應用型本科電子通信專業(yè)EDA 課程教學改革探索

盧巍，宋月亭

(昆明文理學院信息工程學院，云南昆明，650222)

0 引言

隨著智能科學的發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品的智能化越來越強、集成度越來越高，未來電子電路的設(shè)計復雜程度將會空前提高，呈現(xiàn)多學科多行業(yè)融合趨勢。［1］工作人員只有對電子線路進行良好的設(shè)計，才能保證電子產(chǎn)品的安全性和可靠性，才有可能真正提高企業(yè)在市場當中的競爭力。［2］國內(nèi)大學本科階段的EDA 教學呈現(xiàn)兩個趨勢，一個是以硬件描述VHDL為主的EDA 技術(shù)，強調(diào)VHDL 語言的學習和數(shù)字器件中的VHDL 設(shè)計以及應用。[3]此方向的教學往往按照知識體系系統(tǒng)學習課程，實現(xiàn)邏輯編程、邏輯綜合優(yōu)化，其虛擬的編譯環(huán)境，又可以運用于邏輯布局布線、邏輯仿真設(shè)計。另一趨勢是電子電路設(shè)計的虛擬仿真，以電子電路設(shè)計軟件Multisim 和protel 為代表的印制電路板設(shè)計。電路設(shè)計注重原理分析、電路設(shè)計以及虛擬仿真各個環(huán)節(jié)的配合，可以在設(shè)計成果實體化之前進行邏輯檢測，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒＿@樣的設(shè)計過程，大大降低了設(shè)計風險，同時提高設(shè)計可行性，成為現(xiàn)代電子電路設(shè)計的基礎(chǔ)［4］。

我國應用型高等學校電子通信類專業(yè)學生，特別是獨立院校，一種就業(yè)定位是立足當?shù)氐闹行⌒推髽I(yè)和公司技術(shù)骨干人才。［5］學習EDA 技術(shù)，可以改變傳統(tǒng)電子電路相關(guān)課程教學模式中理論加實驗的教學模式，以電子產(chǎn)品設(shè)計為驅(qū)動，配合適合的教學方法，不論是以VHDL 為主還是以印制電路板設(shè)計為主，筆者往期研究中發(fā)現(xiàn)，加入EDA 教學，形成理論到EDA 設(shè)計再到實驗的教學模式，可以有效提高學生對專業(yè)主線知識的掌握程度，同時，這種以產(chǎn)品設(shè)計為出發(fā)點的教學，還可以極大的結(jié)合學生未來就業(yè)方向，使知識與就業(yè)結(jié)合。這樣可以極大的發(fā)揮學生的主觀能動性，將學生的設(shè)計思路付諸于實踐。

將EDA 技術(shù)在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中應用。課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計也是電子技術(shù)課程教學的一個重要環(huán)節(jié)。[6]在當前嚴峻的就業(yè)形勢下，學生在畢業(yè)設(shè)計中通過對EDA 技術(shù)的運用，能明顯增強競爭力。因為目前課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計工程應用類題目不少，在畢業(yè)設(shè)計中引用EDA 技術(shù)，要求學生對所設(shè)計的電路進行模擬仿真調(diào)試、驗證，在答辯時候進行實際演示，可以大大提高學生動手能力和開發(fā)設(shè)計能力。[7]

1 教學設(shè)計

筆者團隊在往期研究中發(fā)現(xiàn)，應用型本科特別是獨立院校的EDA 教學，應該結(jié)合地方特色和學校定位，重點改變傳統(tǒng)的“說教”式教學，或者單純的電子電路設(shè)計實驗式教學。不能使EDA 課程變成課本電子線路的驗證。針對以上教學方式，筆者在前期研究中提出以目的驅(qū)動的綜合式電子電路設(shè)計教學。在學生EDA 課程中，花費少量時間熟悉電子電路設(shè)計后，以學科畢業(yè)設(shè)計，大學生電子設(shè)計競賽，熱點小型電子產(chǎn)品，當?shù)靥厣娮有袠I(yè)簡單產(chǎn)品為設(shè)計目標驅(qū)動，提出具有一定使用價值的設(shè)計問題，讓學生邊學習邊解決設(shè)計問題，最終完成設(shè)計的教學模式。通過在學校教學過程中實踐表明，這樣的教學模式改革，可以有效調(diào)動學生積極性和探索能力，學生會從要我學習到我要學習進行轉(zhuǎn)變。但同時也發(fā)現(xiàn)，這種教學模式缺乏最終導向和評價標準。

在得到學校相關(guān)資金支持下，以學校電子信息工程專業(yè)EDA 教學為研究對象，通過2014 級到2017 級三個年級的EDA課程教學，探索改變傳統(tǒng)的驗證式教學為目的導向式教學，重點在于改變傳統(tǒng)的教師在EDA 教學過程中多以‘說教’式為主的教學方式，配以使用多年未改變的數(shù)模電實驗指導書，通信原理實驗指導書等一系列教材，使EDA 教學變成課本電子線路的驗證，無法突出EDA 設(shè)計自身優(yōu)點，還使學生缺少獨立思考和個人見解能力，容易形成模式化教學的局面。

在研究中，首先運用信息工程學院電子信息工程專業(yè)的專業(yè)選修課程《課程項目設(shè)計》和《電路仿真技術(shù)》兩門課程，探索運用EDA 技術(shù)中的Multisim 電路仿真軟件，改變傳統(tǒng)實驗課按照實驗課本直接搭建電路驗證實驗結(jié)果的教學模式，將電子電路設(shè)計的最新設(shè)計理念引入教學，強調(diào)仿真設(shè)計在電子通信系統(tǒng)設(shè)計中的運用，從實際設(shè)計問題出發(fā)，研究學生面對實際設(shè)計問題進行從理論設(shè)計到仿真設(shè)計再到實際設(shè)計的教學模式，探索將EDA 技術(shù)直接加入通信專業(yè)專業(yè)設(shè)計，以提高教學效果的教學模式。研究過程如下：

（1）運用數(shù)、模電中的基本電路培養(yǎng)學生Multisim 電路仿真軟件的使用能力。在前期研究中發(fā)現(xiàn)，獨立學院學生知識結(jié)構(gòu)普片薄弱，知識體系不完善。所以必要的數(shù)、模電基本電路仿真可以以實驗驗證的方法提升學生對基礎(chǔ)知識的掌握，同時，也可以使沒有接觸過EDA 電子電路設(shè)計的學生認識并學習相關(guān)技術(shù)。

（2）提出簡單的通信電路設(shè)計問題，學生運用Multisim電路仿真軟件模擬設(shè)計電路，培養(yǎng)設(shè)計思維，解決設(shè)計問題。這個過程很重要，通信電路中的基礎(chǔ)問題，比如調(diào)制與解調(diào)，最佳接收，加密與解密的基礎(chǔ)研究，可以激發(fā)學生積極性，同時初步培養(yǎng)學生目的驅(qū)動式學習。培養(yǎng)學生學習能力，在這個環(huán)節(jié)中，教學的重點是以學科基礎(chǔ)問題設(shè)計為出發(fā)點，引導學生將學科中的多個知識融合，構(gòu)建完成通信系統(tǒng)，并結(jié)合實際通信系統(tǒng)，嘗試用所構(gòu)建系統(tǒng)分析和模擬實際通信系統(tǒng)問題。

（3）運用PCB 開發(fā)板，結(jié)合數(shù)、模電中的基本電路培養(yǎng)學生搭建實際電路，解決實際問題的能力。研究的最終期望是進行作品轉(zhuǎn)化，此環(huán)節(jié)可以有效培養(yǎng)學生實際制作能力。

（4）提出實際電路設(shè)計，讓學生遵循現(xiàn)行電子通信系統(tǒng)設(shè)計師設(shè)計系統(tǒng)的一般設(shè)計過程設(shè)計實際電子通信系統(tǒng)。有了上述三個環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，學生可以掌握電子電路設(shè)計的基本步驟和基礎(chǔ)過程，同時思想上也會主動和實際電子產(chǎn)品結(jié)合，思考將設(shè)計和實用性較強的系統(tǒng)做對比分析。

（5）實用電路設(shè)計和目的驅(qū)動。此環(huán)節(jié)是教學中心環(huán)節(jié)，教學要提出具有實用價值的電子系統(tǒng)設(shè)計，可以從簡單的，學生身邊經(jīng)常使用的電子產(chǎn)品入手，提出基本設(shè)計目標與設(shè)計要求，同時增加可實現(xiàn)的多個不同層次設(shè)計目標與設(shè)計要求。然后重點在于提出一個或者多個明確可實現(xiàn)的設(shè)計目的。在實踐中，團隊提出目的主要有以下幾個:

考核目的,明確實物設(shè)計在設(shè)計考核中所占比例，鼓勵最終實物完成，并在教學小組中加入競爭機制。同時推進競爭機制和設(shè)計目標結(jié)合，根據(jù)層次不同的設(shè)計作品實施教學評價。同時將總體教學評價分解到每一個設(shè)計中，根據(jù)設(shè)計的不同要求、設(shè)計難度和設(shè)計實現(xiàn)單獨制定教學評價。

轉(zhuǎn)化目的，教學最終的設(shè)計目的是作品轉(zhuǎn)化，所以在申請必要資金支持的情況下，以現(xiàn)在學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和各種各類電子通信類大學生設(shè)計比賽為引導，運用平行的三到五個設(shè)計題目，引導學生設(shè)計小組以完成這類目的探索完成一個完整系統(tǒng)設(shè)計。

畢業(yè)目的，在研究實踐中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化目的不是每個學生設(shè)計小組都可以完成，原因在于每個設(shè)計小組在基礎(chǔ)知識、能力和興趣愛好上的差異使之出現(xiàn)設(shè)計能力上有一定差異，如果一味追求每個設(shè)計小組實現(xiàn)作品轉(zhuǎn)化，既不現(xiàn)實，同時還會降低部分小組的學習和設(shè)計積極性。這時，畢業(yè)設(shè)計就是一個可用工具，對于部分設(shè)計無法向轉(zhuǎn)化目的要求中完成轉(zhuǎn)化的設(shè)計，引導學生以畢業(yè)設(shè)計為目的進行作品轉(zhuǎn)化。

（6）記錄并總結(jié)研究過程中產(chǎn)生的各種問題和解決方法，探索將EDA 技術(shù)運用到電子通信相關(guān)專業(yè)實驗課中的新的教學模式。

根據(jù)上述研究過程，筆者探索改變教學模式為圖1 所示。

圖1 EDA 課程教學設(shè)計圖

在這個教學中，堅持以目的驅(qū)動為出發(fā)點，提出可行設(shè)計產(chǎn)品，設(shè)計產(chǎn)品要具有一定難度，給予一定規(guī)定時間，讓學生一人通過學習可以實現(xiàn)，但不足以完全實現(xiàn)或者感覺設(shè)計時間不足，這時引導學生組建設(shè)計團隊，將整個班級組建為一定數(shù)目設(shè)計團隊，重點在引入團隊競爭機制，在引入過程中可以適當加入課程思政元素。通過教師設(shè)計方向性指導，引導各團隊完成仿真測試與實現(xiàn)，對仿真測試與實現(xiàn)進行教學評價。通過教學評價中發(fā)現(xiàn)可以進行實物轉(zhuǎn)化的作品，以畢業(yè)設(shè)計，專業(yè)比賽或者產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為最終導向，引導學生進行設(shè)計轉(zhuǎn)化，完成實物產(chǎn)品設(shè)計。

2 教學過程實例

以手機充電器設(shè)計為例，說明教學過程。手機充電器從電路設(shè)計角度，是將220V，50HZ 的市電轉(zhuǎn)換成5V 直流電的裝置，要求轉(zhuǎn)換功率高，易實現(xiàn)，體積小，轉(zhuǎn)換得到的電壓穩(wěn)定，誤差小。他由變壓、整流和穩(wěn)壓幾個基本設(shè)計環(huán)節(jié)構(gòu)成。變壓器把220V 交流電變成交流5V 參考值，然后通過全橋整流把交流電變成直流電，最后通過電容作信號的低頻濾波實現(xiàn)穩(wěn)壓。

整個設(shè)計包含最基本設(shè)計過程如下所示：

（1）采用電源變壓器將生活用電電壓降低獲得所需要的交流電壓。

（2）用橋式整流電路將降壓后的5v 交流電轉(zhuǎn)為直流電。

（3）通過一個電容來實現(xiàn)信號的低頻濾波來實現(xiàn)穩(wěn)壓。

這幾個模塊的設(shè)計，均可以用學生在前驅(qū)課程中所學知識和技能實現(xiàn)基本的Multisim 電路仿真，但是基礎(chǔ)仿真不足以構(gòu)造電子產(chǎn)品。此時，教學中提出完成以上三個模塊設(shè)計為設(shè)計考核基礎(chǔ)目標，在學生小組完成基礎(chǔ)考核目標后，學生對手機充電器的設(shè)計有一定設(shè)計體驗，此時，給學生講解充電型電子產(chǎn)品的一些行業(yè)設(shè)計標準和設(shè)計安全，同時，運用現(xiàn)實中手機充電器和學生設(shè)計電路能實現(xiàn)功能做功能對比，引導學生確立產(chǎn)品轉(zhuǎn)化方向，在教學過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)小組學生首先會想到設(shè)計安全，并嘗試修改設(shè)計解決。學生通過問題分析和研究，提出利用LM7805 芯片輸出穩(wěn)定的5v電壓，也起到保護電路穩(wěn)壓作用，同時加入自動恢復短路保護實現(xiàn)更接近實物的穩(wěn)壓和電路保護效果。

在目的驅(qū)動上，選取此設(shè)計是團隊從設(shè)計實用性，設(shè)計可行性，設(shè)計難度、學科知識運用和作品轉(zhuǎn)化幾個維度分析的結(jié)果，此設(shè)計作為課程早期設(shè)計。以日常生活中手機使用為切入點，提出設(shè)計實現(xiàn)一款屬于自己的手機充電器為目標。引導學生查閱相關(guān)資料進入設(shè)計，學生在查閱相關(guān)資料后能很快發(fā)現(xiàn)各模塊電路，同時根據(jù)學習知識經(jīng)驗愿意嘗試設(shè)計，覺得可以完成。團隊建設(shè)在以前簡單項目中已經(jīng)完成。在團隊設(shè)計開始前，提出轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換效率和作品實物轉(zhuǎn)化三個測試指標。通過課程考核成績中的過程性考核評價進行考核。激勵學生設(shè)計。學生設(shè)計得到基本電路如圖2 所示。

圖2 手機充電器基礎(chǔ)實現(xiàn)仿真圖

設(shè)計出基礎(chǔ)電路后，引導學生發(fā)現(xiàn)作為應用型的充電器產(chǎn)品，此設(shè)計不能直接使用，因為缺少電路保護，在短路或過載的情況下，容易把手機等充電設(shè)備燒毀損壞。故在此電路的基礎(chǔ)上加上了一個保護電路完善設(shè)計。

通過以上引導，學生經(jīng)過分析和查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)可以利用繼電器來實現(xiàn)電路斷開，來保護充電設(shè)備。繼電器簡單來看就是一種開關(guān)，是一種由電來驅(qū)動的開關(guān)，動力來源是內(nèi)部帶線圈的電磁鐵，線圈通電，磁性吸合銜鐵，銜鐵與電磁鐵觸點使得開關(guān)導通；當線圈失電，磁鐵失去磁性，喪失吸力，由彈簧把銜鐵彈開，觸點斷開。

最終學生設(shè)計出的充電電路如圖3 所示。

圖3 手機充電器仿真圖

在正常情況，由兩個通路實現(xiàn)對負載的供電，（vcc 過可變電容對負載供電，vcc 過三極管發(fā)射極過R3 對負載供電），當短路或者過載時，三極管被擊穿，使得發(fā)射極-基極不能導通，電流從發(fā)射極流過集電極，使得線圈產(chǎn)生磁性，電容斷開，自此兩個通路斷開，負載失去供電。當短路或過載消除時，三極管發(fā)射極-基極繼續(xù)導通，可變電容接通，兩個通路繼續(xù)為負載供電。

在這里對學生設(shè)計報告進行過程性考核評價，但留下評價空間。同時引導并鼓勵學生購買配件，在學校實驗室中進行成品制作。最終，大部分學生都會嘗試成品制作，并有一部分學生能完成作品成品轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過程中，學生也會重新修正設(shè)計。

教學最終結(jié)果，如表1 所示。

表1 教學結(jié)果統(tǒng)計表

從教學結(jié)果統(tǒng)計表中可以看出，學生對基礎(chǔ)電路仿真完成度100%，說明學生通過鉆研和設(shè)計，可以在專業(yè)知識范圍內(nèi)完成電子電路設(shè)計。在設(shè)計過程中引導學生和實際產(chǎn)品對比，找出不足，有大部分組的學生能將基礎(chǔ)設(shè)計向?qū)嶋H電子產(chǎn)品靠攏。最終一部分學生能完成成品制作。當然，在產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過程中，研究團隊也發(fā)現(xiàn)，學生基礎(chǔ)的不足和獨立學院一部分學生所特有的解決問題態(tài)度和持之以恒精神的問題在產(chǎn)品轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生很大障礙，并最終阻礙了30%的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，這個問題將會在團隊后續(xù)研究中嘗試解決。

在項目得到學校資金支持的情況下，從教學效果看，以目的驅(qū)動的EDA 教學可以有效調(diào)動學生主觀能動性，自主解決設(shè)計過程中的實際問題，學生學習積極性較高，相比于傳統(tǒng)教學方式，可以更好的提升學生電子產(chǎn)品的設(shè)計能力，提升就業(yè)競爭力。

3 結(jié)論

應用型本科，特別是獨立學院電子通信相關(guān)專業(yè)EDA 教學中，改變傳統(tǒng)驗證式EDA 教學為目的導向式教學，同時分組引入競爭機制，可以更好的發(fā)揮學生主觀能動性，對培養(yǎng)學生解決實際問題，形成合理的電子產(chǎn)品設(shè)計思路具有一定意義。