開展虛擬電子設計競賽，促進電類實驗教學

周金濤 張科紅

（浙大城市學院信息與電氣工程學院 浙江·杭州 310015）

0 引言

現行實驗教學課程內容主要是以驗證理論課的相關內容為主，過分強調了實驗的驗證性，限制了學生們的思維。這種做法一定程度上是“照方抓藥”，書上怎么寫，學生就這么做。整個實驗教學過程中，學生缺乏了獨立思考，按部就班，沒將這種實驗當成自己獨立去思考、去研究的過程。面對當今高科技的創新發展，這種傳統的教學方法無疑束縛了對學生全面素質的培養。

電子設計競賽的目的是在于培養大學生的自主創新精神，激發學生學習電子技術的興趣，吸引同學們走進實驗室，提高學生的實踐操作能力，推動課程體系與實踐、實驗教學相結合的改革。從2010年舉辦大賽至今，我校已成功舉辦了九屆虛擬電子設計競賽，吸引了不少同學踴躍參加。一個從“設計”到“完成”的過程，涉及電學基礎學科各方面的知識和操作能力，這一過程能夠充分調動學生的主觀能動性，不僅激發對實驗的熱情，還能培養學生獨立思考、動手鉆研的能力，將學生的潛能最大化開發出來，使學生的學習態度從“要我做”轉變到“我要做”，從實驗中獲得快樂，用實驗充實自己的課外生活！

1 虛擬電子設計競賽的定位

眾所周知，虛擬仿真軟件已經和我們的電子技術應用與開發密不可分，相關專業的同學們確實需要熟練掌握電子電路仿真軟件及設計工具如multisim、orcad等的應用，所以虛擬電子設計競賽定位為電子技術實驗虛擬教學的一個拓展，為同學們提供一個第二課堂的實踐機會，提升同學們對電子技術實驗的興趣。傳統的電子設計大賽，是以小組為單位，由同學分組完成，需要的時間長，還需要一些專門的實驗設備和器材，對于提升同學的實踐能力和培養創新精神是大有裨益的，但是因為涉及到大量實驗器材的準備，往往能參與的人數并不多。我們設計的虛擬電子設計大賽因為競賽時間短（僅僅兩個小時）、只需要一定規模的機房，所以大大降低了準備的難度，參與的同學可以更加廣泛，同時它的內容來源于課堂，但又有一定創新性，既能為電子設計大賽選拔部分電學基礎知識掌握較好的人才，同時又讓大量同學通過競賽的參與感受電子電路設計的過程，增強對電子技術學習的興趣。

2 競賽的組織

虛擬電子設計競賽最初作為分院培育賽事運行了一年，后來隨著參賽規模和影響力的擴大正式納入了學院的院級競賽。每年在比賽之前，都需要向學院提前申請報批，擬定競賽章程，設置競賽組委會與評委會，并及時發布通告。一般競賽組委會會提前兩周召開會議討論競賽的相關工作：如競賽的宣傳、競賽的相關培訓、競賽的題目設計、賽場（機房）的準備、監考安排以及競賽結果評議等等，并且分工到人。在競賽前三天，組委會還要對各項工作進行檢查，如：試題是否已經討論確定并印刷；競賽人員是否都已經通知；監考人員是否已經安排到位；特別是對競賽場地進行檢查，看看計算機是否滿足報名人數需求，軟件是否都能正常運行，是否都能通過FTP上傳到指定服務器。競賽的前日，再次向各位參賽人員推送通知、檢查機房、提醒賽時有序進行參賽人員的簽到、并針對賽時有可能遇到的特殊問題給出詳細的預案。為了保證競賽工作的順利開展，還組建了由數位黨員、預備黨員、積極分子組成的學生志愿者支隊來協助老師完成工作。

2.1 競賽的宣傳

“巧婦難為無米之炊”，作為虛擬電子設計競賽這一賽事，本身從出發點而言就是激發同學學習電子技術類課程的興趣，所以希望參與的同學是越多越好。根據我校的實際情況，可能參與的對象包括信電學院、工程學院及計算學院等有學習過模擬電路、數字電路等課程的同學，數量看上去也不少，也并未對于參賽同學年級予以限制，但從歷年的最終報名情況看，主要來參與的還是大二的同學，他們正剛接觸電子技術相關課程，興趣也最為強烈，最關鍵的是我們的這些目標對象該怎么動員與挖掘。所謂酒香也怕巷子深，所以需要積極做好競賽的宣傳工作，第一是充分利用網絡平臺，在校園網絡上發布通知并開通網絡報名渠道；第二是依托教師，特別是模擬電路實驗、數字電路實驗及電路原理實驗等的任課教師，鼓勵學生直接在課堂上報名；第三是做好宣傳海報，即時張貼在校園的指定地點；第四是充分發揮學生黨支部和電子類社團的作用，讓學生現身說法，吸引更多同學參與，營造一個良好的氛圍。通過上述的努力，近年來的統計表明參與的人數能占到當年學習電子技術類課程的2/3。

2.2 競賽的內容

虛擬電子設計競賽以培養創新能力和應用能力為目的，以競賽為手段，通過最新電路仿真技術，讓競賽題目與教學內容緊密結合，與課程內容及課程體系改革緊密結合，強調對同學既要有吸引力又要把控好難度，還要便于仿真實現。為此，競賽試題由評委會討論決定，競賽內容強調來源于課程，又高于課程內容，既有理論計算、方案論證，又有仿真實驗，與培養學生全面素質的要求緊密結合。競賽軟件采用美國 NI公司的Multisim軟件，與國內外最新教學和研究保持同步，具體競賽內容是應用電子設計軟件Multisim軟件完成相應模擬及數字的實用性電路的仿真設計。由于競賽設置的時間是兩個小時，由個人獨立上機操作完成，主要考查同學模擬電路、數字電路的基本掌握情況，所以在內容設置上我們的難度并不高，但是有趣味性、實用性和可仿真實現性。

下面舉一個實例予以說明，如在2018年，我們要求比賽完成兩道設計題，一道是與數字電路內容相關，題目是：請設計實現可調頻跑馬燈，要求8個LED燈可以循環顯示，具體要求為：（1）8個LED燈，同時只有2個燈亮，并依次循環，狀態轉換圖如：00000011—10000001—11000000—01100000—00110000—00011000—00001100—00000110；（2）顯示頻率可以調節；（3）時鐘信號需要設計電路產生；（4）采用三節電池4.5V供電。

這道題目本身難度并不高，方法也不唯一，需要同學對數字電路的時鐘信號產生、計數器、移位寄存器等知識有一個很好的掌握，并且能在短時間內通過Multisim進行調試展示。

另一道是與模擬電路相關，題目是：請設計模擬電路實現對直流電壓信號的處理監測功能，輸出狀態用發光二極管指示。具體要求如下：已知輸入一個微弱直流電壓信號V1，請將電壓信號 V1反向放大 8倍輸出。如果 V1介于300mV～500mV之間，紅色發光二極管點亮，蜂鳴器報警；否則發光二極管不亮，不報警。輸入電壓信號V1要求設計電路產生，實現在0～1V范圍內可調。該道題主要考察同學對電源電路、放大器、比較器、報警器等模擬電路知識的掌握情況，也需要將仿真結果能展示并說明。通過這些內容的設計，考查了同學模、數電知識的學習情況以及軟件的使用情況，關鍵是讓同學建立起電路設計的概念，而不是在常規實驗中按步就班地操作，調動了他們的學習積極性。

2.3 競賽結果的評議

由于虛擬電子設計競賽的作品均是軟件作品，為了保證結果的公平性，我們要求每個同學將自己的作品通過FTP上傳到指定服務器，由評委會成員進行集中評議打分。我們設置了評分表格，主要從電路圖是否清晰、電路設計思路是否正確、電路仿真結果是否正確、電路原理說明是否清楚、電路的創新性等幾個方面來考查，并將評議的結果及時通過網絡予以公示，保留三天的申訴期。競賽迄今已舉辦十屆，從這些屆的競賽結果來看，還是非常公正客觀的，沒有一名學生提出異議，而且競賽獲獎的同學也確實在后續的課業方面以及電子設計大賽的表現中更加優秀。

2.4 競賽的激勵機制

既然是一個競賽，總得有一個好的激勵機制，為了鼓勵同學，我們在競賽中設置一等獎不超過5%、二等獎不超過10%、三等獎不超過15%和成功參賽獎若干名，但具體的獲獎數量也會參考當屆比賽同學軟件作品完成的質量。我們還積極去尋找企業對于競賽進行合作，如曾經與浙江大華儀器有限公司進行合作，對獲獎同學給予適量的物質獎勵。當然，對同學而言最主要是學校的認可，虛擬電子設計大賽作為院級賽事，對于競賽的具體獎勵辦法按照《浙江大學城市學院大學生學科競賽管理辦法》(浙大城院發教〔2009〕64號)和《浙江大學城市學院實施本科生第二課堂教育試行辦法》（浙大城院發教〔2009〕129號）的有關規定來執行，學生會有相應的第二課堂分以及推薦獎學金的機會，并且獲獎的同學可以優先加入我們電子設計大賽的團隊，接受相應的訓練。

3 競賽的效果分析

開展虛擬電子設計競賽旨在培養學生們的創新意識和實踐能力，讓同學們喜歡做實驗，愛上做實驗。參加虛擬電子競賽的對象以二、三年級學生為主兼有少數一年級學生，并且是以電類專業學生為主，兼有機械類學生的復合模式，實現高年級學生帶動低年級學生，電類專業學生帶動機械類專業學生的傳、幫、帶的組織模式，使競賽的熱情延續下去、擴展開來。自開展電子設計競賽以來，物理實驗中心的實驗室開放利用率大大提升，不僅提高了學生們動手操作的積極性，還促進了電類實驗教學和物理實驗教學質量的提升。通過參加虛擬電子設計競賽，近年來同學們在電類實驗課中的成績有所提高，并且有部分同學入選了學院電子設計大賽團隊，在近年來的國家和省級電子設計大賽中取得了較好的成績。

4 總結

虛擬電子設計競賽活動的舉辦，能讓更多的學生參與其中，充分發揮學生的自主創新能力，使其得到更好的鍛煉。校內各種科技活動作為企業、省級、國家級舉辦的各種競賽的補充，為大部分學生施展才能提供了舞臺，同時還推動了電類實驗教學的改革和發展。但改革創新是永無止境的，隨著時代的進步，新技術、新科技的不斷涌現，提高學生的工程素養、培養創新型人才是高等學校的長期任務。積極倡導學生參加各類活動競賽，為學生們創造一個能夠自主思考、學習、實踐的平臺，給予學生力所能及的幫助。我們也將不斷思考探索，努力提高教學水平和教學質量。