淺析中職電子專業教學中常用CAD軟件及其應用

葉綠

（集美工業學校，福建 廈門 361022）

淺析中職電子專業教學中常用CAD軟件及其應用

葉綠

（集美工業學校，福建 廈門 361022）

文章對電子專業常用的CAD軟件的特點進行介紹及比較，并以電子技能課程教學為例子，選取兩個班級采用不同的教學方式，介紹了CAD軟件在教學中的應用，對比分析CAD軟件應用在該項目教學中的利弊。提出：教學過程中不應過度使用CAD軟件，而應以實際操作為主、CAD軟件為輔，方能相得益彰，提高學生的理論及技能水平。

中職電子專業教學；CAD軟件；教學環節CAD軟件的應用

1 中職電子專業教學中常用的CAD軟件

在中職電子專業的教學中，Proteus及Altium Designer是使用較多的CAD軟件。

1.1 Proteus軟件

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件，可完成從原理圖布圖、PCB設計、代碼調試到單片機與外圍電路的協同仿真，真正實現了從概念到產品的完整設計，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型[1]。

如圖1所示，Proteus軟件是最近幾年較為流行仿真軟件，在教學上首先是較多地應用于電子專業單片機課程的教學中，由于Proteus可以和編程軟件如Keil等軟件進行聯合調試，在程序修改調試的過程中即可在Proteus仿真軟件中見到電路仿真的效果，因此十分適合用于單片機芯片及其外圍電路的仿真。隨著信息化教學的發展及教學的深入，尤其是隨著Proteus器件庫中元件的不斷完善，仿真模型的不斷增加，Proteus漸漸的開始用于模擬電路、數字電路等課程的教學。同時，與教學中較為流行的Proteldxp軟件相似，Proteus也可以完成原理圖及PCB的設計。

圖1 Proteus 8.0軟件界面

1.2 Altium Designer（Proteldxp）軟件

圖2 Altium Designer軟件界面

如圖2所示，Altium Designer是原Protel軟件開發商Altium公司推出的一體化的電子產品開發系統。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計。熟練使用這一軟件必將使電路設計的質量和效率大大提高。

圖3 Altium Designer原理圖輸入錯誤信息標注

Altium Designer是Proteldxp 的升級版本，其加入了嵌入式、可編程器件設計等新的元素，使其能夠更好的適應企業及設計公司的需要。從較早期的版本Protel 99SE開始，各個版本的Protel軟件就廣泛的應用于電子專業的教學中，一般電子專業的教學中都開設了《Proteldxp 電路設計》等相關的課程。Altium Designer或者Proteldxp在教學中的應用主要是在電路原理圖的輸入/PCB設計制造等環節。

1.3 Proteus與Altium Designer在電子專業教學上應用的比較

與Proteus軟件相比較，Altium Designer（Proteldxp）軟件在原理圖輸入的完整性及正確性的檢查上，設計了較為完備且靈活的規則，同時在錯誤的標注上做到了直觀、易查，如圖3為Altium Designer標注的原理圖輸入的錯誤及警告信息。另一方面，Altium Designer在PCB設計環節中，所支持的器件封裝的多樣性、設計規則的完整性及靈活性、PCB設計完成后電路板與設計規則的匹配性、信號完整性的檢查上，相比Proteus有較大的優勢。Altium Designer軟件在仿真功能上，主要注重于模擬電路、數字電路的仿真，而不具備單片機電路的仿真功能。

從仿真數據的呈現方式上來看，Altium Designer只能以圖表的方式呈現仿真數據及結果，而Proteus軟件在仿真數據、結果的呈現方式上，除了具備Altium Designer的圖表呈現方式外，還具有動態的呈現方式即交互式仿真功能。如圖4所示，可以在仿真的過程中動態的呈現出波形的變化過程,同時Proteus具有動態元件庫，在仿真過程中可以動態的調節元件的參數，元件參數變化對電路波形的影響可以在仿真波形上進行“實時”地呈現。

圖4 Proteus動態仿真

表1 Proteus與Altium Designer特點比較表

綜上所述，如表1所示，在原理圖及PCB的設計中Altium Designer具有優勢，而在仿真功能、仿真結果的呈現方式、趣味性方面Proteus具有較大優勢。

2 中職電子專業傳統教學和CAD軟件進行輔助教學比較

在中職電子專業的教學中，各門課程具有各自的特點，在分析CAD軟件的應用時，我選取的是電子技能課程中的基本放大電路的制作項目為例進行分析。原因有如下2點：首先，電子技能課程的教學過程基本涵蓋了電路原理的講解、電路板的設計與制作、元件的檢測、電路板的焊接、電路的調試等大部分電子專業的教學內容，具有一定的代表性。其次，基本放大電路的制作在中職的電子技能教學中具有典型的代表性，電路結構及制作過程較為簡單，調試步驟明確，電路的制作基本能夠代表課程對中職學生的理論及技能要求水平。選取了2個電子專業班級的學生，在同一個教學項目的教學中，一個班采用傳統教學方式，另外一個班應用CAD軟件進行輔助教學，然后就這兩種不同的教學方式進行比對。

2.1 電子技能課程的傳統教學環節

如圖5所示，在傳統的電子技能課程的教學過程中，通常包括以下5個環節：

圖5 電子技能的傳統教學環節

（1）電路原理講解：

在電路原理講解過程中，教師使用黑板或者PPT進行電路原理的講解，學生被動的進行聽講，做筆記。

（2）PCB設計：

學生在教師的口頭指導或者PPT示例圖的指導下，使用筆紙直尺等工具進行PCB的設計，出現錯誤需要耗費較大的時間和精力進行修改。

（3）PCB制作：

在電路板上使用油性筆直尺進行描繪，或者采用熱轉印的方式將電路圖轉印紙電路板上，再對電路板進行腐蝕，費時耗力。

（4）電路板焊接：

使用電烙鐵等工具在教師指導下進行焊接。

（5）電路板調試：

憑借電路原理講解環節中所學到的知識，在教師及任務書的指導下進行電路調試。

2.2 使用CAD軟件進行輔助教學的電子技能課程的教學環節

如圖6所示，應用CAD軟件進行教學時，教學過程通常包括以下7個環節：

（1）電路原理圖輸入：

如圖7所示，學生在教師指導下使用CAD軟件進行電路原理圖的輸入，在輸入過程中，對電路結構、電路參數有了初步的了解。

圖6 CAD輔助電子技能教學環節

圖7 電路原理圖輸入

（2）電路原理學習及電路仿真：

如圖8所示，在電路原理學習的過程中，教師進行電路原理教學的過程中，學生使用CAD軟件對電路進行仿真，電路原理學習環節和電路仿真環節形成閉環，由電路原理指導電路仿真的進行，電路仿真的結果與電路原理進行相互印證，這個過程可以循環進行。

圖8 電路仿真

（3）PCB設計：

學生使用CAD軟件，從輸入的原理圖中導出PCB設計所需要的網絡圖在CAD軟件上進行PCB的設計，PCB所需的封裝，元件的位置、元件的放置等可以方便快速的進行，如圖9所示。

圖9 PCB設計

（4）PCB制作：

在使用CAD軟件完成PCB的設計并進行設計規則、信號完整性檢查后，可以從CAD軟件中導出標準的PCB制作文件，在運用PCB制板機進行制作。學生在教師的指導下了解自動制板過程，對現代PCB板的制作過程有個初步的認識。

（5）電路板焊接：

從CAD軟件中導出標準的PCB裝配圖及元器件清單，進行電路板的焊接。

（6）電路板調試：

如圖6所示，電路仿真環節及電路板調試環節也構成一個閉環，即在電路仿真環節，學生可以事先了解對應測試點的波形，電壓等電路信息，從而明確調試的步驟和重點，在電路板調試過程中，將實際測得的波形和電壓等信息與仿真結果進行驗證，虛的軟件仿真與實的實際電路板調試結合進行相互比對。

3 淺析CAD軟件應用的利

3.1 由教學環節實施效果角度分析

如表2所示，使用了CAD軟件進行教學和傳統的不使用CAD軟件進行教學兩種教學方式共有的教學環節的實施方式和效果的角度進行比對，可以看出，應用CAD軟件進行教學的方式，在提高學生積極性、突破電路原理學習的重難點、PCB設計的效率、PCB制作的效率、PCB的“成品率”、電路的調試的效率、學生自主探究的積極性等方面，具有較大的優勢。

表2 教學方式、效果對照表

表3 教學工作量對照表

3.2 由教學的工作量角度分析

如表3所示，在教學工作量方面，應用CAD軟件進行教學的方式與傳統教學方式比較，課時量似乎相差不大，需要注意的是，應用CAD軟件進行教學的方式比傳統教學方式多了電路仿真環節看似在此增加了工作量，然而，在電路調試環節，由于借助電路仿真和實際的電路調試相互印證比較，應用CAD軟件可以在電路調試環節減少教學的工作量，同時提高教學的效率。而且，隨著教學的深入，電路復雜性的提高，可以預見的是，在相同教學效果的前提下，應用CAD軟件進行教學的教學工作量相對于傳統教學方式將進一步減少；或者也可以說在相同教學課時的情況下，應用CAD軟件進行教學將達到更好的教學效果。

4 淺析CAD軟件應用的弊端及建議

通過上述分析，雖然顯示使用CAD軟件進行教學從學生的學習積極性、教學工作量、教學的有效性上都具有很大優勢，但是事物都具有兩面性，在筆者的教學實踐過程中發現，CAD軟件無法解決教學過程中的所有問題，CAD軟件輔助教學的過程中應該注意防止以下弊端：

4.1 以仿真代替實訓，只見虛不見實，為了仿真而仿真

CAD軟件的運行環境簡單，只需要一臺電腦，安裝上相應的CAD軟件，就可以運行。同一個教學項目，如果采用仿真或部分采用仿真而不是全部進行實際動手操作的話，學生操作簡單易上手，教師教學負擔減輕，因此，省時省力的CAD軟件在某種程度對教師和學生具有天然的“吸引力”。完全用仿真或者過度的使用仿真代替實際的動手實訓帶來的問題顯而易見：學生的動手能力下降，遇到實際電路板的問題茫然無措。仿真會“過濾”掉實際操作中的許多細節問題，例如，在基本三極管放大電路中的波形測試，在仿真中只需要使用鼠標點擊虛擬儀器完成連線，點擊仿真按鈕，做適當的調節等波形就會顯示。而在實際的電路板的示波器使用中，電源的開啟，波形的校準、調節、觸發源的選擇甚至探針倍率的選擇都會影響最終的測量結果，而學生正是需要在解決這些細節問題的過程中，才能實質的提高自己的動手實操技能。因此，在有實訓條件的情況下，盡量不要采用仿真，或者仿真應該作為實踐動手操作的補充。

4.2 使用CAD軟件可能影響學生學習專注力

使用運行在電腦上的CAD軟件進行輔助教學時，一個不可避免的問題在于，學生學習的專注力會受到影響。在筆者的教學實踐中，當學生在接觸到CAD軟件時，興趣濃厚、積極性高、學習專注力強。然而，隨著學習進程的深入，當學生熟悉了CAD軟件后，不可避免的出現了興趣下降、學習的主動性降低等問題，甚至，少數同學出現了使用電腦玩游戲的情況。這在傳統的教學課堂上是不可想象的。面對這樣的問題，教師應該加強課堂管理，采用相應的評價、技術手段來確保學生的學習注意力。

5 結語

綜上所述，信息化的浪潮不可阻擋，CAD軟件在電子專業教學中的使用可以提高教學的有效性，提高學生的學習積極性及主動性，從這方面來看意義重大。然而，教師在實際的教學實踐過程中，需要注意切忌過度使用CAD軟件，應以實際操作為主，CAD軟件為輔，如此才能相得益彰，切實的提供學生的理論及技能水平，滿足實際崗位需求。

[1] 2489343.Proteus簡介[EB/OL](2013-01-28)[2017-7-15].http∶//wenku.baidu.com/link?url=ICCGblJl50kcRuiko5cE8Oi W8INzCUv0YcJbw_dGHMnGbzneiMg42JPcbuypZmq6aryCSU7lMDNn_sp1BPD0S2jGs9qWptO4tECjSrEcI23.

10.3969/j.issn.1007-550X.2017.11.004

G712

A

1007-550X（2017）11-0037-06

2017-08-02

葉綠（1979- ），福建漳州人，中級講師，主要研究方向：教育教學信息化。