電類專業課程設計環節的“全流程”操作與實踐

王鷹，李道江，蔚婧

（西北工業大學 航海學院，陜西 西安）

一 引言

電類專業的課程設計，是各高校的大電專業傳統的核心課程和必修課程。幾十年來，由于該課程具有強大的綜合性，許多先修課程（電路、模擬電子線路、高頻電子線路等）中比較難以掌握的知識點都融匯在本課程中。因此，這門實踐類課程總的來說知識量是比較大的，各個學校因為教學目標的不同，對整個課程的要求和內容設置也不盡相同。對傳統的一流高校來說，除了要求學生具有較強的動手能力以外，對課程內容做較為深入的理論分析、對電路系統做更為嚴苛的技術探討等環節，也是對學生進行實踐訓練的重要內容。而對于普通的高職類學校而言，更加強調學生的動手能力和對部分成熟電路的熟悉程度。因此各類高校對學生的實踐環節的要求，目標不同、內容各異。

近年來，隨著國際形勢的復雜變化，更令我們體會到技術創新與變革才是一個國家向強國邁進的動力之源。有關部門一再強調，我們要培養大量的黃大年式的科技工作者，科技工作者的首要目標就是要讓科技變成生產力，改變國家在某些科技領域被人“卡脖子”的尷尬境地。從這個角度講，就對人才培養提出了新的要求。我們既需要理論創新、能夠撰寫論文的科學工作者，更需要能夠讓科技變為生產力的科技工作者。

目前全國性質的和地域性質的各種電子設計比賽，很好地激勵了學生的學習激情，對學生的鍛煉價值也非常大。但是，參加類似活動的學生畢竟是少數，大部分學生沒有參加這種比賽的機會和熱情，從而失去了這種科學素養鍛煉和提升的機會。

因此，一些高校已經開始嘗試一些另外的手段，以便讓更多的學生甚至所有相關專業的學生，都有這種實踐機會。方法就是開設更多學時的大實踐類課程，目的就是讓學生在畢業設計環節以前，通過這門大實踐環節，使學生把所學的專業知識來一次大綜合實踐，從問題的提出到解決問題的方法，都讓學生獨立思考完成，最后完成一件設計作品，從而使學生掌握一套完整的設計思路和設計方法[1]。

對于電類專業的課程設計來講，首先是要融匯先修課程的大部分內容。比如電路、模擬電子線路、電子線路、數字電子線路、微機原理、計算機語言、高頻電子線路等。這類課程的配套實驗設備，經過幾十年來的不斷“進化”，從最初的分立元件的焊接、洞洞板、面包板的插接線到今天的制作PCB 版焊接調試。硬件實驗環節已經基本上和產品研發同步。而在設計計算環節，一些商用的仿真計算軟件，幾乎可以全程模擬整個電路的工作狀態和工作過程。因此，學生完全可以利用所掌握的基本理論知識，完成一個電路板產品的整個全流程。

遺憾的是，由于各個高校的軟硬件條件不同，這類課程的開設各個高校有著不同的教學目標。很多高校都止步于原理圖設計，考核的辦法是仿真軟件調試通過即可。其實，一個電路系統涉及到這一步，才是走完了第一步。仿真通過的電路系統，搭接到板子上還會遇到各種各樣的問題，而這些問題的解決，才對學生有更大的鍛煉價值。造成這種局面的原因很多，制作PCB 的時間周期、成本等也許是一個重要原因。

在科學技術飛速發展到今天，科學研究和科學實驗手段早已和幾十年前不可同日而語。一方面，我們可以用“模擬實驗室”來進行教學實驗也已經普及。尤其是在疫情期間，網上授課和網上實驗經過大量高校老師的實踐，也都取得了非常不錯的教學效果。如用Multisim 和Tina-Ti 等仿真軟件來進行實驗教學，完全可以達到用實驗箱實驗所達到的效果，甚至有些方面還要更好一些。

但是，這種在非常時期的非常規教學方法，也有它的局限性。完全忽略了對學生動手能力的培養。其實焊接和電路調試環節是衡量一個電類學生動手能力的試金石。該環節對于發現問題并解決問題的能力的培養非常重要[2]。

因此我們認為電路系統仿真和制作PCB相結合，完成整個電路系統的焊接和調試的全流程過程是更為有效的教學方法。

一般來講，一個電路系統的設計需要經過以下幾個流程：

1.原理論證和計算，設計合理電路。

2.用仿真軟件進行電路仿真。

3.繪制標準原理圖和PCB 圖。

4.對PCB 版進行焊接。

5.局部調試和系統調試。

6.寫總結報告，總結。

這個完整的全流程實踐工作，對學生的鍛煉作用是非常明顯的。增強了學生對該專業的了解，提高了學生對本專業的興趣。

下面就整個流程做一個簡要說明。

二 設計、計算和仿真

嚴格地講，我們設計電路系統時所做的設計運算都屬于仿真的范疇，只不過一般意義上的計算，都是假設所有的元器件，都工作在理想狀態，所得的計算結果有非常重要的指導意義，但是和真實的電路相比，有比較大的誤差。

最近幾年大量使用的Multisim，Tina-Ti 等仿真軟件，則是在計算過程中加入了各個元器件的功能參數。比如某種特定二極管的模型，加入了溫度系數、導通電壓、反相擊穿電壓等具體參數，這樣仿真結果就和實際電路非常接近。這種仿真方法不僅是教學環節的基本手段，而且已經成為硬件工程師必備的技能，并被在硬件系統設計中大量應用。

從實驗教學的角度來講，用這類軟件系統進行硬件仿真實驗，一定程度上能夠達到讓學生加深理解電路原理的目的[3]。

常見的這類軟件系統有Multisim、Tina-Ti、Spice 等。這類文章已經汗牛充棟，在此不再贅述。

但是在同一個平臺下仿真的電路，其結果肯定是一樣的。只要學生按時間做完，結論肯定是一樣的。那么如何才能保證學生成績服從正態分布，確實是一個棘手的問題[4]。如果引入后序流程PCB 版的繪制和電路板的焊接與調試，學生的綜合能力差異就體現出來了。

三 電路板EDA 設計

一個電路系統從原理設計到PCB 版的制作、焊接、調試也是一個工科電類專業學生必須掌握的基本技能。之前大部分實驗課都是根據設計的電路原理圖，利用面包板搭接電路或者用洞洞板焊接進行試驗，也能夠一定程度地起到鍛煉學生動手能力的目的。這個方法的優點是相對比較經濟，缺點是在整個實驗過程中，學生花費了大量的時間進行焊接線路的檢查和調試，學生往往在規定的教學時間內不能完成實驗，尤其是對于稍微復雜的電路，往往得不到實驗結果，效率低下[5]。

近年來隨著中國工業化程度的加快和生產效率的提高，已經有了更有效的方法來進行電路板的設計制作。已經有很多專業軟件來進行電路板設計，比如Protel、Altium Designer、Orcad、Candence 等。

但是對于沒有這方面基礎知識的學生來講，光是學習這些軟件，就需要花費一門課的時間。

如果教師事先把電路板制作好，再讓學生去焊接、調試，對學生來講，實驗效果肯定比用試驗箱要好一些，但對于整個電路流程，還是有所缺陷，教學效果肯定要比把整個流程全走一遍來得差一些[6-8]。

中美貿易戰以來，由于制裁的緣故，一些國際公司的EDA 軟件拒絕給中國授權，這也給了中國的EDA 軟件公司一個難得的好機會。

國產的“立創EDA”就是其中的佼佼者。

立創EDA 號稱20 分鐘就可以上手，這就為學生學習提供了很好的鍛煉平臺。在相對較為緊湊的課時內，可以完成從仿真到實驗板的制作調試。

這個平臺的設計，充分考慮到學校教學這個環節。在平臺內教師可以設立課程的獨立工程，和所有的班級學生成立一個組。這樣學生和老師可以很方便地互動交流，修改電路，批改作業。目前，全國已有上百所大學在此平臺開課。

立創EDA 在繪制原理圖時，還可以進入仿真模式，一些簡單的電路就可以進行仿真，這樣就大大地方便了使用者，無需在Multisim 中進行仿真，大大地減少了出錯率。不過立創EDA 的仿真功能現在還不夠強大，稍微復雜一些的電路還做不了。但是假以時日，軟件肯定會變得越來越強大。

最具誘惑的是，這家公司已充分考慮到大學教學這個領域，用立創EDA 制作的小尺寸打樣版，打版公司給免費制作，這大大地降低了授課老師的經費壓力。所需的電子元器件也可以直接在立創商城購買。這樣學生就可以通過自己設計的電路板進行焊接、調試、檢測。完成了從原理圖到實驗板的全流程工作，對于電類專業的學生而言，鍛煉價值是非常大的。

四 實例

我們通過一個經常用到的實例來說明這個過程。

正弦波、三角波、方波信號發生器是實驗中經常要做的一個實驗。多年以來，本實驗項目的教學活動，主要是搭建面包板電路，用萬能板（俗稱洞洞板）來焊接調試，一般學生把實驗做完往往需要2個小時以上。大部分時間都花在焊接和查錯等環節。

近年來，軟件仿真也成為一個可能的選項，一些虛擬實驗室也可以進行這個實驗。但客觀地講，用虛擬實驗室來進行實驗，雖然一定程度上能達到部分實驗目的，但對于學生的動手能力的鍛煉，近乎于無。對于學生認識元器件、焊接電路以及其他有利于學生更深刻地了解和理解相關專業，幾乎也無所幫助。如果進行“全流程”的教學實踐，以上所述的幾點不足都可以克服。PCB 板的焊接和調試成功，對激發學生對相關專業的理解和熱愛，有著不可估量的作用。

以下我們通過實例來對“全流程”方法加以說明。

第一步：先用Multisim 仿真。

Multisim 軟件的方便性和易用性毋庸置疑，學生可以很快地上手，并搭建電路。通過虛擬仿真，學生應該理解了電路的工作原理。圖1 是本校學生在課堂上所搭建的Multisim 仿真電路。圖2、圖3、圖4 為仿真的正弦波、方波、三角波的信號波形。

圖1 Multisim 仿真電路

圖2 正弦波信號輸出

圖3 方波信號輸出

圖4 三角波信號輸出

第二步：把Multisim 仿真正確的電路圖用立創EDA 畫出原理圖。

這里的畫制原理圖的核心思想和在虛擬仿真軟件中的完全不同。它要求更多的是要使得學生知道一個理想的電子元器件和它的實物封裝是一一對應的，這是工程方面的基本知識。同時，使學生明白一個電路設計圖是如何變成一個實際的電路板的。仿真電路與要制作PCB 板的電路的最大不同是對連接器的使用，這一點在仿真時是不需要知道的。圖5是用立創EDA 繪制的原理圖電路。

圖5 原理圖電路

第三步：在立創EDA 中繪制PCB 圖。只要所有的電路在原理圖繪制時仔細檢查核對，那么在PCB 板的繪制過程中，立創EDA 和其他的EDA 工具一樣，都有ERC 自動檢測功能，這保證了繪制好的PCB 板電氣連接完全正確，從而保證電路板的電氣連接正確性。從實驗板的角度來講，電路調試應該不會有電氣連接的質量問題，從而最大限度地滿足實驗需要。

立創EDA 還有一個功能，可以對繪制好的電路板進行三維模擬顯示，可以很直觀地看到成品PCB板的大概樣子。圖6 和圖7 是該信號發生器的PCB板和其三維顯示效果圖。

圖6 PCB 板

圖7 PCB 板三維效果

五 結語

根據疫情以來兩屆學生的教學實踐，我們以為，這種全流程的實踐類課課程，大大地開闊了學生的視野，使學生的動手能力得到了鍛煉。將原來的只知道操作幾個儀器、測量幾個數據的枯燥的實驗課變成了有趣的設計制作課，當學生焊接完板子并調試出波形后的那種喜悅與興奮之情難以言表。部分同學因此喜歡上了電子電路實驗，并由此參加大學生科技競賽并獲獎。

因此，全流程的課程實驗一定會取得比以前更好的教學效果。