新工科教改 | 看！你的大学老师把实验室寄到你家了
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“老师，我收到FPGA开发板了！”“报告老师，我们班同学收到的开发板零差错，测试后全部正常！”“真没想到在家也能做实验，为学院和课程组老师的精心安排点赞！”4月17日，示范性微电子学院集成电路设计与集成系统专业2018级159位同学，陆续收到学校和第三方公司免费寄送的实验工具——FPGA开发板，在疫情特殊时期，实现了居家做实验。
通过丰富的实验、实习、实训环节锻炼和提高学生的工程能力，一直是示范性微电子学院的人才培养特色之一，受本次新冠肺炎疫情影响，学生暂时不能返校，也不能前往各实习单位，如何开展有效的实习训练，成为摆在示范性微电子学院副教授黄乐天面前的难题。
作为《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程（以下简称《微嵌》课程）组组长，黄乐天经过仔细琢磨，在学院和校友企业的通力协作下，“把实验工具邮寄到家”，成为了化解居家实验难题的好办法。
芯片：不只会用，更要会造
“这是一门专业的‘基础课’,我们不只是培养会用芯片的人，更致力于培养会造芯片的人才。”谈起线上线下结合的这门本科课程，爱笑的黄乐天打开了话匣子。
FPGA（Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）开发板重约200克，大小仅一个成年人手掌尺寸，被形象地称为“口袋实验室”。在黄乐天看来，借助“口袋实验室”不受时空限制，保证学生有足够实验时间，集成且便捷，培养学生掌握打通软硬件技术的核心能力，最终练就“造芯片”的本领。
目前，《微嵌》课程教学由黄乐天、廖永波、刘红星三位老师共同开展，利用FPGA开发板为载体，进行二次开发，让学生基于“口袋实验室”，自行定义、设计并实现一个具有完整功能的“片上计算机系统”，最终应用到专业学习中，构建起核心的知识技术能力。
传统的实验是按照“芯片应用”的思路开展，但随着集成电路技术的发展，微处理器的集成度越来越高，大部分甚至全部计算机及外部设备的功能都已经能够“单片集成”。如果继续按照使用现成芯片的思路，则会将人才培养的重点引向“应用编程”上。
直接利用“单片集成”芯片技术的“拿来主义”虽然便捷，但我国在集成电路领域长期处于落后地位，这些主要由国外芯片公司推动的技术进步，在很大程度也将我国的技术人员挤出了硬件技术的“核心圈层”。
“如果我们只停留在培养学生使用现成的、已经被定义好的芯片，即使这些芯片功能再强大，我们也只是在“用买来的猛虎来给自家看门。”黄乐天形象地比喻说。
惊喜：FPGA开发板空降 居家实验变可能
“也许今天晚上你正好有空，花2-3个小时就能搞定平时几节课都不一定做得下来的实验。”谈起使用“口袋实验室”的好处，黄乐天认为提供了一个很好的不受时空限制的练手机会。
对学生来说，原来在实验室里完成一些东西，会受限于当时实验的地点和时间；于老师而言，则必须要保证学生在有限的时间内能顺利完成大部分实验内容，设计实验难免会囿于死板教条。
而“口袋实验室”因其小巧便携的特点，不仅让学生脱离了对固有实验环境的依赖，还提供给了学生极大的灵活性。如果实验过程中出现“卡壳”，学生可以停下来去查阅网上资料、和同学讨论或请教老师和助教，而不必再担心必须要在有限的课时内赶紧完成实验。这不但有助于学生形成更好的自学能力，也让教师可以设计更为全面、深入、灵活的实验内容。
2019年开始，为适应专业培养目标和课时调整的需求，在学校教务处推动实验教学改革的举措下，示范性微电子学院独立开设《微嵌》课程。为给同学们提供更为便利的实验条件，课程组决定利用“FPGA口袋实验室”为载体开展课程实践教学，解决课时缩短和技术发展带来的知识体系日益庞杂之间的矛盾。
新冠肺炎疫情期间，学校电工电子实验中心携手校友企业“硬木课堂”、Arm教育计划伙伴“安芯教育”提供了价值10余万元的160套FPGA开发板，在学院和课程组老师的多方协调沟通下，学院老师一一确认同学收货地址和联系方式，“硬木课堂”承担了所有快递开支，将FPGA开发板通过顺丰快递邮寄到了159位同学家中，让居家实验成为可能。
课程助教直播简介软件的操作方法
4月12日，课程老师和助教通过在线直播对该实验进行了理论讲解，并在线进行了实验操作的演示，确保了同学们居家实验进展顺利。
18级本科生张煊昊同学居家开展“口袋实验”
第一次在家中使用开发板进行实验，集成电路设计与集成系统专业2018级学生张煊昊既激动又忐忑，开心的是居家也能随手做实验了，担心的是无法像往常一样在实验室做实验，不能得到老师手把手的指导，会遇到很多困难。
“居家也能上手做实验，对疫情期间没法回学校的我们来说，真是一份意外的惊喜。实验过程中老师给我们提供了十分详细的指导和视频参考，在遇到困难的时候还有助教帮忙答疑。到现在我已经成功完成了两次实验任务，最有价值的是通过提供的实验过程举一反三，使得其能够在我的电脑上也正常运行，在动手操作过程中，也锻炼了我独立解决工程问题的能力。”张煊昊开心地表示。
“把虚拟触碰不到的代码、程序装载到了能够看得见、摸得着的电路板上，让人体会到了全新的学习乐趣。”2018级学生包俊晗刚刚结束自己的实验任务，他认为微嵌课程像“摸得着的理论”，不需要走进专业昂贵的实验室，只要认真完成设计、编写代码、添加约束条件，剩下的事情只需要计算机来完成，从编译到综合，再到最后的电路实现，“这是帮助学子见证整个系统设计点滴的过程，让人精神振奋”。
追求：培养横跨软硬件领域的架构设计人才
如果把计算机架构设计比作房子的框架设计结构，与其他学习针对计算机芯片、嵌入式芯片的应用编程及软件开发的专业不同，《微嵌》课程不在于追求学生做出新奇炫的东西，而是强调通过实操，培养打通软硬件的架构设计人才，培养学生定义一颗芯片的能力。
目前的国内集成电路领域，普遍缺乏能够横跨软硬件领域的人才，在课程组看来，通过《微嵌》课程，就是要让学生听得懂软件的需求又做得出硬件的设计，不但要培养合格的“施工员”，更要培养“建筑设计师”甚至是“建筑大师”。
要培养这样的人才，仅仅依靠课堂上老师带着学生一起来“脑补”和“畅想”是做不到的，必须创造条件让同学们自行“构建”一套自己定义的片上系统。
“只有走完一套完整的软硬件设计流程，并让自己定义的芯片成功运行才有可能去理解系统架构的核心知识点，并构建出自己的知识体系和专业能力”，课程组在教学中不遗余力推动改革与探索。
由于普通的FPGA的实验板并不具备支持嵌入式软件在线调试的能力，课程组还在Arm中国、安芯教育、硬木课堂等业界公司的支持下，对FPGA开发板进行了二次改造，让同学们获得通过在FPGA开发板上完成基于嵌入式微处理器的自定义片上系统，最终搭建并编写相应的软件来驱动自己定义的硬件的经验。
同学们收到开发板后开始进行实验
4月中旬，同学们已陆续收到开发板并完成第一次实验内容，通过提交实验报告、录制实验操作视频等形式，提交自己的首次实验成果。任课老师和助教将通过在线文字答疑、不定期视频答疑以及在线直播演示等方式，带领同学们基于开发板进行实验，最终能够按要求搭建自定义的片上计算机系统。
部分同学为备战“大学生集成电路创新创业大赛”完成的小作品
《微嵌》课程组的改革探索，在去年已经完成课程的2017级学生中取得了高赞的评价。17级学子包镕新说，“我基于嵌入式处理器内核搭建了自己定义的单片机，自行设计并集成了外设，告别了具有bug的IIC和繁琐的初始化，跳出了数字逻辑的局限，从更高的抽象层次理解了CPU、总线、DMA以及外设的作用和它们间的关系。复杂的过程通过设计算法，编写程序实现，获得了远超纯硬件电路的灵活性。”
“通过基于FPGA的口袋实验，我对软件使用以及汇编语言和C的编码有了初步掌握，能更好地理解软件如何在硬件上运行，打破了此前学习纯逻辑设计开发而形成思维定势。相信今后能更快上手实习公司所布置的各项学习任务。”2017学子罗仪豪表示。
“正是由于此前的教学改革工作的铺垫，让我们在遭遇疫情以后能够有比较全面的应对措施。确保同学们有板可用、有疑必答，引领学生较为顺利的开展相关实践。所有的这些，都是为了让学生获得持续发展的能力，为未来的集成电路行业培养中坚力量和领军人才，我们一直在路上。”黄乐天说。
来源：电子科技大学新闻网
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本期主编 | 符劲轩
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