王文東　袁小慶　張鵬　史儀凱

摘 ?要：在創(chuàng)新教育改革背景下，科技競(jìng)賽是學(xué)生提升創(chuàng)新能力的有效途徑。隨著智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+和人工智能等的出現(xiàn)，創(chuàng)新教育對(duì)電類專業(yè)知識(shí)技能的要求越來(lái)越高。因傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，非電類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)電類知識(shí)技能過(guò)程中面臨一系列的問(wèn)題。文章提出了基于EDA仿真的非電類專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，結(jié)合具體案例深入探討了該方法在教育改革中的具體作用。通過(guò)搭建基于Multisim平臺(tái)的功率因數(shù)提高方法的仿真模型，驗(yàn)證了所提出的方法在教學(xué)過(guò)程中的可行性，可以作為深化高等學(xué)校創(chuàng)新教育改革的一種途徑。

關(guān)鍵詞：EDA仿真;創(chuàng)新能力培養(yǎng);非電類專業(yè);Multisim

中圖分類號(hào)：G640 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）10-0046-04

Abstract： Under the background of innovation education reformation， technical contest is the effective method to improve the innovation ability of undergraduates. With the development of intelligent manufacturing， Internet+， and artificial intelligence， it requires more electrical knowledge and skills of undergraduates. Currently， the non-electrical undergraduates face some problems Due to the disadvantages of traditional teaching activities. The innovation ability cultivation method based on EDA simulation is proposed to solve the existing problems， and the functions of the proposed method was discussed in teaching reformation with specific example. The feasibility of the proposed method is verified by building the simulation case of power factor improvement on Multisim. The results show it's effective as the solution of innovation teaching reformation.

Keywords： EDA simulation; innovation cultivation; non-electrical graduates; Multisim

一、概述

2015年5月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見(jiàn)》，對(duì)高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革進(jìn)行了全面部署[1，2]。大學(xué)生科技競(jìng)賽是一項(xiàng)集創(chuàng)新性、協(xié)作性、實(shí)踐性、應(yīng)用性為一體的活動(dòng)，是學(xué)生提升創(chuàng)新能力、挖掘潛在創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)的有效途徑[3]。近幾年，大學(xué)生科技創(chuàng)新競(jìng)賽如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，有的學(xué)科專業(yè)性非常強(qiáng)，比如全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽等;有的學(xué)科綜合性較強(qiáng)，比如“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等[4，5]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽是為了貫徹落實(shí)有關(guān)文件精神，由教育部聯(lián)合有關(guān)部門共同舉辦，其目的是深化高等教育綜合改革，激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的生力軍;以創(chuàng)新引領(lǐng)創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)業(yè)帶動(dòng)就業(yè)，推動(dòng)高校畢業(yè)生更高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)[6，7]。參賽項(xiàng)目將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域緊密結(jié)合，有助于推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與教育、醫(yī)療、金融、交通、消費(fèi)生活等深度融合，并促進(jìn)制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革背景下，尤其是隨著人工智能熱潮的出現(xiàn)，科技競(jìng)賽所體現(xiàn)的學(xué)科交叉特點(diǎn)日趨明顯[8]。越來(lái)越多的科技競(jìng)賽活動(dòng)需要更加綜合的專業(yè)知識(shí)與技能，比如電子信息、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)、軟件工程、電氣工程等電類專業(yè)，這些專業(yè)的學(xué)生接觸新興前沿科技的機(jī)會(huì)越來(lái)越多。相對(duì)而言，非電類專業(yè)學(xué)生在這樣的教育與科技背景下，則需要加強(qiáng)電類專業(yè)知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)。

二、非電類專業(yè)學(xué)生面臨的問(wèn)題

非電類專業(yè)學(xué)生，尤其是機(jī)械、材料、航空宇航、能源、兵器、船舶、動(dòng)力、制造等領(lǐng)域的工程專業(yè)，因受傳統(tǒng)培養(yǎng)方案的限制，學(xué)生能接觸到電類課程非常少，最為常見(jiàn)的課程是電工電子技術(shù)（也通常叫做電工學(xué)）及其實(shí)驗(yàn)課程[9]。但該課程內(nèi)容多、范圍廣，涉及電路分析、電機(jī)與電氣控制、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)四大模塊，相當(dāng)于電類專業(yè)的四門課程，但是學(xué)時(shí)少。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革、互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造和人工智能大背景下，非電類專業(yè)學(xué)生目前普遍面臨以下問(wèn)題[10]：（1）時(shí)間和場(chǎng)地有限，很難完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定，多為重復(fù)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性;（3）理論與實(shí)踐有脫節(jié)，理論知識(shí)基本為公式推導(dǎo)模式，學(xué)生無(wú)法體驗(yàn)理論應(yīng)用到時(shí)間的妙處;（4）綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)條件不足，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。上述問(wèn)題的存在，將導(dǎo)致電類知識(shí)技能少的學(xué)生在就業(yè)和創(chuàng)業(yè)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)力較弱。為解決上述問(wèn)題，本文提出基于EDA仿真的非電類專業(yè)學(xué)生電類專業(yè)技能培養(yǎng)的方法。

三、EDA仿真在非電類專業(yè)教育改革中的作用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真方法已成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中非常有效的方法，有助于解決非電類專業(yè)面臨的問(wèn)題。EDA（Electronic Design Automation）即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，基于計(jì)算機(jī)和仿真軟件完成電子電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試、分析以及優(yōu)化等功能。國(guó)內(nèi)高校越來(lái)越重視EDA技術(shù)的應(yīng)用，逐漸建立獨(dú)立的EDA仿真實(shí)驗(yàn)室，并開(kāi)設(shè)相關(guān)的EDA課程。將EDA仿真用于非電類專業(yè)教學(xué)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

（一）加強(qiáng)理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

對(duì)于機(jī)械、能源、材料等非電類專業(yè)學(xué)生，電類課程通常作為專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性、實(shí)踐性強(qiáng)，課程內(nèi)容多，知識(shí)面廣，理論抽象。傳統(tǒng)的教學(xué)模式理不利于學(xué)生真正掌握理論知識(shí)，學(xué)以致用，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。將EDA仿真技術(shù)融入課堂教學(xué)，將抽象的原理電路與理論分析，通過(guò)仿真的方法得以驗(yàn)證，使理論學(xué)習(xí)變得生動(dòng)形象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

（二）緩解學(xué)時(shí)少與內(nèi)容多的矛盾，增加課堂信息量

隨著新技術(shù)、新器件的不斷出現(xiàn)，非電類專業(yè)的電類技術(shù)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容越來(lái)越多，與現(xiàn)有課時(shí)規(guī)定之間的矛盾日趨凸顯。教學(xué)過(guò)程中大量的公式推導(dǎo)、圖表、曲線等占用大量的課堂時(shí)間，學(xué)生也會(huì)覺(jué)得枯燥。采用EDA仿真方法，不僅可以節(jié)省大量的抽象的課堂講解，還可以在相同時(shí)間內(nèi)增加信息量的傳授。學(xué)生根據(jù)課堂知識(shí)內(nèi)容，可以自行搭建電路驗(yàn)證結(jié)果，不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)，降低實(shí)驗(yàn)成本，獲得學(xué)習(xí)的成就感，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。

（三）突破課堂時(shí)間與地點(diǎn)的限制，創(chuàng)建開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

電類課程教學(xué)要求學(xué)生熟練掌握常見(jiàn)儀器儀表的使用方法和電路調(diào)試方法，受客觀條件限制，通常很難滿足學(xué)生實(shí)時(shí)操作和充分發(fā)揮設(shè)計(jì)能力的要求。EDA仿真實(shí)驗(yàn)室可以使學(xué)生不受空間、時(shí)間和指導(dǎo)老師的約束，自由安排時(shí)間設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真操作。有條件的學(xué)生，可以在自己的電腦上開(kāi)展EDA設(shè)計(jì)、仿真等操作，可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的限制。另外，仿真內(nèi)容也不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，學(xué)生可以及時(shí)將自己的創(chuàng)新想法通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證，增加自信心，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

（四）增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新精神

仿真技術(shù)不僅是一種有效的教學(xué)手段，也是信息時(shí)代、計(jì)算機(jī)時(shí)代的工科學(xué)生應(yīng)該掌握的一種基本技能。仿真技術(shù)作為工程實(shí)踐過(guò)程中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題一種重要手段，是工程類學(xué)生必須掌握的基本技能和方法。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下，很多學(xué)生有相當(dāng)新穎的設(shè)計(jì)與方法，但缺乏經(jīng)驗(yàn)和有效的指導(dǎo)，最終未能實(shí)現(xiàn)。EAD仿真方法的限制條件非常低，只需掌握軟件的操作方法，學(xué)生就可以隨時(shí)隨地驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真結(jié)果探索解決問(wèn)題的方法，對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)有很好的促進(jìn)作用。

常見(jiàn)的EDA仿真工具有Multisim、PSPICE、Labview、Proteus、Matlab等，每個(gè)軟件都有各自的優(yōu)點(diǎn)，在不同學(xué)科專業(yè)發(fā)揮作用不同，可以根據(jù)教學(xué)要求或者學(xué)科專業(yè)內(nèi)容選擇。

四、EDA仿真案例

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司推出的仿真工具，包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，是一款典型的EDA仿真軟件。本文基于Multisim 14.0，通過(guò)功率因數(shù)提高方法案例驗(yàn)證EDA在非電類專業(yè)教學(xué)中的作用，其方法流程如圖1所示。

（一）內(nèi)容分析

功率因數(shù)的提高是電工學(xué)課程中非常重要的知識(shí)點(diǎn)之一，也是理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合的典型案例之一。在理論學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生知道了功率因數(shù)低的原因是用電設(shè)備中多數(shù)為感性的，比如日光燈、電動(dòng)機(jī)，通常采用提高功率因數(shù)的方法為在感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容。在課堂內(nèi)容中要對(duì)相關(guān)的原理方法進(jìn)行推導(dǎo)與分析，比如為什么并聯(lián)電容可以提高功率因數(shù)，并聯(lián)電容值是否越大越好，以及過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)雀拍?。雖然這些理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用關(guān)系非常密切，但是對(duì)大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，很難學(xué)以致用。因此，本案例非常適合采用EAD仿真的方法進(jìn)行講授。

（二）方案設(shè)計(jì)

為了在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中完成功率因數(shù)提高方法、欠補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償?shù)壤碚撝R(shí)的驗(yàn)證，搭建如圖2所示的分析電路。仿真分為四個(gè)部分測(cè)量，分別為：（1）未并聯(lián)電容時(shí)的功率因數(shù);（2）并聯(lián)656uF電容時(shí)的功率因數(shù);（3）在（2）的基礎(chǔ)上繼續(xù)并聯(lián)213uF電容時(shí)的功率因數(shù);（4）在（3）的基礎(chǔ)上繼續(xù)并聯(lián)213uF電容時(shí)的功率因數(shù)。

（三）仿真結(jié)果

根據(jù)相應(yīng)的測(cè)量?jī)?nèi)容，完成有關(guān)仿真，得到仿真結(jié)果圖3所示。由圖3仿真結(jié)果可知，并聯(lián)電容前，功率因數(shù)約為0.598;并聯(lián)656uF電容后功率因數(shù)提高到0.948;繼續(xù)并聯(lián)213uF電容，功率因數(shù)進(jìn)一步被提高到0.999;在圖3（c）的基礎(chǔ)上，繼續(xù)并聯(lián)213uF電容，功率因數(shù)反而降低了，變?yōu)?.953。

對(duì)照?qǐng)D3（b）和（c）可知，圖3（b）稱之為欠補(bǔ)償狀態(tài)，因?yàn)槔^續(xù)并聯(lián)電容，功率因數(shù)可以進(jìn)一步提高。對(duì)照?qǐng)D3（c）和（d）可知，圖3（d）稱之為過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，因?yàn)槔^續(xù)并聯(lián)電容出現(xiàn)了功率因數(shù)降低的現(xiàn)象。幾種結(jié)果對(duì)照可得結(jié)論，并聯(lián)電容可以提高功率因數(shù)，但是并不是并聯(lián)電容值越大越好，在工程應(yīng)用的時(shí)候應(yīng)當(dāng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等因素選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜怠?/p>

（四）功能分析

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，主要是靠介紹概念、推導(dǎo)公式的方式進(jìn)行授課，學(xué)生的積極性不高，概念與應(yīng)用不能很好的貫通，教學(xué)效果不理想。通過(guò)EDA仿真結(jié)果圖，對(duì)照講解欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償概念，將抽象的概念變得形象易懂，在好奇心的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生會(huì)自行搭建仿真電路驗(yàn)證有關(guān)方法，進(jìn)而可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。因而，體現(xiàn)了第三節(jié)中的作用（一）。通過(guò)EDA原理電路圖（圖2）描述功率因數(shù)提高的方法——并聯(lián)電容，直觀簡(jiǎn)單，減少了很多抽象的文字描述，同時(shí)電路原理圖反映的信息量更大。因此，體現(xiàn)了第三節(jié)中的作用（二）。很多高校建設(shè)有獨(dú)立的EDA仿真實(shí)驗(yàn)室，配備有滿足要求的電腦和仿真軟件。功率因數(shù)提高的仿真實(shí)驗(yàn)電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，學(xué)生只需具備基本的軟件操作技能，即可在EDA實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立完成，無(wú)需專業(yè)老師指導(dǎo)。另外，有條件的學(xué)生亦可以在私人電腦上完成該仿真實(shí)驗(yàn)，不受實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間和地點(diǎn)的限制。因此，體現(xiàn)了第三節(jié)的作用（三）。在課堂教學(xué)過(guò)程中，任課教師肯定會(huì)引導(dǎo)學(xué)生思考其他提高功率因數(shù)的方法。思想活躍的同學(xué)會(huì)想到串聯(lián)電容的方法是否也能提高功率因數(shù)呢？基于這樣的思考，學(xué)生可以自行搭建串聯(lián)電容仿真電路，并驗(yàn)證結(jié)論，對(duì)結(jié)論中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行思考，聯(lián)系實(shí)踐應(yīng)用，考慮其結(jié)果的可行性，有助于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神。因此，體現(xiàn)了第三節(jié)中的作用（四）。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革背景下，尤其是受互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能等大環(huán)境的影響，分析了非電類專業(yè)學(xué)生面臨的問(wèn)題。提出EDA仿真方法在非電類專業(yè)學(xué)生電類專業(yè)知識(shí)培養(yǎng)中的四點(diǎn)主要作用。最后，結(jié)合電工學(xué)課程中功率因數(shù)提高的知識(shí)點(diǎn)，用仿真的方法驗(yàn)證了本文提出的四點(diǎn)作用的可行性。因此，基于EDA仿真的教學(xué)改革模式適用于非電類專業(yè)學(xué)生電類知識(shí)技能的培養(yǎng)，可以作為深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的一種途徑。

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基金項(xiàng)目：本文系教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于機(jī)器人的《電工電子系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐》創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程建設(shè)”（編號(hào)：201802038032）;西北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“《電工學(xué)》課程混合式教學(xué)模式的探索與實(shí)踐”（編號(hào)：2018JGY02）的成果之一

作者簡(jiǎn)介：王文東（1984-），男，漢族，山東嘉祥人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：智能機(jī)器人，電工學(xué)系列課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究;袁小慶（1979-），男，漢族，河南確山人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，寶鋼教學(xué)名師，陜西省電工學(xué)研究會(huì)副理事長(zhǎng)，研究方向：智能機(jī)器人，電工學(xué)系列課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究;張鵬（1987-），男，漢族，陜西西安人，博士，助理研究員，研究方向：智能機(jī)器人，工程實(shí)踐教育研究;史儀凱（1952-），男，漢族，陜西興平人，本科，教授，博士研究生導(dǎo)師，第四屆高等學(xué)校教學(xué)名師獎(jiǎng)獲得者，中國(guó)電工學(xué)研究會(huì)副理事長(zhǎng)，研究方向：電氣工程，電工學(xué)系列課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。