電子信息工程專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)教學(xué)改革與探索

張永芳，沈利芳，鄧開連，劉 浩

電子信息工程專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)教學(xué)改革與探索

張永芳，沈利芳，鄧開連，劉 浩

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)是電子信息工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的電工電子基本素養(yǎng)。以“差動(dòng)放大電路”印制電路板的制作為例，探討為何及怎樣將Protel99SE引入認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)課堂。該印制電路板的教學(xué)過程能夠培養(yǎng)學(xué)生的自信心和成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。教學(xué)改革增強(qiáng)了學(xué)生的務(wù)實(shí)精神和工程實(shí)踐能力，也為學(xué)生的專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)；教學(xué)改革；差動(dòng)放大電路；印制電路板

當(dāng)今社會(huì)，電信技術(shù)已成為發(fā)展最為迅速的高新科技領(lǐng)域之一，社會(huì)對(duì)電子信息工程專業(yè)的學(xué)生也提出了更高的要求。電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)是電子信息工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［1］，其目的是通過認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，使學(xué)生對(duì)本專業(yè)產(chǎn)生感性直觀的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而了解本專業(yè)的學(xué)習(xí)方向，增強(qiáng)對(duì)本專業(yè)的理解，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)做必要的準(zhǔn)備［2］。

1 電子信息工程專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)教學(xué)概況

東華大學(xué)電子信息工程專業(yè)實(shí)習(xí)內(nèi)容主要包括電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、金工實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)，三類實(shí)習(xí)循序漸進(jìn)，逐步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與綜合實(shí)踐能力。電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)作為實(shí)習(xí)的第一環(huán)節(jié)，肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)熱情與專業(yè)素養(yǎng)的使命，其重要性不言而喻［3］。由于各種因素的影響，當(dāng)前的電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)內(nèi)容與方式已經(jīng)不能滿足社會(huì)對(duì)于具有較高工程素質(zhì)人才的需求，亟待通過教學(xué)改革逐步解決這一難題［4］。

學(xué)校電子信息工程專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)現(xiàn)有內(nèi)容包括安全用電、焊接、EWB仿真和元器件的認(rèn)識(shí)四個(gè)部分，其內(nèi)容過于陳舊，已滿足不了社會(huì)對(duì)于學(xué)生工程素質(zhì)的要求。而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)可以綜合電子信息領(lǐng)域產(chǎn)生的各項(xiàng)新技術(shù)，因而將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的模擬仿真或設(shè)計(jì)，已成為電子信息工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的首選內(nèi)容之一。這種實(shí)習(xí)方式既可以作為今后就業(yè)的先期實(shí)踐，也可以成為產(chǎn)學(xué)結(jié)合的一種新趨勢(shì)［5－6］。因此，本文以差動(dòng)放大印制電路單面板的制作為例，探討如何將Protel99SE軟件引入認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)。

2 基于Protel99SE的差動(dòng)放大印制電路教學(xué)

印制電路板（printed circuit board，PCB）是電子元器件的支撐體。最早的印制電路板引進(jìn)軟件是Smartwork，而Protel99SE是Altinum公司電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的流行版本，是一套集理論知識(shí)與實(shí)際技能于一體、實(shí)踐性很強(qiáng)的軟件，由于其基本操作簡(jiǎn)單易學(xué)，因而成為電子產(chǎn)品制作行業(yè)的核心工具［7－8］。Protel99SE主要包含原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)*. sch和PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)*.pcb兩部分，兩大系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)表作為連接，其操作流程主要有以下三步：（1）創(chuàng)建原理圖文件并繪制原理圖；（2）生成網(wǎng)絡(luò)表；（3）創(chuàng)建PCB文件，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，并對(duì)PCB文件布局與布線。由于認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)時(shí)間的限制，對(duì)于兩大系統(tǒng)器件庫的制作不做要求，只要求學(xué)生會(huì)使用已有器件庫內(nèi)容即可。下面以差動(dòng)放大電路PCB的實(shí)踐教學(xué)為例，詳細(xì)介紹該軟件的操作流程。

2.1 原理圖的繪制

打開軟件后，按照File→New→Schematic Document這一路徑建立原理圖文件。首先，在此文件的左上角Browse sch窗口下點(diǎn)擊AddRemove按鈕，即可添加繪制原理圖常用的庫文件［9］，主要有Miscellaneous Devices.lib和Protel Dos Schematic.libraries兩個(gè)庫文件；然后，在此庫文件里尋找需要的元器件，如電阻、電位器、三極管和短路接口等；最后，將這些元器件用帶有電氣特性的導(dǎo)線連接好即可［10］。繪制好的差動(dòng)運(yùn)放電路原理圖如圖1所示。

圖1 差動(dòng)運(yùn)放電路原理圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)表的生成

用Protel99SE打開原理圖文件，按照Design→Create Netlist路徑，即可自動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)表，網(wǎng)絡(luò)表里包涵元件符號(hào)、元件參數(shù)、同一結(jié)點(diǎn)的引腳標(biāo)號(hào)以及器件的封裝等信息。

2.3 PCB文件的設(shè)計(jì)

按照File→New→PCB Document路徑，建立PCB文件。建立PCB文件后，主要按照如下步驟進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)［11－12］。

1）按照Design→Rules路徑開始設(shè)計(jì)PCB的規(guī)則，如導(dǎo)線的寬度、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的距離等的設(shè)計(jì)。由于線寬、線間距及走線等規(guī)則的設(shè)計(jì)不僅與電流大小有關(guān)，而且也涉及高頻電路的分布電容等諸多因素。在本電路的設(shè)計(jì)過程中，由于電路比較簡(jiǎn)單，不涉及到高頻電路部分的內(nèi)容，因而我們僅要求學(xué)生設(shè)計(jì)的導(dǎo)線寬度根據(jù)信號(hào)的作用有所區(qū)分即可，如電源線和地線為2mm，其他信號(hào)線均為1mm。

2）設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)?？梢赃x取已有的坐標(biāo)原點(diǎn)作為所繪圖紙的坐標(biāo)原點(diǎn)，也可以根據(jù)自己的需要重新設(shè)定一個(gè)原點(diǎn)，即在PCB文件的兩條線交叉處執(zhí)行Edit→Origin→Set操作或者按下按鈕，即可設(shè)定該位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。重新設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)主要是為之后畫印制電路板的尺寸做準(zhǔn)備。

3）畫印制電路板的邊框。在PCB文件里，以坐標(biāo)原點(diǎn)為起始點(diǎn)，在Mechanical層畫PCB的外邊框，一般用Mechanical4（即機(jī)械4層），外邊框的尺寸為15.0 cm×8.5 cm（此尺寸比較大，主要是方便學(xué)生在做好的印制電路板上測(cè)量）。在距離外邊框2 mm處畫內(nèi)邊框，此線必須畫在禁止布線層，即KeepOutlayer層。線條的粗細(xì)通過雙擊該線段修改。

4）導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表。在前一步驟的界面下，按照Design→Load Netlist路徑，即可將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入PCB文件，導(dǎo)入后的所有元器件堆積在一起，元件與元件之間通過飛線相連。執(zhí)行Tools→Auto placement→Auto Place…操作，將堆積在一起的所有元器件自動(dòng)分開，這就為之后的布局及布線提供了方便。

5）布局。將所有的元器件拉開，以核心元件為中心，將其他元件均勻、整齊、緊湊地排列在核心元件周圍，且元件之間的引線盡可能的短。位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣的距離不小于2 mm。在布局時(shí)同樣要考慮信號(hào)的走向問題，如模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)要分開，高頻與低頻要分開，發(fā)熱元件要放置在印制電路板的邊緣以利于散熱等等，由于本課程所用的差動(dòng)放大電路較簡(jiǎn)單，只有模擬信號(hào)，且頻率比較低，沒有發(fā)熱比較大的元件，因而對(duì)于初學(xué)者來說布局就相對(duì)容易些。

6）布線與覆銅。一般采取先自動(dòng)布線，然后，在自動(dòng)布線的基礎(chǔ)上執(zhí)行Place→Interactive Routing操作，也就是交互式布線。這樣既可以解決密集元件布線難的問題，又可以修補(bǔ)自動(dòng)布線不簡(jiǎn)潔美觀的問題。

7）補(bǔ)淚滴。補(bǔ)淚滴操作主要是針對(duì)單面板而言，由于單面覆銅，一旦元件發(fā)熱，焊盤很容易脫落，采取補(bǔ)淚滴這一操作就大大減小了焊盤脫落的現(xiàn)象。學(xué)生設(shè)計(jì)得較好的差動(dòng)放大電路PCB板，如圖2所示。

8）將做好的PCB文件發(fā)到廠家即可做成PCB板。雖然不能保證每名學(xué)生都有機(jī)會(huì)看到自己的產(chǎn)品，但是通過整個(gè)印制電路板的設(shè)計(jì)，學(xué)生已經(jīng)基本掌握Protel99SE這個(gè)軟件，老師在最后評(píng)分的時(shí)候可以按照布局的合理性以及布線等設(shè)計(jì)規(guī)則的要求把學(xué)生的成績(jī)區(qū)別開來。

圖2 學(xué)生設(shè)計(jì)好的差動(dòng)放大電路PCB板

3 教學(xué)效果分析與展望

對(duì)于Protel99SE的教學(xué)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)跟不上新形勢(shì)下的教學(xué)需要，應(yīng)該把課堂搬到機(jī)房或者實(shí)驗(yàn)室去，讓學(xué)生更多地體驗(yàn)工程的概念，減少其專業(yè)迷茫性。在講解軟件時(shí)，更應(yīng)注重教師與學(xué)生的互動(dòng)，避免空洞的講解，讓學(xué)生充分參與教學(xué)。在Protel99SE的學(xué)習(xí)過程中，不僅給學(xué)生建立了電路設(shè)計(jì)的理念，告訴學(xué)生怎樣去設(shè)計(jì)，以及為什么要這樣設(shè)計(jì)，而且采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，啟迪學(xué)生的創(chuàng)造性思維。通過一個(gè)小型印制電路板的設(shè)計(jì)，把一門抽象的課程可視化，真正做到了實(shí)踐教學(xué)輔助理論教學(xué)的目的。同時(shí)，是對(duì)傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)紙質(zhì)試卷的考核方式的挑戰(zhàn)，紙質(zhì)試卷的考核方式顯然不能完全反映學(xué)生掌握軟件的實(shí)際水平。從整個(gè)實(shí)習(xí)情況來看，雖然學(xué)生開始接觸這個(gè)軟件時(shí)有些擔(dān)心，但是慢慢進(jìn)入狀態(tài)之后便很快上手了。因而，開始學(xué)習(xí)軟件時(shí)可以用對(duì)印制電路板的設(shè)計(jì)要求比較苛刻的單面板作為設(shè)計(jì)的對(duì)象，待熟悉軟件之后再設(shè)計(jì)雙面板和多層板，其設(shè)計(jì)便會(huì)得心應(yīng)手。隨著電子信息技術(shù)的日新月異，電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，積極探索適合電子信息工程專業(yè)的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)模式。

4 結(jié)束語

學(xué)校電子信息工程專業(yè)的學(xué)生會(huì)在認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)之后有一次關(guān)于差動(dòng)運(yùn)放電路的模擬電路實(shí)驗(yàn)，而此次實(shí)驗(yàn)所用到的差動(dòng)運(yùn)放電路板正是自己在認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)時(shí)所設(shè)計(jì)的PCB電路板，從而進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固。因此，通過在電工電子認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)中引入Protel99SE軟件，不僅給學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)帶來額外的收獲，使學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)習(xí)過程的成就感，進(jìn)而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也使得學(xué)生變得更加務(wù)實(shí)與嚴(yán)謹(jǐn)。

［1］王香婷，劉濤，張曉春，等.電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（4）：112－115.

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［6］黃菊文，喬俊蓮，賀文智，等.改革認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)教學(xué)模式加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13（5）：4－6.

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Reform and Exploration on the Cognition Practice Teaching in Electronic Information Engineering

ZHANG Yongfang，SHEN Lifang，DENG Kailian，LIU Hao
（School of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai201620，China）

Electrical and electronic cognition practice is an important link of the practice teaching in electronic information engineering specialty.Themain goal of the practice is to cultivate students'basic quality of electrical and electronic.By taking the“differential amplifier circuit”printed circuit board as a typical example，this paper discusses why and how to introduce Protel99SE into the cognition practice course.The teaching process of the printed circuit board can set up students'self－confidence and sense of honor，and stimulate their enthusiasm for further learning.Therefore，the teaching reform can enhance the students'practice spiritand engineering ability，and lay a good foundation for learning of the professional courses.

electrical and electronic cognition practice；teaching reform；differential amplifier circuit；printed circuit board

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.030

2013－10－15；修改日期：2013－11－04

東華大學(xué)教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目（104－03－0007053）。

張永芳（1985－），女，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：數(shù)模電路課程設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及電子工藝實(shí)習(xí)等。