学习编程计划范文

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Abstract：For improve the quality of teaching about SOPC course，author combined achievements of related scientific research projects and teaching，analyzed the characteristics of the course，and made discussion about design of projectized teaching according the practical situation of our school.

Keywords：SOPC;projectized teaching;NIOS Ⅱ

1.引言

可编程片上系统（SOPC，System on a Programmable Chip）结合了SOC（片上系统）和PLD（可编程逻辑器件）、FPGA（现场可编程门阵列）各自的优点，是特殊的嵌入式系统;它首先是片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能[1]。SOPC技术已经成为国际新技术的研究热点，具有广阔的应用前景[2]，国内对SOPC的研究越来越多，对SOPC的应用也越来越广泛。SOPC是电子系统发展的必然趋势。然而精通SOPC的人非常少，很多高校的大学生由于多方面的原因SOPC学的很不扎实，远远不能满足企业的需要[3]。笔者结合在SOPC方面的教学经验和科研项目成果，探索了SOPC项目化教学设计，将科研与教学有效结合。

2.设计思路

SOPC技术的实现方式有3种[4]，美国ALTERA公司提供了基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC实现方式。美国ALTERA公司的大学计划为全球范围内的大专院校提供先进的开发软件、可编程逻辑器件、开发工具以及完整的设计套件，对提高高等学校SOPC方向实验教学提供了良好的基础。

ALTERA公司提供的NIOS Ⅱ是一种软核（Soft-Core）处理器，软核处理器最大的特点就是可由用户需要进行设置。NIOS Ⅱ是一个用户可以自行定制的CPU，用户可以增加新的外设、新的指令，分配外设的地址等。NIOS Ⅱ的硬件开发就是由用户制定适合的CPU外设，Altera公司的SOPC Builder提供了大量的IP Core来加快NIOS Ⅱ外设的开发速度。

笔者通过在基于NIOS Ⅱ的单点自适应信号控制器设计中的应用可见，SOPC应该是NIOS系统+硬实时部分+逻辑电路的一个组合体，其中NIOS负责数据管理，通讯，人机交互等实时性相对较低的任务，硬实时部分则是独立于NIOS系统，充分利用现有IP，用VHDL语言实现的某些实时性可靠性要求较高的关键部分，它可以和NIOS系统通过自定义的接口通讯。由FPGA其他资源完成接口以及逻辑处理，更是FPGA的优势。

因此，本文进行基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC开发的教学设计。

3.设计原则

（1）理论实践一体化，突出实践环节

SOPC设计与应用是一门理论与实践紧密结合的课程，它没有太多的理论知识需要讲解，实践性和应用性很强，内容也不易理解[5]。因此，可进行理论实践一体化教学，并突出实践环节。

（2）难、易、趣结合

教学项目的设计要紧紧围绕课程标准，选择的项目应该是学生比较熟悉的，具有一定难度，又不能太难，并且具有一定趣味性的，才能激发学生的学习热情和信心。

4.项目化教学设计

本文设计的“可编程片上系统”课程为2学分，共32学时，本校实训室配备有EDA/SOPC实验箱及计算机等实验实训条件，前续课程：CPLD/FPGA应用，根据我校的实际情况，设计的教学项目见表1。

表1 课程项目

序号 项目名称 学时 性质

1 可编程片上系统认识 6 演示、验证

2 可控霓虹灯 4 验证、设计

3 可倒计时交通信号灯 6 验证、设计

4 俄罗斯方块 4 验证、设计

5 音乐盒 4 验证

6 视频播放器 2 验证

7 自适应控制交通灯 6 验证、综合

各项目的学习任务和内容如下：

项目1：可编程片上系统认识

学习任务：反应时间测试，利用实验箱搭建一个反应时间测试的电路，该电路包含有发光二极管、按键开关、数码管等器件，电路运行之初二极管为熄灭状态，过几秒后，点亮二极管，测试人看到二极管点亮时，按下按键开关，数码管显示出二极管点亮至按键按下的时间。

学习目标：了解SOC，FPGA和SOPC的基本概念及其开发工具Quartus，SOPC Builder和Nios IDE，并学习了解SOPC的软件和硬件开发流程。

学习内容和教学方法：

与学生互动演示学习任务：反应时间测试，围绕该任务讲解SOC，FPGA和SOPC的基础知识，介绍SOPC开发工具Quartus，SOPC Builder和Nios IDE，并学习了解SOPC的软件和硬件开发流程。学生利用已有的电路和程序文件，在教师带领下搭建学习任务：反应时间测试的电路。

项目2：可控霓虹灯

学习任务1：流水灯，控制8个发光二极管的点亮效果似水在流动，即每次只点亮一个灯，将8个灯依次点亮，可以从左往右点亮，也可从右往左点亮。

学习任务2：可控霓虹灯，在流水灯的基础上增加一个控制按键，按键未按下时，8只发光二极管显示为流水灯，按下一次按键，8只灯从中间往两边点亮，再按下一次按键，8只灯从两边往中间点亮。

学习目标：巩固SOPC开发的基本流程、方法、工具。了解IO端口的使用，能完成简单的程序编写。

学习内容和教学方法：

学生在教师带领下，根据基本步骤，完成学习任务1：流水灯。学生分组，每组学生独立完成学习任务2：可控霓虹灯。

项目3：可倒计时交通信号灯

学习任务1：简单交通信号灯，用发光二极管模拟交通信号灯，完成一个2相位十字路通信号灯设计，配时方案为定周期。

学习任务2：数码管倒计时，用两只数码管实现99至0秒的倒计时。

学习任务3：可倒计时交通信号灯，用发光二极管模拟交通信号灯，完成一个2相位十字路通信号灯设计，配时方案为定周期，可对每个相位的计时时间进行倒计时显示。

学习目标：学习定时器的使用，能完成较复杂的程序编写。

学习内容和教学方法：

学生在教师带领下，根据基本步骤，完成学习任务1：简单交通信号灯和学习任务2：数码管倒计时。学生分组，每组学生独立完成学习任务3：可倒计时交通信号灯。 （下转第181页）（上接第178页）

项目4：俄罗斯方块

学习任务：利用VGA显示器和VHDL语言实现经典游戏――俄罗斯方块。

学习目标：了解VGA显示的原理，会用VHDL描述VGA控制，能利用提供的参考电路和程序实现俄罗斯方块。

学习内容和教学方法：

教师讲解VGA显示原理，用VHDL描述VGA控制，本任务的NIOS 2软硬件设计，演示本任务的实现过程;学生在教师指导下实现俄罗斯方块，并对结果进行分析。

项目5：音乐盒

学习任务：将存储在SD卡的音频文件读取出来，并经过Avanlon总线送往DAC音频电路播放音频文件。

学习目标：了解SD卡接口与控制，DAC电路接口方法。

学习内容和教学方法：教师讲解SD卡接口与控制，DAC电路接口方法，本任务的NIOS 2软硬件设计;学生在教师指导下实现音乐播放。

项目6：视频播放器

学习任务：实现MPEG-4视频播放器。

学习目标：了解MPEG-4视频播放器的实现方法。

学习内容和教学方法：教师讲解用Nios Ⅱ用户自定义指令方式实现IQ、IDCT、MC等计算密集型功能模块，视觉框架MPEG-4视频实时解码。学生在教师指导下实现视频播放。

项目7：自适应控制交通灯

学习任务：自适应控制交通灯电路设计，利用教师给出的遗传算法符号模块，用发光二极管模拟一个2相位十字路口的交通信号灯，设计自适应控制电路，用两只数码管实现倒计时。并完成相应的控制程序。

学习目标：了解自适应控制的概念、理论;了解自适应控制实现过程。

学习内容和教学方法：教师讲解自适应控制的概念、理论，遗传算法及其硬件化，自适应控制实现方法。学生在教师指导下实现自适应交通灯控制。

5.项目化教学实施

在实施过程中，教师充分考虑各项目的难易程度和学生的基础，灵活以演示、验证、设计、综合的方式来完成这些学习任务。在进行项目化教学过程中，教师应做好引导，以充分发挥学生的主观能动性。在实现这些学习任务时，教师要引导学生用哪些技术手段、知识来完成任务，并且如何应用到更多的具体问题中。

6.小结

本文介绍了可编程片上系统项目化教学设计的思路、原则，并设计了由易到难、由基础到综合的7个教学项目，将科研和教学进行了有效结合。

参考文献

[1]张丽霞.基于NIOSⅡ的单点自适应控制器设计研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2011，5.

[2]崔永利，沈泓，李妍，李兰英.SOPC嵌入式系统实验教学探索与创新人才培养[J].实验室科学，2011，14（6）：12.

[3]周殿凤.片上可编程系统项目化教学探讨[J].轻工科技，2013，5（174）.

[4]王伟.基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计[J].淮北职业技术学院学报，2013，12（1）.

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教高【2006】16号文件《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中指出：大力推行工学结合，突出实践能力培养，改革人才培养模式。要积极推行与生产劳动和社会实践相结合的学习模式，把工学结合作为高等职业教育人才培养模式改革的重要切入点，带动专业调整与建设，引导课程设置、教学内容和教学方法改革。

一、课程设计的必要性

《数控编程与操作》是数控技术专业最重要的核心专业课程，受到各院校的高度重视。

针对该课程的特点，我们提出通过该课程的学习，使学生掌握数车、数铣、加工中心、电火花机床的操作，掌握FANUC、SIMENS、HNC、GSK等4种系统的编程，使教学的目的性更强，学生学习的针对性更强。课程设计的理念基于工作过程的课程体系，课题组正是沿着这一思路着手进行课程的设计。紧紧围绕课程对人才培养的目标要求，打破传统的课程设置模式，突出高职教育教学特点，探索将课程内容项目化、模块化，将课堂教学现场化，强化职业技术能力，把工学结合的思想贯穿在整个课程教学过程中，把理论教学和实践技能培养有机地结合起来。

二、课程设计的思路

数控技术专业的《数控编程与操作》课程实行“1+2”模式，即将课程设计为1个职业能力学习模块，再加上2个职业能力拓展模块。职业能力学习模块主要学习数控编程及操作的理论知识，2个职业能力拓展模块分别为数控机床操作实训和使用数控机床加工零件实习。前一个能力拓展模块侧重于装备各类数控系统各种机床的操作，后一个能力拓展模块侧重于各种复杂零件的数控加工。通过理论课与实践课并列进行的教学模式，使数控加工操作实践始终贯穿整个教学过程，形成融知识传授、职业能力培养、素质教育于一体，以实际典型零件加工过程为导向，现场教学、课堂教学、项目教学等多种模式并举的教学方式。

1.对理论教学体系进行整体优化，构建以职业能力培养、提高素质为主线的课程内容体系

在理论内容方面强调以应用为目的，以必需、够用为度，课程内容突出针对性、应用性和实用性，增加与现场实际密切相关的内容；可根据专业发展方向的需要，适时调整课程内容，以保证课程内容始终与数控技术的发展水平、市场对人才能力要求相适应。

2.构建相对独立又与理论教学有机融合的、基于工作过程的实践教学体系

加大针对理论内容的项目训练、强化实训等实践教学环节的比例，使实践教学时数与理论教学时数的比例达到1︰1以上。建立起完整配套的实验和实训教学环节，进行“真枪实弹”训练，把实习教学由单纯消耗转变为实习与生产的有机结合，做到生产和实习两不误。这种作法也为工厂节省了人力，降低了消耗，创造了效益，真正实现了实习教学和生产的有机结合。

3.强化职业能力培养，将职业技能鉴定融入常规的教学训练过程

将与课程相关的数控类职业技能鉴定工种融入平时的教学训练过程中，实现专业教学和职业鉴定的“直通车”。如数控铣工、数控车工的职业鉴定融入到课程教学和数控编程加工实习实训中，既节省专业的教学资源、降低学生的鉴定成本，也提高了学生学习专业课程的兴趣和主动性。

在整个教学过程中，从理论教学、项目实训教学到强化实训，要求做到“六结合”，即理论与实践相结合、传统教学方式与现代教学手段相结合、讲解与指导相结合、课堂教学与现场教学相结合、校内教学与校外实践相结合、教师与企业工程技术人员相结合，以达到培养学生具有独立分析和解决问题及创新的能力，实现理论教学与实践教学相融合的一体化教学体系。

三、教学内容的具体表现形式

（1）构建了典型零件库和零件加工工艺性文件库，并通过网络让学生随时调用典型零件的加工程序，拓宽学生的编程思路，提高学生解决实际问题的能力。

（2）教学内容充分利用现代网络技术，搭建一个网络平台，将课程的诸多信息放置在网上，便于学生的学习，也有利于教师与学生的交流。

四、学习情境设计

根据每一学习情境职业能力要求，进行每一学习情境的教学设计，下面通过实例介绍学习情境教学设计过程。

实例：在数控车床上完成凹圆练习件的车削加工

1.工作任务描述设计

加工零件任务名称：凹圆件练习件的车削加工。

2.零件类型描述

该零件属于较简单的阶梯轴类零件，是使用数控车床加工的基本外轮廓形状。是数控车削加工中难度较低的基本零件之一。

3.学习情境教学(行动)过程总体设计

根据每一学习情境教学内容，来开发以行动过程为导向的学习情境学习过程，即下任务、定方案、誊卡片、加工、检测五个行动过程。

参考文献：

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二、可编程控制器技术课程采用信息化教学的意义 

可编程控制器技术课程是电气自动化技术、机电一体化技术专业的必修课。该课程在高职院校传统教学中是以教师在理实一体化教室边讲授理论知识边实操演示为主，以学生实训（实验）为辅。这种灌输加模仿式的教学让学生被动地接受知识，目标空洞、缺乏学习动力，机械性的操作让学生对知识理解并不透彻，导致教学效果不理想。 

首先，在实训过程中对照实训设备在黑板上板书的授课方式信息量小，灌输给学生的是抽象的理论知识和枯燥的机械性操作，既不生动又不形象，内容讲解虽然有较强的针对性，但很难激发学生的学习热情。其次，理实一体化实训室虽然有多媒体设备，但是很多多媒体课件都是把教学课本知识以及实训室的设备图片未经现代化信息技术处理单纯地复制到多媒体中，过大的信息量使学生抓不住重点，难以达到很好的教学效果。最后，可编程控制器技术是一门理论与生产实际相结合的课程，传统的理实一体化教学大多只侧重于实训室实验设备的理实结合，而忽视了生产实际应用，导致学生只会操作实训室里的设备而没有真正的生产实践动手能力，完全是纸上谈兵，无益于以后的工作。 

面对传统教学的弊端，如何唤起学生自主学习的欲望和激发学生的学习兴趣，是提高课程教学质量的关键。为了适应国家信息化与工业化融合发展的要求，为了培养掌握信息技术的高素质技能型人才，职业院校要在专业课程教学中培养学生的信息素养、岗位信息技术能力和就业创业技能。如何使现代化信息技术与可编程控制器技术课程深度融合，让学生转变学习方式，让教师改变教学模式，使教师与学生都具备较强的信息技术素养和职业能力，是广大职教工作者值得研究的课题。因此，进行基于工作过程的可编程控制器技术课程信息化教学的研究与实践，对提高本课程的教学质量和人才培养质量具有重要的现实意义。 

三、可编程控制器技術课程采用信息化教学的基本原则 

可编程控制器技术课程概念抽象、内容繁多。该课程采用信息化教学要将课程当中抽象的教学内容、枯燥的操作方式，应用信息技术手段生动、直观地表现出来，并以“任务驱动”和“问题解决”作为学习和研究活动的主线，让学生从各种信息化教学资源（多媒体课件、微课视频、网络资源、仿真教学软件、数字影像技等）中获取丰富的学习资源。在教师的引导、支持、监督（评价）下，学生与学生之间，教师与学生之间进行交流、分享，共同探讨教与学的策略和技能，在教学过程中做到真正意义上的理论联系实际，在做中教、做中学、学中做。 

四、可编程控制器技术课程采用信息化教学后须实现的目标 

第一，可编程控制器技术课程采用信息化教学提高了学生的自主学习兴趣，解决了学生的问题。充分利用信息化现代技术完善教学资源、教学模式、教学手段，通过任务驱动教学，设置教学情境任务，将知识点融入生产实际案例，让学生更加直观、深刻地掌握知识内容，从而激发学生的自主学习兴趣。 

第二，可编程控制器技术课程通过信息化教学改变教师认为上课只是“传授知识”的陈旧观念，要求教师加快更新知识储备的速度，提升课程开发、信息化教学设计、信息化教学资源建设的能力，能够采用信息化、项目化教学模式培养学生的信息素养、岗位信息技术能力和就业创业技能。 

第三，可编程控制器技术课程通过信息化教学使理实一体化教学更加贴近企业生产实际。教师应充分利用信息化技术来设计教学任务，将企业典型的职业工作任务转化为能在理实一体化教室实现的任务，使学生通过学习、实施该任务，了解企业的工作过程和经营过程，具备一定的职业经验。 

参考文献： 

[1]赵亚琴.《可编程控制器原理》课程信息化教学设计[J].中国教育信息化，2015（3）. 

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关键词 游戏化学习；Scratch；计算思维

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2015）03-0066-03

Scratch数字艺术单元主要利用画笔模块中提供的图章和划线等功能，完成一些有趣作品创作，如《万花筒》《神奇画笔》《同心圆》和《冰雪奇缘》等教学内容。由于作品中设计的内容具有互动感强、生活气息浓、体验感多、图形奇特等特点，是学生特别喜欢的一个学习内容。如何上好这个单元的课，可以采用多种游戏化学习方式，创设不同的情境，从多角度训练学生的计算思维，培养他们的创造力，同时感受数字艺术的奇特和程序设计课程的趣味和价值。

本文就笔者在《Scratch创意设计》课程中数字艺术单元第4课的教学设计与实践谈一谈教学体会。

冰雪奇缘项目简介

1． 项目功能介绍

本项目源于code.org网站提供的冰雪奇缘的游戏（图1）。学生在游戏中跟随安娜和艾尔莎创建一个冬季仙境，利用网站提供的在线编程环境，拖曳模块组件脚本，完成画图，学生逐一完成游戏中提供的20个谜题（图2）。谜题完成后可以收到网站提供的证书，同时还可以打印自己的成绩。

谜题将学习知识分为小步子进阶，不断为学生搭建学习和了解数学知识以及画图编程技能的阶梯，帮助学生把一个大问题分为若干小问题，由易到难，一个台阶、一个台阶地学习前进。当学生组装的代码不太准确时，游戏会提示孩子们继续尝试，还有视频讲解，直到成功进入下一步学习。学生在不断挑战进级中完成学习任务，他们可以习得关于什么是正多边形以及画正多边形时旋转角度和多边形边数的关系等知识，通过模仿游戏中的脚本组件，画出正多边形以及由它组成的其他图形。

2．相关知识点

（1) 数学知识：正多边形及其内角和外角。

（2）画正多边形时角色旋转的角度的计算方法。

（3）单循环、双重循环的结构。

教学设计

1．教学目标

（1）通过游戏项目的学习，了解编写画正多边形以及由它组成的更多图形的程序设计基本过程，建立基于计算机编程的问题解决的基本逻辑。

（2）学生自主学习，教师巡视指导

学生按照老师提供的网站，进入“编程一小时与安娜和艾尔莎创建一个冬季仙境”的项目学习（图4）。在学习过程中，学生自主学习、学生同座合作交流，师生个别对话交流。

（3）自由创作

学生陆续完成游戏项目中的谜题后，请学生打开Scratch（图5），发挥自己的想象力，设计自己心目中的冰雪世界。

教学实践与反思

本次教学的主旨是围绕“为创作而教”，学生在游戏中学习编程画图后，创作出自己心目中的冰雪世界，培养学生的创造能力，主要有如下特点。

1．通过对游戏中谜题的解答，他们模仿学习了画线、画正方形、三角形、平行四边形以及圆形等规则图形；还学习了画“米”字图、“雪花”图以及由正多边形组成的其他图形。这些知识和技能的掌握是学生在玩游戏过程中自主建构的，这种学习方式提高了学习的效率和学生参与度。通过完成谜题，学生学会了思考尝试解决问题的方法，在失败中发现问题并寻找解决问题的方法，从而发现规律。

2．学生通常喜欢玩市面上的游戏，不喜欢设计自己的游戏。通过这次学习活动，学生在游戏中学到了知识和编程技能，发现了画图规律，然后在Scratch中尝试设计自己的游戏，画出心目中的冰雪世界，从而他们会发现自己也能设计游戏，甚至比市场的游戏更有趣，培养了自己的创新思维和和创造能力。

4．教师针对学生作品中存在的问题，提出修改意见，进一步完善自己的作品，发现更多规律和编程技巧，同时体验更多数字艺术的奇特和程序设计的魅力，提高学生学习课程的兴趣。

5．游戏化学习活动学生非常喜欢，他们说道——学生甲：这次活动课非常有趣，我们可以自由地创作自己喜欢的作品。而且我从这次课中发现了变量和重复模块的重要性。虽然这次的脚本很简单，但是要做出美丽的图案还是比较复杂的，有那么一点挑战性。我相信这对其他多数同学来说都是一个“自由的挑战”。

学生乙：这次的信息课别具一格，老师让我们玩游戏。学完冰雪奇缘的游戏教程后发现：一个图形重复多次、旋转，便可以做出另一个新的图形。自己所想的一部分东西都可以做出来了。发现做游戏真的很需要数学啊，不然的话真的会弄得头晕眼花。不过也有不明白的地方。就是自己所做的雪花，无法填色，很空荡，不知道填色后怎么样做出那种透明感。希望以后的课程也能像这次一样受益匪浅。