基于PROTEUS在硬件電路一體化教學中的研究與實踐

王史春

摘 要： 文章針對高職學生的特點，根據多年的教學實踐和高職院校的具體情況，提出以PROTEUS軟件為核心的一體化教學：整體方案的設計、原理圖仿真、PCB板制作、焊接調試、形成實用產品，體現學中做、做中學，發揮學生的主觀能動性、創造性。

關鍵詞： PROTEUS 原理圖仿真 一體化教學

1.引言

一體化教學就是將學、做、教進行融合，營造集教學與實踐于一體的教學環境，通過項目的實施，讓學生在做中學、學中做、做中教、教中做，改變原來教、學、做分離的現象。構建一體化教室，提供必要的資源，包括硬件設備，供學生實踐；網絡資源，供學生查閱資料；計算機及EDA工具，供學生仿真設計；多媒體設備，供教師理論教學和實踐指導。總之，一體化教學是系統工程，改變傳統的教師教、學生學的模式，是集教、學、做于一體的教學模式，以學生為主體，充分發揮學生的創造性、主動性，提高學生的職業能力、人文素質等各方面的能力，提高職業教育質量。

教育部在“關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見”中明確提出“課程建設與改革是提高教學質量的核心，也是教學改革的重點和難點”，并且進一步明確高職院校要積極探索工學交替、任務驅動、項目導向等有利于增強學生能力的教學模式。當前，課程建設與課程改革已成為高職院校工作的重中之重。要以校企合作體制機制創新為突破口，深化改革、推進合作、提升質量，實現學校對接地方、專業對接產業、課程對接工藝，使學生員工身份合一、學做合一、課堂車間合一，不斷提高人才培養質量，發揮示范引領作用[1]。筆者根據工學結合、校企合作、一體化教學的理念[2]，提出具體的做法，符合職業教育的發展趨勢。

2.PROTEUS仿真軟件

對于大多數高職院校，由于資金等各方面的原因，往往設備投入不足或設備老化，不能適應快速發展的硬件設備，學生還在用幾年之前或更早的設備，根本不能適應企業發展的需要，學生畢業之后難以達到企業的要求。針對以上情況，筆者探索用PROTEUS作為仿真軟件，構建一體化教學理念。PROTEUS是Labcenter electronics公司開發的EDA工具軟件，除具有EDA工具繪制原理圖、PCB自動布線和人工布線及電路仿真功能外，還有一個重要的功能是電路仿真是互動的，針對微處理器的應用還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，實現軟件源碼級的實時調試。

3.課程教學設計理念與做法

3.1一體化教學設計

硬件電路知識抽象，學生難懂，教師講得吃力，但達不到應有的效果。首先，在專業調研及實踐專家訪談的基礎上，對職業能力和課程的關系作了分析，認為本課程分為以下幾個部分：電路原理圖的繪制與仿真、PCB制作、樣機調試、產品剖析與設計和硬件故障排除。根據這些崗位確定教學目標：能對常用電子元器件測試和識別、用常用電子測量儀器對電路測試和故障排除、設計電路原理圖并仿真及PCB板[4]制作、電子硬件產品生產過程和制作。然后進行課程整體設計，創設相應的學習情境，以行動為導向，以項目為載體，以任務為驅動，做中學，學中做，通過工作進行學習。具體實施過程：項目的選取（來自企業）—確定設計方案—原理圖設計—PCB板制作—焊接——調試——形成產品。此過程從項目的選取到產品的形成，是體現一體化教學的思路，學生主動學習，體現一種全新的職業教學理念。

3.2具體案例

通過實踐專家訪談和企業的調研，本課程確定的幾個典型項目，筆者以“音頻放大器”為例說明如何進行一體化教學設計。

圖1 項目流程圖

3.2.1方案設計

通過企業調研，用戶使用的調查和資料查閱，確定產品的功能和參數，項目總體設計方案[5]。

圖2 項目整體設計

3.2.2原理圖設計

通過對項目的整體設計，然后進行項目分解，從信號輸入級開始，逐級地通過原理圖的仿真，根據方案設計要求達到參數指標，反復地修改電路參數，達到所需的技術指標，這在PROTEUS中能實時地仿真，并通過小組討論分析確定原理圖的設計。例如：電壓放大級，通過以下電路反復地調試達到電壓放大倍數等數據要求，先從單級放大電路開始，然后再討論、調試。學生在電壓放大倍數不夠的情況下，引入兩級放大，再通過電路的電壓放大倍數、失真情況及示波器或萬用表直接讀出，非常方便。

圖3 電路仿真

3.2.3PCB設計及Gerber文件輸出

通過對原理圖的調試，直到符合設計要求，這個過程完全通過PROTEUS軟件實現，在此基礎上通過PROTEUS ARES軟件制作PCB，這個過程也是通過PROTEUS實現的。PCB板設計完成后，輸出Gerber文件，生成PCB板有關文件[6]。

3.2.4焊接與調試

由班長擔任項目經理，各小組領取元器件先到項目經理那里簽字，然后到指定地方（倉庫）領取元器件。經小組長安排，按任務要求，分派兩位學生檢測元器件，在檢測中學習元器件知識；另外兩位學生進行焊接，通過指導老師的指導和資料的查閱，學習并實踐焊接技術；另兩位學生對焊接的電路進行檢測，是否符合指標要求。然后再改換角度進行，通過反復的實踐，學生在做中學、學中做，指導老師及時把理論知識滲透其中。

3.2.5產品的形成和實踐報告書寫

從方案設計、原理圖繪制與仿真、PCB板的輸出到焊接，最終形成可應用于實際的產品。當然，對于學生制作完成的板子，還需要各方面的完善，包括某些屬于非專業知識的領域，比如外殼的設計，需要做模型。這就要求學生發揮想象或跟機電系學生合作制作外殼，形成實用的產品。電路板完成之后，每個小組在充分討論的基礎上，對自己的產品進行匯報，匯報設計思路、產品功能、技術參數，同時對存在的問題進行匯報。對于此項目，就要求用自己制作的擴音機進行匯報，這可以直接對自己的產品進行檢驗。通過自評和互評，以及指導老師打分，形成一個比較合理的分數。教師及時進行點評和理論指導，使學生在討論中學習、在討論中提高。

最后，要針對自己的產品寫一份實踐報告，闡述產品功能、技術指標、使用說明、注意事項；同時形成一份有技術含量的報告，不能空講，首先對自己的設計思路、如何實現過程進行詳細描述，甚至每一個模塊的理論計算、推理過程都要作詳細的描述；在設計過程中遇到的問題，如何解決的，以及在哪些方面還存在問題，對電子元器件的選用，如何測試，電路圖。

4.結語

硬件電路發展非常快，學校設備往往比較落后，如果以傳統方式教學和做實驗，學生只能對原理性的知識進行驗證，而不能發揮學生的主觀能動性、創造性，導致大部分學生失去學習興趣，小部分學生理解書本知識、無實踐能力和動手能力，這與我國倡導高職學生應以就業為導向，以職業為載體的培養人的全面發展是不相符合的。筆者提出以項目為載體，以行動為導向，以任務為驅動，營造一體化教學環境，讓學生做中學、學中做，真正發揮學生主觀能動性、創造性。以PORTEUS等軟件為輔助教學軟件，能實現仿真設計、PCB板制作，為后面的硬件電路板制作創造條件，開展一體化教學。

參考文獻：

[1]劉明新.高職資訊第十期.高等職業教育研究所.2011.6.

[2]李娜，張惠峰.一體化教學在高等職業教育中的應用初探[J].大家，2011.

[3]周潤景.PROTEUS入門實用教程.北京機械工業出版社，2007.

[4]周靈彬，任開杰.基于PROTEUS的電路與PCB設計.電子工業出版社，2010.

[5]李中發.電子技術基礎.中國水利水電出版社，2008：47-52.

[6]張文濤.PROTEUS仿真軟件應用.華中科技大學出版社，2010：58-72.