解兆延 潘為剛 李小偉 劉廣敏 王雪娟

摘要：電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系中包含課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程等大量的實(shí)踐性?xún)?nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力起著關(guān)鍵性作用。本文將嘉立創(chuàng)EDA軟件引入實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以“電路原理”和“電子工藝實(shí)習(xí)”兩門(mén)課程為例，展現(xiàn)了EDA軟件在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用流程。通過(guò)EDA軟件讓學(xué)生理解了電路仿真、原理圖繪制、PCB設(shè)計(jì)廈工藝和焊接調(diào)試等內(nèi)容。該軟件的應(yīng)用切實(shí)增進(jìn)了學(xué)生對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造過(guò)程的理解，在實(shí)際教學(xué)中得到了較好的實(shí)踐反饋。

關(guān)鍵詞：嘉立創(chuàng)EDA；EDA技術(shù)；實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)

EDA工具是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ElectroIuc Deswl Automation）的簡(jiǎn)稱(chēng)，EDA技術(shù)是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，將計(jì)算機(jī)作為重要的工作平臺(tái)，發(fā)揮硬件描述語(yǔ)言的作用，針對(duì)系統(tǒng)邏輯進(jìn)行全面細(xì)致的描述和說(shuō)明，并通過(guò)一系列的程序，更好地完成編程下載等工作。EDA技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷更新和優(yōu)化的重要產(chǎn)物，其中，主要是電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真與系統(tǒng)分析這三個(gè)部分的內(nèi)容能夠充分有效推進(jìn)電子信息專(zhuān)業(yè)教學(xué)活動(dòng)的順利開(kāi)展，全面提升整體的教學(xué)水平。

新工科背景下，國(guó)家對(duì)I科電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)提出了更高的要求，尤其是更加重視實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)。電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)涉及較多方面的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)需要采用較多的教具，將EDA技術(shù)積極應(yīng)用在該項(xiàng)課程教學(xué)活動(dòng)中，能夠起到良好的效果。首先，EDA技術(shù)的應(yīng)用多是采用了計(jì)算機(jī)這種教具，推進(jìn)電路的設(shè)計(jì)和演示活動(dòng)順利開(kāi)展，不需要購(gòu)買(mǎi)更多的演示教具，促進(jìn)教學(xué)成本得到良好的節(jié)約，節(jié)省了較多教學(xué)資源；其次，EDA技術(shù)充分發(fā)揮了現(xiàn)代教學(xué)優(yōu)勢(shì)，能夠以更為直觀和形象的教學(xué)手段展現(xiàn)出豐富的教學(xué)內(nèi)容，這在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面發(fā)揮著積極作用。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)引入EDA技術(shù)，一方面學(xué)生可以在直觀性的學(xué)習(xí)過(guò)程中，更為全面細(xì)致地觀察到專(zhuān)業(yè)知識(shí)和內(nèi)容；另一方面教師通過(guò)EDA技術(shù)，可以更為科學(xué)合理地設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)活動(dòng)的趣味性，吸引學(xué)生的主動(dòng)性。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師將EDA技術(shù)應(yīng)用到專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中，對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和提升教學(xué)質(zhì)量有很好的效果。

1 嘉立創(chuàng)EDA簡(jiǎn)介

嘉立創(chuàng)EDA是一款基于瀏覽器的EDA設(shè)計(jì)工具，用戶(hù)使用時(shí)無(wú)需安裝，直接通過(guò)瀏覽器就可以使用，同時(shí)也提供了桌面客戶(hù)端供用戶(hù)安裝使用，支持Windows、Linux和Mac三大主流操作系統(tǒng)。同時(shí)，該EDA軟件擁有超過(guò)100多萬(wàn)在線免費(fèi)元件庫(kù)，并實(shí)時(shí)更新，可在設(shè)計(jì)過(guò)程中檢查元器件庫(kù)存、價(jià)格和立即下單購(gòu)買(mǎi)，縮短設(shè)計(jì)周期。

嘉立創(chuàng)EDA軟件目前有兩個(gè)版本，分別為EDA專(zhuān)業(yè)版和EDA標(biāo)準(zhǔn)版。標(biāo)準(zhǔn)版面向?qū)W生、教育功能和使用上更簡(jiǎn)單；專(zhuān)業(yè)版面向企業(yè)、團(tuán)隊(duì)，功能更加強(qiáng)大，約束性也更高。下面將從實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面，詳細(xì)介紹EDA軟件的標(biāo)準(zhǔn)版在電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用探究

該EDA軟件標(biāo)準(zhǔn)版在仿真模式下，具有電路仿真功能，方便用戶(hù)對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的驗(yàn)證和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，以“電路原理”課程“基爾霍夫定律驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”為例，首先制訂了一套“理論分析－電路仿真－實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”式的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方案，將嘉立創(chuàng)EDA標(biāo)準(zhǔn)版軟件的仿真功能有機(jī)地融合到課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具體實(shí)施過(guò)程如圖1所示。

本實(shí)驗(yàn)以?xún)晒?jié)課170分鐘時(shí)長(zhǎng)為例，包括課堂部分85分鐘和課下部分85分鐘，涵蓋基爾霍夫定律驗(yàn)證的理論分析、電路仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三部分內(nèi)容，按照課前預(yù)習(xí)、課中驗(yàn)證、課后總結(jié)的實(shí)施路徑開(kāi)展教學(xué)。

2.1課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

課前，教師通過(guò)雨課堂發(fā)布相關(guān)實(shí)驗(yàn)電路的預(yù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)對(duì)電路進(jìn)行理論分析。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前利用所學(xué)電路知識(shí)和分析方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行理論計(jì)算。

2.2課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

2.2.1知識(shí)回顧

回顧基爾霍夫定律的主要內(nèi)容。通過(guò)雨課堂隨機(jī)點(diǎn)名，讓學(xué)生對(duì)課前預(yù)習(xí)任務(wù)的電路分析結(jié)果進(jìn)行基爾霍夫定律驗(yàn)證，小組討論、分析電路的分析結(jié)果是否正確，

2.2.2電路仿真

教師布置基爾霍夫電壓定律驗(yàn)證電路仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生利用EDA軟件搭建仿真電路，完成仿真實(shí)驗(yàn)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論計(jì)算數(shù)據(jù)和電路仿真數(shù)據(jù)的對(duì)照分析，進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算是否正確。同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合EDA仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，補(bǔ)充我國(guó)EDA軟件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，適時(shí)引入思政元素，激勵(lì)青年學(xué)生科技報(bào)國(guó)，肩負(fù)起發(fā)展和振興技術(shù)產(chǎn)業(yè)重任。

2.2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

教師布置基爾霍夫電壓定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生使用電路原理實(shí)驗(yàn)箱的基爾霍夫定律功能模塊，完成基爾霍夫定律的驗(yàn)證，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)幫助實(shí)驗(yàn)存在問(wèn)題的學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想的原因，培養(yǎng)了學(xué)生的自主探究能力、動(dòng)手能力、思考分析問(wèn)題能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)合作能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、客觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

2.2.4分組討論

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)理論計(jì)算、電路仿真和電路實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，思考數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的原因。通過(guò)該部分實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生對(duì)比理論計(jì)算、電路仿真和實(shí)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)誤差原因進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)過(guò)程中要理論聯(lián)系實(shí)際，養(yǎng)成知行合一的習(xí)慣。

2.2.5總結(jié)歸納

教師進(jìn)行答疑，幫助學(xué)生分析、總結(jié)、歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.3小結(jié)

近三年，在線下的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，教師通過(guò)引入國(guó)產(chǎn)EDA仿真軟件，替代原有國(guó)外的電路仿真軟件作為線下實(shí)驗(yàn)電路仿真環(huán)節(jié)的軟件工具，潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生接受并習(xí)慣和喜歡去使用國(guó)產(chǎn)軟件。

此外，在線上線下結(jié)合的授課過(guò)程中，也可以將EDA軟件的云端共享工段引入日常的教學(xué)中，利用軟件的在線仿真和網(wǎng)絡(luò)共享功能，通過(guò)線上的形式較好完成了授課過(guò)程中在線仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，取得了良好的效果。

3 實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用探究

本環(huán)節(jié)以“電子工藝實(shí)習(xí)”課程為例，詳細(xì)介紹了應(yīng)用該EDA軟件的教育版開(kāi)展教學(xué)實(shí)施的情況。與以往的電子工藝實(shí)習(xí)實(shí)施過(guò)程不同，本次實(shí)習(xí)采用電子設(shè)計(jì)制作全流程融入教學(xué)的方式開(kāi)展具體的實(shí)施過(guò)程，如圖4所示。同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)該EDA軟件的教育版的引入，充分發(fā)揮該軟件教育版針對(duì)教學(xué)的一些功能，簡(jiǎn)化整個(gè)實(shí)習(xí)過(guò)程中的任務(wù)下達(dá)、團(tuán)隊(duì)管理與成果驗(yàn)收等流程。

3.1原理圖設(shè)計(jì)

以“音樂(lè)律動(dòng)LED”項(xiàng)目為例，整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)難度逐漸增加，學(xué)生完成從模仿到創(chuàng)新的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。首先，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的參考圖紙，將原理圖所需元器件通過(guò)原理圖庫(kù)查找，調(diào)取相應(yīng)元器件符號(hào)后放置于圖紙中；其次，學(xué)生通過(guò)編輯元器件符號(hào)名稱(chēng)、編號(hào)和元件的PCB封裝，放置完成后，再將元件通過(guò)導(dǎo)線和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽完成連接；最后，對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行ERC校驗(yàn)，完成作品原理圖的繪制。設(shè)計(jì)完成后的原理圖如圖5所示。

3.2PCB設(shè)計(jì)

項(xiàng)目原理圖繪制完成之后，選擇“菜單欄－設(shè)計(jì)－PCB”將原理圖中的元器件按照選定的封裝導(dǎo)入PCB圖紙，然后設(shè)定好項(xiàng)目PCB的尺寸，再設(shè)置PCB走線寬度、元器件安全間距和過(guò)孔內(nèi)外徑尺寸等設(shè)計(jì)規(guī)則。設(shè)置完成后，按照元件的電氣連接關(guān)系，進(jìn)行PCB的繪制。設(shè)計(jì)完成的PCB如圖6所示。

3.3PCB制作

通過(guò)嘉立創(chuàng)下單助手，制作PCB樣板。PCB樣板具體參數(shù)如右表所示，下單參數(shù)選擇如圖7所示。

3.4焊接調(diào)試

在PCB制作完成后，學(xué)生在教師指導(dǎo)下根據(jù)電路原理圖、PCB圖裝配圖導(dǎo)出材料清單表，采購(gòu)對(duì)應(yīng)的元器件，然后在學(xué)校實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地將元件有序地安裝、焊接到PCB板上，教師在學(xué)生調(diào)試焊接調(diào)試過(guò)程中給予充分指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，解決在調(diào)試過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題。

最終，所有學(xué)生都會(huì)完成原理圖和PCB的設(shè)計(jì)工作，并將PCB制作出來(lái)。在后續(xù)的焊接調(diào)試過(guò)程中，90%以上的學(xué)生能夠完成作品成品調(diào)試工作。同時(shí)，在項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中，學(xué)生也會(huì)針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題重新修正設(shè)計(jì)，最終完成項(xiàng)目整個(gè)過(guò)程。

3.5應(yīng)用小結(jié)

本節(jié)將EDA軟件教育版本引入電氣控制類(lèi)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在提升實(shí)訓(xùn)效率和質(zhì)量，通過(guò)電路設(shè)計(jì)和實(shí)物制作讓學(xué)生們能從實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中體會(huì)理論與實(shí)際的結(jié)合，提升學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力及工程能力。整個(gè)EDA軟件將元器件選型、PCB生產(chǎn)制造、SMT焊接有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使得項(xiàng)目的需求、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、生產(chǎn)制造和焊接設(shè)計(jì)流程有效銜接，讓學(xué)生從單一的電路板設(shè)計(jì)逐漸向完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造流程體系進(jìn)階，從而提高學(xué)生工程能力和實(shí)踐水平。

4 思政元素

在課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)介紹了EDA行業(yè)背景知識(shí)，通過(guò)對(duì)比幾款主流的EDA電路仿真軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生清醒認(rèn)識(shí)到我國(guó)與其他國(guó)家在EDA電路仿真和設(shè)計(jì)軟件方面的技術(shù)差距和國(guó)產(chǎn)化的替代難度，激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)新的決心；通過(guò)講述國(guó)內(nèi)EDA設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的拼搏奮斗史，教育學(xué)生要“敢闖敢干”，把小我融入大我，將個(gè)人發(fā)展與國(guó)家命運(yùn)相結(jié)合，在傳授知識(shí)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生家國(guó)情懷，牢記科技報(bào)國(guó)和交通強(qiáng)國(guó)的使命擔(dān)當(dāng)。

結(jié)語(yǔ)

新工科背景下，通過(guò)引入國(guó)產(chǎn)EDA軟件——嘉立創(chuàng)EDA，采用新方法、新理念融人課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，將EDA工具和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，不斷嘗試提升整體學(xué)生實(shí)踐水平和動(dòng)手能力，更好地發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高創(chuàng)新能力、形成科學(xué)合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路和理念具有一定實(shí)際意義。

作者簡(jiǎn)介：解兆延（1981-），男，碩士，副教授，研究方向：電路原理、EDA電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)技術(shù)廈其應(yīng)用。