王鷹，李道江，蔚婧

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安）

一 引言

電類專業(yè)的課程設(shè)計，是各高校的大電專業(yè)傳統(tǒng)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(xué)校因為教學(xué)目標(biāo)的不同，對整個課程的要求和內(nèi)容設(shè)置也不盡相同。對傳統(tǒng)的一流高校來說，除了要求學(xué)生具有較強的動手能力以外，對課程內(nèi)容做較為深入的理論分析、對電路系統(tǒng)做更為嚴(yán)苛的技術(shù)探討等環(huán)節(jié)，也是對學(xué)生進行實踐訓(xùn)練的重要內(nèi)容。而對于普通的高職類學(xué)校而言，更加強調(diào)學(xué)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(xué)生的實踐環(huán)節(jié)的要求，目標(biāo)不同、內(nèi)容各異。

近年來，隨著國際形勢的復(fù)雜變化，更令我們體會到技術(shù)創(chuàng)新與變革才是一個國家向強國邁進的動力之源。有關(guān)部門一再強調(diào)，我們要培養(yǎng)大量的黃大年式的科技工作者，科技工作者的首要目標(biāo)就是要讓科技變成生產(chǎn)力，改變國家在某些科技領(lǐng)域被人“卡脖子”的尷尬境地。從這個角度講，就對人才培養(yǎng)提出了新的要求。我們既需要理論創(chuàng)新、能夠撰寫論文的科學(xué)工作者，更需要能夠讓科技變?yōu)樯a(chǎn)力的科技工作者。

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

因此，一些高校已經(jīng)開始嘗試一些另外的手段，以便讓更多的學(xué)生甚至所有相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，都有這種實踐機會。方法就是開設(shè)更多學(xué)時的大實踐類課程，目的就是讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)以前，通過這門大實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生把所學(xué)的專業(yè)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(xué)生獨立思考完成，最后完成一件設(shè)計作品，從而使學(xué)生掌握一套完整的設(shè)計思路和設(shè)計方法[1]。

對于電類專業(yè)的課程設(shè)計來講，首先是要融匯先修課程的大部分內(nèi)容。比如電路、模擬電子線路、電子線路、數(shù)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(shè)備，經(jīng)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(diào)試。硬件實驗環(huán)節(jié)已經(jīng)基本上和產(chǎn)品研發(fā)同步。而在設(shè)計計算環(huán)節(jié)，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(tài)和工作過程。因此，學(xué)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(chǎn)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(shè)各個高校有著不同的教學(xué)目標(biāo)。很多高校都止步于原理圖設(shè)計，考核的辦法是仿真軟件調(diào)試通過即可。其實，一個電路系統(tǒng)涉及到這一步，才是走完了第一步。仿真通過的電路系統(tǒng)，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(xué)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(xué)技術(shù)飛速發(fā)展到今天，科學(xué)研究和科學(xué)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(xué)實驗也已經(jīng)普及。尤其是在疫情期間，網(wǎng)上授課和網(wǎng)上實驗經(jīng)過大量高校老師的實踐，也都取得了非常不錯的教學(xué)效果。如用Multisim 和Tina-Ti 等仿真軟件來進行實驗教學(xué)，完全可以達(dá)到用實驗箱實驗所達(dá)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(guī)教學(xué)方法，也有它的局限性。完全忽略了對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。其實焊接和電路調(diào)試環(huán)節(jié)是衡量一個電類學(xué)生動手能力的試金石。該環(huán)節(jié)對于發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力的培養(yǎng)非常重要[2]。

因此我們認(rèn)為電路系統(tǒng)仿真和制作PCB相結(jié)合，完成整個電路系統(tǒng)的焊接和調(diào)試的全流程過程是更為有效的教學(xué)方法。

一般來講，一個電路系統(tǒng)的設(shè)計需要經(jīng)過以下幾個流程：

1.原理論證和計算，設(shè)計合理電路。

2.用仿真軟件進行電路仿真。

3.繪制標(biāo)準(zhǔn)原理圖和PCB 圖。

4.對PCB 版進行焊接。

5.局部調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。

6.寫總結(jié)報告，總結(jié)。

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

下面就整個流程做一個簡要說明。

二 設(shè)計、計算和仿真

嚴(yán)格地講，我們設(shè)計電路系統(tǒng)時所做的設(shè)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(shè)所有的元器件，都工作在理想狀態(tài)，所得的計算結(jié)果有非常重要的指導(dǎo)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(shù)。比如某種特定二極管的模型，加入了溫度系數(shù)、導(dǎo)通電壓、反相擊穿電壓等具體參數(shù)，這樣仿真結(jié)果就和實際電路非常接近。這種仿真方法不僅是教學(xué)環(huán)節(jié)的基本手段，而且已經(jīng)成為硬件工程師必備的技能，并被在硬件系統(tǒng)設(shè)計中大量應(yīng)用。

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

常見的這類軟件系統(tǒng)有Multisim、Tina-Ti、Spice 等。這類文章已經(jīng)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(jié)果肯定是一樣的。只要學(xué)生按時間做完，結(jié)論肯定是一樣的。那么如何才能保證學(xué)生成績服從正態(tài)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(diào)試，學(xué)生的綜合能力差異就體現(xiàn)出來了。

三 電路板EDA 設(shè)計

一個電路系統(tǒng)從原理設(shè)計到PCB 版的制作、焊接、調(diào)試也是一個工科電類專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技能。之前大部分實驗課都是根據(jù)設(shè)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(xué)生動手能力的目的。這個方法的優(yōu)點是相對比較經(jīng)濟，缺點是在整個實驗過程中，學(xué)生花費了大量的時間進行焊接線路的檢查和調(diào)試，學(xué)生往往在規(guī)定的教學(xué)時間內(nèi)不能完成實驗，尤其是對于稍微復(fù)雜的電路，往往得不到實驗結(jié)果，效率低下[5]。

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

但是對于沒有這方面基礎(chǔ)知識的學(xué)生來講，光是學(xué)習(xí)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(xué)生去焊接、調(diào)試，對學(xué)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(xué)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(mào)易戰(zhàn)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(quán)，這也給了中國的EDA 軟件公司一個難得的好機會。

國產(chǎn)的“立創(chuàng)EDA”就是其中的佼佼者。

立創(chuàng)EDA 號稱20 分鐘就可以上手，這就為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了很好的鍛煉平臺。在相對較為緊湊的課時內(nèi)，可以完成從仿真到實驗板的制作調(diào)試。

這個平臺的設(shè)計，充分考慮到學(xué)校教學(xué)這個環(huán)節(jié)。在平臺內(nèi)教師可以設(shè)立課程的獨立工程，和所有的班級學(xué)生成立一個組。這樣學(xué)生和老師可以很方便地互動交流，修改電路，批改作業(yè)。目前，全國已有上百所大學(xué)在此平臺開課。

立創(chuàng)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(chuàng)EDA 的仿真功能現(xiàn)在還不夠強大，稍微復(fù)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(xué)教學(xué)這個領(lǐng)域，用立創(chuàng)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(jīng)費壓力。所需的電子元器件也可以直接在立創(chuàng)商城購買。這樣學(xué)生就可以通過自己設(shè)計的電路板進行焊接、調(diào)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(yè)的學(xué)生而言，鍛煉價值是非常大的。

四 實例

我們通過一個經(jīng)常用到的實例來說明這個過程。

正弦波、三角波、方波信號發(fā)生器是實驗中經(jīng)常要做的一個實驗。多年以來，本實驗項目的教學(xué)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(diào)試，一般學(xué)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(huán)節(jié)。

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(dá)到部分實驗?zāi)康?，但對于學(xué)生的動手能力的鍛煉，近乎于無。對于學(xué)生認(rèn)識元器件、焊接電路以及其他有利于學(xué)生更深刻地了解和理解相關(guān)專業(yè)，幾乎也無所幫助。如果進行“全流程”的教學(xué)實踐，以上所述的幾點不足都可以克服。PCB 板的焊接和調(diào)試成功，對激發(fā)學(xué)生對相關(guān)專業(yè)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(xué)生可以很快地上手，并搭建電路。通過虛擬仿真，學(xué)生應(yīng)該理解了電路的工作原理。圖1 是本校學(xué)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(chuàng)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(xué)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(yīng)的，這是工程方面的基本知識。同時，使學(xué)生明白一個電路設(shè)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(chuàng)EDA 繪制的原理圖電路。

圖5 原理圖電路

第三步：在立創(chuàng)EDA 中繪制PCB 圖。只要所有的電路在原理圖繪制時仔細(xì)檢查核對，那么在PCB 板的繪制過程中，立創(chuàng)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(diào)試應(yīng)該不會有電氣連接的質(zhì)量問題，從而最大限度地滿足實驗需要。

立創(chuàng)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(fā)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(jié)語

根據(jù)疫情以來兩屆學(xué)生的教學(xué)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(xué)生的視野，使學(xué)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(shù)據(jù)的枯燥的實驗課變成了有趣的設(shè)計制作課，當(dāng)學(xué)生焊接完板子并調(diào)試出波形后的那種喜悅與興奮之情難以言表。部分同學(xué)因此喜歡上了電子電路實驗，并由此參加大學(xué)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(xué)效果。