电类专业课程设计环节的“全流程”操作与实践

王鹰，李道江，蔚婧

（西北工业大学 航海学院，陕西 西安）

一 引言

电类专业的课程设计，是各高校的大电专业传统的核心课程和必修课程。几十年来，由于该课程具有强大的综合性，许多先修课程（电路、模拟电子线路、高频电子线路等）中比较难以掌握的知识点都融汇在本课程中。因此，这门实践类课程总的来说知识量是比较大的，各个学校因为教学目标的不同，对整个课程的要求和内容设置也不尽相同。对传统的一流高校来说，除了要求学生具有较强的动手能力以外，对课程内容做较为深入的理论分析、对电路系统做更为严苛的技术探讨等环节，也是对学生进行实践训练的重要内容。而对于普通的高职类学校而言，更加强调学生的动手能力和对部分成熟电路的熟悉程度。因此各类高校对学生的实践环节的要求，目标不同、内容各异。

近年来，随着国际形势的复杂变化，更令我们体会到技术创新与变革才是一个国家向强国迈进的动力之源。有关部门一再强调，我们要培养大量的黄大年式的科技工作者，科技工作者的首要目标就是要让科技变成生产力，改变国家在某些科技领域被人“卡脖子”的尴尬境地。从这个角度讲，就对人才培养提出了新的要求。我们既需要理论创新、能够撰写论文的科学工作者，更需要能够让科技变为生产力的科技工作者。

目前全国性质的和地域性质的各种电子设计比赛，很好地激励了学生的学习激情，对学生的锻炼价值也非常大。但是，参加类似活动的学生毕竟是少数，大部分学生没有参加这种比赛的机会和热情，从而失去了这种科学素养锻炼和提升的机会。

因此，一些高校已经开始尝试一些另外的手段，以便让更多的学生甚至所有相关专业的学生，都有这种实践机会。方法就是开设更多学时的大实践类课程，目的就是让学生在毕业设计环节以前，通过这门大实践环节，使学生把所学的专业知识来一次大综合实践，从问题的提出到解决问题的方法，都让学生独立思考完成，最后完成一件设计作品，从而使学生掌握一套完整的设计思路和设计方法[1]。

对于电类专业的课程设计来讲，首先是要融汇先修课程的大部分内容。比如电路、模拟电子线路、电子线路、数字电子线路、微机原理、计算机语言、高频电子线路等。这类课程的配套实验设备，经过几十年来的不断“进化”，从最初的分立元件的焊接、洞洞板、面包板的插接线到今天的制作PCB 版焊接调试。硬件实验环节已经基本上和产品研发同步。而在设计计算环节，一些商用的仿真计算软件，几乎可以全程模拟整个电路的工作状态和工作过程。因此，学生完全可以利用所掌握的基本理论知识，完成一个电路板产品的整个全流程。

遗憾的是，由于各个高校的软硬件条件不同，这类课程的开设各个高校有着不同的教学目标。很多高校都止步于原理图设计，考核的办法是仿真软件调试通过即可。其实，一个电路系统涉及到这一步，才是走完了第一步。仿真通过的电路系统，搭接到板子上还会遇到各种各样的问题，而这些问题的解决，才对学生有更大的锻炼价值。造成这种局面的原因很多，制作PCB 的时间周期、成本等也许是一个重要原因。

在科学技术飞速发展到今天，科学研究和科学实验手段早已和几十年前不可同日而语。一方面，我们可以用“模拟实验室”来进行教学实验也已经普及。尤其是在疫情期间，网上授课和网上实验经过大量高校老师的实践，也都取得了非常不错的教学效果。如用Multisim 和Tina-Ti 等仿真软件来进行实验教学，完全可以达到用实验箱实验所达到的效果，甚至有些方面还要更好一些。

但是，这种在非常时期的非常规教学方法，也有它的局限性。完全忽略了对学生动手能力的培养。其实焊接和电路调试环节是衡量一个电类学生动手能力的试金石。该环节对于发现问题并解决问题的能力的培养非常重要[2]。

因此我们认为电路系统仿真和制作PCB相结合，完成整个电路系统的焊接和调试的全流程过程是更为有效的教学方法。

一般来讲，一个电路系统的设计需要经过以下几个流程：

1.原理论证和计算，设计合理电路。

2.用仿真软件进行电路仿真。

3.绘制标准原理图和PCB 图。

4.对PCB 版进行焊接。

5.局部调试和系统调试。

6.写总结报告，总结。

这个完整的全流程实践工作，对学生的锻炼作用是非常明显的。增强了学生对该专业的了解，提高了学生对本专业的兴趣。

下面就整个流程做一个简要说明。

二 设计、计算和仿真

严格地讲，我们设计电路系统时所做的设计运算都属于仿真的范畴，只不过一般意义上的计算，都是假设所有的元器件，都工作在理想状态，所得的计算结果有非常重要的指导意义，但是和真实的电路相比，有比较大的误差。

最近几年大量使用的Multisim，Tina-Ti 等仿真软件，则是在计算过程中加入了各个元器件的功能参数。比如某种特定二极管的模型，加入了温度系数、导通电压、反相击穿电压等具体参数，这样仿真结果就和实际电路非常接近。这种仿真方法不仅是教学环节的基本手段，而且已经成为硬件工程师必备的技能，并被在硬件系统设计中大量应用。

从实验教学的角度来讲，用这类软件系统进行硬件仿真实验，一定程度上能够达到让学生加深理解电路原理的目的[3]。

常见的这类软件系统有Multisim、Tina-Ti、Spice 等。这类文章已经汗牛充栋，在此不再赘述。

但是在同一个平台下仿真的电路，其结果肯定是一样的。只要学生按时间做完，结论肯定是一样的。那么如何才能保证学生成绩服从正态分布，确实是一个棘手的问题[4]。如果引入后序流程PCB 版的绘制和电路板的焊接与调试，学生的综合能力差异就体现出来了。

三 电路板EDA 设计

一个电路系统从原理设计到PCB 版的制作、焊接、调试也是一个工科电类专业学生必须掌握的基本技能。之前大部分实验课都是根据设计的电路原理图，利用面包板搭接电路或者用洞洞板焊接进行试验，也能够一定程度地起到锻炼学生动手能力的目的。这个方法的优点是相对比较经济，缺点是在整个实验过程中，学生花费了大量的时间进行焊接线路的检查和调试，学生往往在规定的教学时间内不能完成实验，尤其是对于稍微复杂的电路，往往得不到实验结果，效率低下[5]。

近年来随着中国工业化程度的加快和生产效率的提高，已经有了更有效的方法来进行电路板的设计制作。已经有很多专业软件来进行电路板设计，比如Protel、Altium Designer、Orcad、Candence 等。

但是对于没有这方面基础知识的学生来讲，光是学习这些软件，就需要花费一门课的时间。

如果教师事先把电路板制作好，再让学生去焊接、调试，对学生来讲，实验效果肯定比用试验箱要好一些，但对于整个电路流程，还是有所缺陷，教学效果肯定要比把整个流程全走一遍来得差一些[6-8]。

中美贸易战以来，由于制裁的缘故，一些国际公司的EDA 软件拒绝给中国授权，这也给了中国的EDA 软件公司一个难得的好机会。

国产的“立创EDA”就是其中的佼佼者。

立创EDA 号称20 分钟就可以上手，这就为学生学习提供了很好的锻炼平台。在相对较为紧凑的课时内，可以完成从仿真到实验板的制作调试。

这个平台的设计，充分考虑到学校教学这个环节。在平台内教师可以设立课程的独立工程，和所有的班级学生成立一个组。这样学生和老师可以很方便地互动交流，修改电路，批改作业。目前，全国已有上百所大学在此平台开课。

立创EDA 在绘制原理图时，还可以进入仿真模式，一些简单的电路就可以进行仿真，这样就大大地方便了使用者，无需在Multisim 中进行仿真，大大地减少了出错率。不过立创EDA 的仿真功能现在还不够强大，稍微复杂一些的电路还做不了。但是假以时日，软件肯定会变得越来越强大。

最具诱惑的是，这家公司已充分考虑到大学教学这个领域，用立创EDA 制作的小尺寸打样版，打版公司给免费制作，这大大地降低了授课老师的经费压力。所需的电子元器件也可以直接在立创商城购买。这样学生就可以通过自己设计的电路板进行焊接、调试、检测。完成了从原理图到实验板的全流程工作，对于电类专业的学生而言，锻炼价值是非常大的。

四 实例

我们通过一个经常用到的实例来说明这个过程。

正弦波、三角波、方波信号发生器是实验中经常要做的一个实验。多年以来，本实验项目的教学活动，主要是搭建面包板电路，用万能板（俗称洞洞板）来焊接调试，一般学生把实验做完往往需要2个小时以上。大部分时间都花在焊接和查错等环节。

近年来，软件仿真也成为一个可能的选项，一些虚拟实验室也可以进行这个实验。但客观地讲，用虚拟实验室来进行实验，虽然一定程度上能达到部分实验目的，但对于学生的动手能力的锻炼，近乎于无。对于学生认识元器件、焊接电路以及其他有利于学生更深刻地了解和理解相关专业，几乎也无所帮助。如果进行“全流程”的教学实践，以上所述的几点不足都可以克服。PCB 板的焊接和调试成功，对激发学生对相关专业的理解和热爱，有着不可估量的作用。

以下我们通过实例来对“全流程”方法加以说明。

第一步：先用Multisim 仿真。

Multisim 软件的方便性和易用性毋庸置疑，学生可以很快地上手，并搭建电路。通过虚拟仿真，学生应该理解了电路的工作原理。图1 是本校学生在课堂上所搭建的Multisim 仿真电路。图2、图3、图4 为仿真的正弦波、方波、三角波的信号波形。

图1 Multisim 仿真电路

图2 正弦波信号输出

图3 方波信号输出

图4 三角波信号输出

第二步：把Multisim 仿真正确的电路图用立创EDA 画出原理图。

这里的画制原理图的核心思想和在虚拟仿真软件中的完全不同。它要求更多的是要使得学生知道一个理想的电子元器件和它的实物封装是一一对应的，这是工程方面的基本知识。同时，使学生明白一个电路设计图是如何变成一个实际的电路板的。仿真电路与要制作PCB 板的电路的最大不同是对连接器的使用，这一点在仿真时是不需要知道的。图5是用立创EDA 绘制的原理图电路。

图5 原理图电路

第三步：在立创EDA 中绘制PCB 图。只要所有的电路在原理图绘制时仔细检查核对，那么在PCB 板的绘制过程中，立创EDA 和其他的EDA 工具一样，都有ERC 自动检测功能，这保证了绘制好的PCB 板电气连接完全正确，从而保证电路板的电气连接正确性。从实验板的角度来讲，电路调试应该不会有电气连接的质量问题，从而最大限度地满足实验需要。

立创EDA 还有一个功能，可以对绘制好的电路板进行三维模拟显示，可以很直观地看到成品PCB板的大概样子。图6 和图7 是该信号发生器的PCB板和其三维显示效果图。

图6 PCB 板

图7 PCB 板三维效果

五 结语

根据疫情以来两届学生的教学实践，我们以为，这种全流程的实践类课课程，大大地开阔了学生的视野，使学生的动手能力得到了锻炼。将原来的只知道操作几个仪器、测量几个数据的枯燥的实验课变成了有趣的设计制作课，当学生焊接完板子并调试出波形后的那种喜悦与兴奋之情难以言表。部分同学因此喜欢上了电子电路实验，并由此参加大学生科技竞赛并获奖。

因此，全流程的课程实验一定会取得比以前更好的教学效果。