改善，学生会从中获取更多的能力。
四、教学方式的设置需要解决的重点问题
如何设置与工程实践紧密相连的实验项目，并且该实验项目在广度上需要涵盖尽可能多的知识点，在深度上也要满足教学要求，极大限度地提高学生的动手能力。
如何设置与实验项目相配套的若干预习引导题目，此处如设计巧妙，可大幅度提高学生自主学习能力，开阔学生的视野。
如何按实验项目对理论教学知识点进行整合，形成新的理论教学体系。
如何引导学生撰写实验报告，进行学习总结，进而提高学生的综合概括能力。
在《HDL与EDA》这门课中我们设置了如流水灯、数据选择器、编码器与译码器、分频器、同步异步、数字钟、状态机等实验，由于Verilog HDL语言本身难度不大，所以通过这些实验完全可以覆盖大部分理论教学内容，没有覆盖的内容可以在理论课教学中作必要补充。
通过以上的课程设置，旨在更充分发挥实验教学的作用，使之不仅停留在验证、设计、综合上，还能起到启发、引导作用，进一步提高学生自主学习的能力和创新能力。
五、在工科教学中的扩展
这种教学方法，也适用于许多工科课程的教学，例如《单片机》，如果按着传统教学方法把单片机的CPU、存储器、I/O口、中断、定时计数器、串口都讲完再做实验，学生会一直抱着怀疑的态度学这些内容，他们不知道学这些东西的用途是什么。等真正开始实验时，又会忘记讲过的内容，不如先上实验，例如可以设置用按钮控制定时计数器计数的实验，这样可以把定时计数器和中断两个知识点显现出来，学生做过实验后，对定时计数器和中断的软件处理方法和硬件寄存器都会有一定的认识，这个时候再上理论课，相信一定会极大提高学生的学习兴趣的。
六、结语
当前实验教学是高等院校教学的重要组成部分，在整个教学过程中具有不可替代的重要地位，是学生理论联系实际的重要途径，它在培养学生综合素质和创新能力方面也有着不可替代的重要作用，所以我们应该从整体上对理论教学和实验教学进行整合和把控，万不可把理论教学和实验教学人为地割裂开来。
