《汽車電路CAD》課程的項目式教學方法

王吉華　曲金玉　劉秀清

【摘 要】根據《汽車電路CAD》課程教學大綱和各部分內容的緊密關系，基于Protel 99se軟件，將一個項目作為例子，闡述課程的項目式教學方法。根據課堂實踐，能較好地將教學大綱內容融合到項目實踐中，完成教學任務，使學生在興趣驅動下，提高了學生的實踐和創新能力，改善了教學效果。

【關鍵詞】教學；項目式方法；實踐；融合；Protel 99se軟件

0 引言

項目式教學是在教學過程中，根據課程教學大綱目的和任務，教師為學生選擇合適項目，學生在教師引導下，通過完成項目來達到課程教學和學生學習的目的[1]。項目式教學可讓學生在項目中充分掌握基本概念和主要知識點，能較大程度地提高學生學習興趣和積極性，并發揮主觀能動性[2]。

根據《汽車電路CAD》（Computer Aided Design，，CAD）課程教學大綱要求，課程主要包括原理圖、原理圖庫元件、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）、PCB庫元件等四個模塊的內容，而且四個模塊內容是緊密相關的一個整體，原理圖庫元件為原理圖設計服務，PCB庫元件為PCB設計服務，而原理圖設計又是為PCB設計服務，最終目的是完成電路原理圖和PCB的設計[3]。因此，不論在內容上還是在學習的先后順序上，《汽車電路CAD》課程均適合應用項目式教學方法。將利用一個項目作為例子，使其貫穿于整個課程，介紹項目式教學方法的實行過程；教師在項目的各個階段作適當引導[4]，并根據需要調整階段性任務；學生通過實踐項目，完成課程學習，帶著探索精神和濃厚興趣，對整個課程形成一個完整的知識體系，達到較好的教學效果。

1 項目基本任務、要求和參考

項目式教學首先是項目內容要覆蓋大綱要求的各部分，其次是內容編排要適合教材內容的順序，便于學生學習和完成項目，實現教學目標。《汽車電路CAD》課程是結合汽車電路進行CAD，結合這個特點，舉出一個具體項目來闡述項目式教學方法。

在汽車上常使用各種光報警裝置，項目基本任務是設計一個由單片機控制一個雙色發光二極管進行閃光報警的光報警電路，具體要求是：1）繪制出電路圖；2）打印出元件列表；3）生成網絡表；4）設計PCB。提供參考的電路圖如圖1，包含四個虛線框，各自對應項目的四個功能模塊，分別是單片機、單片機復位電路、單片機晶體振蕩電路（簡稱晶振電路）和雙色發光二極管等。

原理圖中包含的元件信息如表1。表中列出了原理圖中所需的單片機、雙色放光二極管、電阻、電解電容、雙極性電容、晶振和按鈕等七類元件，包含其名稱、原理圖庫中的名稱（簡稱SCH名）和PCB庫中的名稱（即封裝名，簡稱PCB名）。其中，在Protel99 se軟件自帶的庫中沒有雙色二極管的原理圖元件和PCB元件，需要自行設計，而教材和大綱要求的先后學習順序是先原理圖后原理圖庫元件設計和先PCB后PCB庫元件設計，所以在項目進行的各個階段，根據項目總內容和要求，教師需適當調整各階段具體要求和任務，并作出引導，以保證項目的順利進行。

2 項目各階段實現

2.1 原理圖設計

學生剛接觸這門課程，第一次課的教師引導作用尤為重要。首先，需介紹本課程作用和地位、Protel軟件的發展、課程學習內容和方法、Protel 99se軟件安裝和打開方法、文件組織管理以及課程包含的四個模塊內容的相互銜接關系等；其次，介紹四個模塊的內容所對應文件建立方法；最后落實到項目上，介紹原理圖編輯界面組成、功能、主要菜單和工具條的使用，分析項目要求和原理圖1的功能，解釋表1中元件、SCH名和PCB名的含義。

由于Protel自帶庫中無雙色發光二極管元件，本階段用兩個放光二極管D1和D2來代替，如圖2，其SCH名為LED，封裝可以用PCB名為AXIAL-0.3的元件來代替；

圖2 兩個發光二極管替代一個雙色發光二極管

教師引導時，可使用Protel 99se軟件邊操作邊講解，學生打開電腦跟著老師操作，這樣在項目的最初始階段，學生能在理解課程和項目任務的基礎上，較好地熟悉原理圖文件建立方法以及編輯器菜單和工具條的使用，便于本階段項目原理圖設計。

在原理圖設計階段的項目要求下，學生根據SCH名查找元件，添加必要的原理圖庫，放置原理圖元件和進行元件屬性設置，并進行原理圖布局和布線。放置的元件除了表1列出的7類元件外，還包含電源、接地和網絡標號等對象，并進行網絡標號名稱和電源式樣的設置。元件屬性中，要設置元件的設計序號、封裝；有的要設置名稱，例如8051A，有的要設置屬性值，例如電阻值、電容值和晶振頻率等。

完成電路圖設計后，根據菜單生成電路圖的網絡表和元件列表清單，并可連接打印機打印。本階段項目設計內容，基本覆蓋了大綱要求的內容，學生在項目設計過程中需參考教材，實時向老師提問，鍛煉了學生的自學和創新能力。

2.2 層次電路圖設計

進行大項目開發時，電路的功能復雜，元件數目較大，利用層次電路圖可使設計條理清晰，模塊化程度增加。這個階段要求將圖1中的四個虛線框分別作為四個子電路，設計圖1電路的層次電路圖。

在2.1中原理圖設計的基礎上，教師介紹層次電路圖的子電路和主電路文件組織；分析主電路中各子電路的連接關系，以單片機和晶振兩個子電路為例，如圖3所示，在主電路中，二者的方塊電路之間是靠方塊電路端口X1、X2和GND進行連接，在各自對應的子電路文件單片機.sch和晶振電路.sch中是依據同名的電路端口進行連接；最后介紹自上而下和自下而上兩種設計方法的步驟。

學生參考圖1中四個子電路的劃分，分析各子電路的連接關系，設計相應子電路端口或方塊電路端口，進行自上而下或自下而上的層次電路圖設計，并利用文件管理器或菜單來切換和瀏覽主電路和子電路。

2.3 原理圖庫元件設計

前兩階段中，雖然完成了基本原理圖設計，但還沒有真正完成項目所要求的前三項內容，因為圖1和表1中雙色發光二極管庫元件及其封裝都是暫時替代元件，而沒有自行設計，本階段將先進行雙色發光二極管的原理圖庫元件設計，封裝暫時換成DIP-4來代替，其實際封裝需在后面的PCB庫元件階段設計完成。

教師分析原理圖庫元件的外形、引腳和屬性三部分功能和作用，強調唯有引腳具有電氣連接特性；介紹外形繪制方法和引腳屬性設置；分析復合元件原理和繪制方法。雙色放光二極管可作為由兩個發光二極管組成的復合元件，可制作成如圖1中DL1的整體形式或兩個LED元件的獨立形式。介紹復合元件由各部分元件獨立組成的原理和利用New Part菜單設計的方法。

學生充分理解和掌握了以上基本知識后，可自行設計雙色發光二極管的原理圖庫元件，并將庫元件所在數據庫加載，然后在原理圖中放置該元件并將其屬性中的封裝修改為DIP-4，替代圖2中的兩個放光二極管，并重新生成網絡表和元件清單列表。

2.4 PCB設計

以上完成了雙色發光二極管原理圖庫元件設計并添加到項目原理圖中，但其封裝仍是替代元件DIP-4，本階段利用已設計的原理圖和網絡表來初步完成項目的PCB設計。

教師介紹電路板的種類和概念、層的概念和作用、電路板的常用對象、PCB編輯器常用菜單和工具欄使用；分析電路板設計步驟、網絡表和元件加載方法、元件布局方法、自動布線和手動布線的方法和區別；手動和利用向導新建PCB文件和完成電路板規劃方法。

學生選擇相應方法生成PCB文件和規劃電路板；加載2.3中生成的原理圖網絡表和元件，若有錯誤需進行電路圖修改，并重新生成和加載網絡表，直到沒有錯誤后執行加載；進行元件布局和自動布線以及手工布線調整；覆銅和補淚滴，初步完成項目的PCB設計。

2.5 PCB庫元件設計

以上PCB設計時，雙色發光二極管封裝仍是暫時替代元件DIP-4，本階段將自行設計，并修改PCB，最終完成項目任務。雙色發光二極管的封裝如圖4，PCB名為DUALLED，四個引腳的中心點構成邊長為100mil的正方形，外形為200mil的正方形，+號和1、2引腳的方形焊盤均為內部兩個LED陽極標志，3、4引腳為圓形焊盤，四個引腳的孔直徑均為35mil，方形焊盤邊長和圓形焊盤直徑均為62mil。

教師介紹PCB庫元件設計編輯器、庫元件設計方法和步驟、外形繪制以及焊盤添加及其屬性設置；分析圖1中雙色發光二極管的SCH元件和圖4中PCB元件的引腳對應關系，使學生深入理解實際電路中元件外形和引腳與電路原理圖元件的內在聯系和區別。

學生在PCB設計階段對層概念理解的基礎上，在PCB編輯器中新建一個元件并命名為DUALLED，選擇頂層絲印層和綜合層分別繪制要求的外形和焊盤。

重新打開2.3中修改后的原理圖，在雙色發光二極管的屬性中將封裝改為DUALLED，重新生成網絡表。接下來是徹底完成項目的任務，有兩種方法，一是，按2.4中的方法重新設計項目的PCB；另一種方法是修改2.4中設計的PCB，打開這個PCB的文件，刪除覆銅和發光二極管的替代封裝DIP-4，加載圖4庫元件所在的數據庫，加載重新生成的網絡表，由于網絡表中僅將雙色發光二極管封裝DIP-4改為DUALLED并對其進行了連接，所以加載網絡表后，PCB中其它元件的原始布線不會改變，只需將圖4的封裝移到合適位置，并手動調整和修改導線的連接，從而完成項目任務。

3 總結

使用項目式教學方法，將一個項目貫穿于課程教學的各個環節。教師在項目設計的各個階段作必要引導，根據大綱和教材內容及編排順序，適當調整項目要求，學生依次完成項目各階段任務，最終完成項目設計。通過項目實踐，完成了課程教學任務，提高了學生的創新能力，達到較好的教學效果。

【參考文獻】

[1]龍菡.大學英語項目式翻轉課堂教學設計及實證研究[J].中國教育學刊，2015（S2）：229-230.

[2]黃秀珍，陳淑玉.《網絡系統集成實踐》項目式教學改革和探索[J].科技資訊，2015（22）：145-146.

[3]王吉華，葛文慶，劉秀清，等.基于Protel的《汽車電路CAD》教學內容設計[J].科技視界，2015（4）：22-23.

[4]仲瑤.項目式教學的實施過程研究[J].科技視界，2015（36）：219，216.

[責任編輯：田吉捷]