葉綠

（集美工業(yè)學(xué)校，福建 廈門 361022）

淺析中職電子專業(yè)教學(xué)中常用CAD軟件及其應(yīng)用

葉綠

（集美工業(yè)學(xué)校，福建 廈門 361022）

文章對電子專業(yè)常用的CAD軟件的特點(diǎn)進(jìn)行介紹及比較，并以電子技能課程教學(xué)為例子，選取兩個(gè)班級采用不同的教學(xué)方式，介紹了CAD軟件在教學(xué)中的應(yīng)用，對比分析CAD軟件應(yīng)用在該項(xiàng)目教學(xué)中的利弊。提出：教學(xué)過程中不應(yīng)過度使用CAD軟件，而應(yīng)以實(shí)際操作為主、CAD軟件為輔，方能相得益彰，提高學(xué)生的理論及技能水平。

中職電子專業(yè)教學(xué)；CAD軟件；教學(xué)環(huán)節(jié)CAD軟件的應(yīng)用

1 中職電子專業(yè)教學(xué)中常用的CAD軟件

在中職電子專業(yè)的教學(xué)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(shè)計(jì)、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)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(xù)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(xué)上首先是較多地應(yīng)用于電子專業(yè)單片機(jī)課程的教學(xué)中，由于Proteus可以和編程軟件如Keil等軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，在程序修改調(diào)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(jī)芯片及其外圍電路的仿真。隨著信息化教學(xué)的發(fā)展及教學(xué)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(shù)字電路等課程的教學(xué)。同時(shí)，與教學(xué)中較為流行的Proteldxp軟件相似，Proteus也可以完成原理圖及PCB的設(shè)計(jì)。

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(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)。熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。

圖3 Altium Designer原理圖輸入錯(cuò)誤信息標(biāo)注

Altium Designer是Proteldxp 的升級版本，其加入了嵌入式、可編程器件設(shè)計(jì)等新的元素，使其能夠更好的適應(yīng)企業(yè)及設(shè)計(jì)公司的需要。從較早期的版本Protel 99SE開始，各個(gè)版本的Protel軟件就廣泛的應(yīng)用于電子專業(yè)的教學(xué)中，一般電子專業(yè)的教學(xué)中都開設(shè)了《Proteldxp 電路設(shè)計(jì)》等相關(guān)的課程。Altium Designer或者Proteldxp在教學(xué)中的應(yīng)用主要是在電路原理圖的輸入/PCB設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)。

1.3 Proteus與Altium Designer在電子專業(yè)教學(xué)上應(yīng)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(shè)計(jì)了較為完備且靈活的規(guī)則，同時(shí)在錯(cuò)誤的標(biāo)注上做到了直觀、易查，如圖3為Altium Designer標(biāo)注的原理圖輸入的錯(cuò)誤及警告信息。另一方面，Altium Designer在PCB設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，所支持的器件封裝的多樣性、設(shè)計(jì)規(guī)則的完整性及靈活性、PCB設(shè)計(jì)完成后電路板與設(shè)計(jì)規(guī)則的匹配性、信號完整性的檢查上，相比Proteus有較大的優(yōu)勢。Altium Designer軟件在仿真功能上，主要注重于模擬電路、數(shù)字電路的仿真，而不具備單片機(jī)電路的仿真功能。

從仿真數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式上來看，Altium Designer只能以圖表的方式呈現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果，而Proteus軟件在仿真數(shù)據(jù)、結(jié)果的呈現(xiàn)方式上，除了具備Altium Designer的圖表呈現(xiàn)方式外，還具有動態(tài)的呈現(xiàn)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(tài)的呈現(xiàn)出波形的變化過程,同時(shí)Proteus具有動態(tài)元件庫，在仿真過程中可以動態(tài)的調(diào)節(jié)元件的參數(shù)，元件參數(shù)變化對電路波形的影響可以在仿真波形上進(jìn)行“實(shí)時(shí)”地呈現(xiàn)。

圖4 Proteus動態(tài)仿真

表1 Proteus與Altium Designer特點(diǎn)比較表

綜上所述，如表1所示，在原理圖及PCB的設(shè)計(jì)中Altium Designer具有優(yōu)勢，而在仿真功能、仿真結(jié)果的呈現(xiàn)方式、趣味性方面Proteus具有較大優(yōu)勢。

2 中職電子專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)和CAD軟件進(jìn)行輔助教學(xué)比較

在中職電子專業(yè)的教學(xué)中，各門課程具有各自的特點(diǎn)，在分析CAD軟件的應(yīng)用時(shí)，我選取的是電子技能課程中的基本放大電路的制作項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。原因有如下2點(diǎn)：首先，電子技能課程的教學(xué)過程基本涵蓋了電路原理的講解、電路板的設(shè)計(jì)與制作、元件的檢測、電路板的焊接、電路的調(diào)試等大部分電子專業(yè)的教學(xué)內(nèi)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(xué)中具有典型的代表性，電路結(jié)構(gòu)及制作過程較為簡單，調(diào)試步驟明確，電路的制作基本能夠代表課程對中職學(xué)生的理論及技能要求水平。選取了2個(gè)電子專業(yè)班級的學(xué)生，在同一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)中，一個(gè)班采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，另外一個(gè)班應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，然后就這兩種不同的教學(xué)方式進(jìn)行比對。

2.1 電子技能課程的傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)

如圖5所示，在傳統(tǒng)的電子技能課程的教學(xué)過程中，通常包括以下5個(gè)環(huán)節(jié)：

圖5 電子技能的傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)

（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(jìn)行電路原理的講解，學(xué)生被動的進(jìn)行聽講，做筆記。

（2）PCB設(shè)計(jì)：

學(xué)生在教師的口頭指導(dǎo)或者PPT示例圖的指導(dǎo)下，使用筆紙直尺等工具進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)錯(cuò)誤需要耗費(fèi)較大的時(shí)間和精力進(jìn)行修改。

（3）PCB制作：

在電路板上使用油性筆直尺進(jìn)行描繪，或者采用熱轉(zhuǎn)印的方式將電路圖轉(zhuǎn)印紙電路板上，再對電路板進(jìn)行腐蝕，費(fèi)時(shí)耗力。

（4）電路板焊接：

使用電烙鐵等工具在教師指導(dǎo)下進(jìn)行焊接。

（5）電路板調(diào)試：

憑借電路原理講解環(huán)節(jié)中所學(xué)到的知識，在教師及任務(wù)書的指導(dǎo)下進(jìn)行電路調(diào)試。

2.2 使用CAD軟件進(jìn)行輔助教學(xué)的電子技能課程的教學(xué)環(huán)節(jié)

如圖6所示，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教學(xué)過程通常包括以下7個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）電路原理圖輸入：

如圖7所示，學(xué)生在教師指導(dǎo)下使用CAD軟件進(jìn)行電路原理圖的輸入，在輸入過程中，對電路結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)有了初步的了解。

圖6 CAD輔助電子技能教學(xué)環(huán)節(jié)

圖7 電路原理圖輸入

（2）電路原理學(xué)習(xí)及電路仿真：

如圖8所示，在電路原理學(xué)習(xí)的過程中，教師進(jìn)行電路原理教學(xué)的過程中，學(xué)生使用CAD軟件對電路進(jìn)行仿真，電路原理學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和電路仿真環(huán)節(jié)形成閉環(huán)，由電路原理指導(dǎo)電路仿真的進(jìn)行，電路仿真的結(jié)果與電路原理進(jìn)行相互印證，這個(gè)過程可以循環(huán)進(jìn)行。

圖8 電路仿真

（3）PCB設(shè)計(jì)：

學(xué)生使用CAD軟件，從輸入的原理圖中導(dǎo)出PCB設(shè)計(jì)所需要的網(wǎng)絡(luò)圖在CAD軟件上進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)，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(jìn)行，如圖9所示。

圖9 PCB設(shè)計(jì)

（4）PCB制作：

在使用CAD軟件完成PCB的設(shè)計(jì)并進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則、信號完整性檢查后，可以從CAD軟件中導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)的PCB制作文件，在運(yùn)用PCB制板機(jī)進(jìn)行制作。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下了解自動制板過程，對現(xiàn)代PCB板的制作過程有個(gè)初步的認(rèn)識。

（5）電路板焊接：

從CAD軟件中導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)的PCB裝配圖及元器件清單，進(jìn)行電路板的焊接。

（6）電路板調(diào)試：

如圖6所示，電路仿真環(huán)節(jié)及電路板調(diào)試環(huán)節(jié)也構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，即在電路仿真環(huán)節(jié)，學(xué)生可以事先了解對應(yīng)測試點(diǎn)的波形，電壓等電路信息，從而明確調(diào)試的步驟和重點(diǎn)，在電路板調(diào)試過程中，將實(shí)際測得的波形和電壓等信息與仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，虛的軟件仿真與實(shí)的實(shí)際電路板調(diào)試結(jié)合進(jìn)行相互比對。

3 淺析CAD軟件應(yīng)用的利

3.1 由教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施效果角度分析

如表2所示，使用了CAD軟件進(jìn)行教學(xué)和傳統(tǒng)的不使用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)兩種教學(xué)方式共有的教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施方式和效果的角度進(jìn)行比對，可以看出，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)的方式，在提高學(xué)生積極性、突破電路原理學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)、PCB設(shè)計(jì)的效率、PCB制作的效率、PCB的“成品率”、電路的調(diào)試的效率、學(xué)生自主探究的積極性等方面，具有較大的優(yōu)勢。

表2 教學(xué)方式、效果對照表

表3 教學(xué)工作量對照表

3.2 由教學(xué)的工作量角度分析

如表3所示，在教學(xué)工作量方面，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)的方式與傳統(tǒng)教學(xué)方式比較，課時(shí)量似乎相差不大，需要注意的是，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)的方式比傳統(tǒng)教學(xué)方式多了電路仿真環(huán)節(jié)看似在此增加了工作量，然而，在電路調(diào)試環(huán)節(jié)，由于借助電路仿真和實(shí)際的電路調(diào)試相互印證比較，應(yīng)用CAD軟件可以在電路調(diào)試環(huán)節(jié)減少教學(xué)的工作量，同時(shí)提高教學(xué)的效率。而且，隨著教學(xué)的深入，電路復(fù)雜性的提高，可以預(yù)見的是，在相同教學(xué)效果的前提下，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)的教學(xué)工作量相對于傳統(tǒng)教學(xué)方式將進(jìn)一步減少；或者也可以說在相同教學(xué)課時(shí)的情況下，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)將達(dá)到更好的教學(xué)效果。

4 淺析CAD軟件應(yīng)用的弊端及建議

通過上述分析，雖然顯示使用CAD軟件進(jìn)行教學(xué)從學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、教學(xué)工作量、教學(xué)的有效性上都具有很大優(yōu)勢，但是事物都具有兩面性，在筆者的教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，CAD軟件無法解決教學(xué)過程中的所有問題，CAD軟件輔助教學(xué)的過程中應(yīng)該注意防止以下弊端：

4.1 以仿真代替實(shí)訓(xùn)，只見虛不見實(shí)，為了仿真而仿真

CAD軟件的運(yùn)行環(huán)境簡單，只需要一臺電腦，安裝上相應(yīng)的CAD軟件，就可以運(yùn)行。同一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，如果采用仿真或部分采用仿真而不是全部進(jìn)行實(shí)際動手操作的話，學(xué)生操作簡單易上手，教師教學(xué)負(fù)擔(dān)減輕，因此，省時(shí)省力的CAD軟件在某種程度對教師和學(xué)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(shí)際的動手實(shí)訓(xùn)帶來的問題顯而易見：學(xué)生的動手能力下降，遇到實(shí)際電路板的問題茫然無措。仿真會“過濾”掉實(shí)際操作中的許多細(xì)節(jié)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(biāo)點(diǎn)擊虛擬儀器完成連線，點(diǎn)擊仿真按鈕，做適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)等波形就會顯示。而在實(shí)際的電路板的示波器使用中，電源的開啟，波形的校準(zhǔn)、調(diào)節(jié)、觸發(fā)源的選擇甚至探針倍率的選擇都會影響最終的測量結(jié)果，而學(xué)生正是需要在解決這些細(xì)節(jié)問題的過程中，才能實(shí)質(zhì)的提高自己的動手實(shí)操技能。因此，在有實(shí)訓(xùn)條件的情況下，盡量不要采用仿真，或者仿真應(yīng)該作為實(shí)踐動手操作的補(bǔ)充。

4.2 使用CAD軟件可能影響學(xué)生學(xué)習(xí)專注力

使用運(yùn)行在電腦上的CAD軟件進(jìn)行輔助教學(xué)時(shí)，一個(gè)不可避免的問題在于，學(xué)生學(xué)習(xí)的專注力會受到影響。在筆者的教學(xué)實(shí)踐中，當(dāng)學(xué)生在接觸到CAD軟件時(shí)，興趣濃厚、積極性高、學(xué)習(xí)專注力強(qiáng)。然而，隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程的深入，當(dāng)學(xué)生熟悉了CAD軟件后，不可避免的出現(xiàn)了興趣下降、學(xué)習(xí)的主動性降低等問題，甚至，少數(shù)同學(xué)出現(xiàn)了使用電腦玩游戲的情況。這在傳統(tǒng)的教學(xué)課堂上是不可想象的。面對這樣的問題，教師應(yīng)該加強(qiáng)課堂管理，采用相應(yīng)的評價(jià)、技術(shù)手段來確保學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力。

5 結(jié)語

綜上所述，信息化的浪潮不可阻擋，CAD軟件在電子專業(yè)教學(xué)中的使用可以提高教學(xué)的有效性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及主動性，從這方面來看意義重大。然而，教師在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐過程中，需要注意切忌過度使用CAD軟件，應(yīng)以實(shí)際操作為主，CAD軟件為輔，如此才能相得益彰，切實(shí)的提供學(xué)生的理論及技能水平，滿足實(shí)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(xué)信息化。