工程教育專業(yè)認證指導下的電子線路CAD教學實踐

張曉青

摘要：為了達成我?！皽y控技術與儀器”專業(yè)的畢業(yè)要求通用標準第4項（具備設計和實施工程實驗的能力，并能夠對實驗結果進行分析），課程“電子線路CAD”旨在培養(yǎng)學生掌握先進軟件進行電子線路分析與設計的能力，在課程中融合Multisim和Altium Designer兩個軟件，除課堂演示教學外，配合課程實驗和上機考試環(huán)節(jié)，通過大量實際操作使學生進行電路仿真分析并設計印刷電路板，鍛煉學生的電子線路分析和設計能力，為后續(xù)專業(yè)課程、大學生科技創(chuàng)新活動、學科競賽等環(huán)節(jié)打下堅實的基礎。

關鍵詞：電子線路;計算機輔助設計;仿真軟件;印制電路板

中圖分類號：TP319 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）23-0142-02

目前在我國開展的工程教育專業(yè)認證是國際認證，是高等學校工程教育改革的國際化趨勢，也是高校進一步發(fā)展的契機。我校測控技術與儀器專業(yè)已于2014年通過普通高等學校工程教育認證，為專業(yè)和學科的建設和發(fā)展贏得了新的機遇。工程教育認證通用標準中對畢業(yè)要求有明確定義，本專業(yè)認證過程中對畢業(yè)要求也進行了相應的細化，“電子線路CAD（Computer Aided Design）”課程對于通用標準第4項（具備設計和實施工程實驗的能力，并能夠對實驗結果進行分析）具有有效的達成度和支撐作用。該課程是電子電氣類、自動控制類、機電類、信息類、計算機類等專業(yè)都需要掌握的重要課程，教學內(nèi)容涉及在硬件設計領域中實用的電子線路設計和仿真軟件的應用[1]，實踐性、應用性很強。測控技術與儀器是以光、機、電、計算機為學科基礎的寬口徑專業(yè)，具有多學科交叉特點，借助計算機完成電子電路的仿真設計和制板，是本專業(yè)學生的基本功。通過本課程的學習，可使學生正確掌握電子線路的計算機輔助設計基礎知識、基本理論和基本設計方法，包括電子線路原理圖繪制、電路性能仿真、印刷電路板繪制的基本知識，掌握繪制電路原理圖和印刷電路板設計的操作技能，培養(yǎng)電子線路的實際問題時具備分析和解決問題的技能，并具有獨立設計電子線路圖和制板的工作能力。

一、教學軟件的確定

在電子線路CAD技術涉及到的軟件中，我們選用使用廣泛、認可度高的Multisim和Altium Designer作為教學工具。二者各有特點[2，3]，Multisim主要用于模擬/數(shù)字電路的精確仿真，Protel主要用于電路板PCB設計。Mulitisim是一款專業(yè)的計算機仿真軟件，數(shù)據(jù)模型豐富，運算能力強大，仿真結果穩(wěn)定，包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，主要用來進行交互式的電路教學、電路圖設計以及仿真分析。其元件庫包含實際元器件和虛擬元器件兩種模型，實際元器件的型號、參數(shù)值以及封裝都對應于市場上已有的元器件，可使設計仿真與實際情況有良好的對應性，而虛擬元器件專門用于電路的設計與更為精確的仿真分析[4]。本課程選用了在國內(nèi)高校普遍使用的、性能穩(wěn)定的Multisim10作為教學工具。Altium Designer是一款杰出的設計制作電路板的工具軟件，是業(yè)界第一款也是唯一完整的板級設計解決方案，將設計流程、集成化PCB設計、可編程器件（如FPGA）設計和基于處理器設計的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起，具有將設計方案從概念轉變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能[5]。Altium Designer主要用來輸入原理圖及設計PCB板，相比其他電路板設計軟件，它更適用于生產(chǎn)，在國內(nèi)流行最早、應用面最寬，相關資料也很豐富。但其仿真元器件模型庫較為簡單，設置參數(shù)較為困難，因此其仿真功能被較少使用。本課程選用了成熟穩(wěn)定的Altium Designer10作為教學工具。

二、課程實驗設計

1.制定課程實驗的目標。本課程“電子線路CAD”講解的是在硬件設計領域中實用的電子線路設計和仿真軟件，授課總學時為24，其中講課為12學時，實驗為12學時。講課12學時主要是進行軟件操作的課堂演示以及講解重要的知識點，實驗12學時主要是訓練學生操作和使用兩個軟件的能力。因此實驗內(nèi)容包括了軟件操作的基本技能以及核心運用能力，強調實用性，加深學生對電子線路CAD軟件應用的理解，正確掌握電子線路原理圖設計與繪制、電路性能仿真、印刷電路板設計與繪制的基本知識和操作技能，達到遇到問題及時上手、能夠合理完成設計任務的目的，為將來從事電子線路設計工作打下堅實的基礎。

2.設置實驗項目。在本課程的實驗項目中設置了12學時必開實驗，包括驗證型實驗和設計型實驗。主要目標概括為以下四點：（1）掌握電路性能仿真方法，提高對電路的設計、分析、調試、故障排除的能力。（2）掌握虛擬儀器儀表的使用方法。（3）掌握電子線路原理圖設計的過程、方法及技巧。（4）掌握印刷電路板圖設計的過程、方法和技巧，訓練電路設計方面的綜合工程素質。具體項目設置為：Multisim10界面設置及原理圖繪制（2學時驗證型）、Multisim10虛擬儀器儀表使用（2學時驗證型）、Multisim10分析功能及電路特性仿真（2學時設計型）、Altium Designer原理圖設計（2學時設計型）、Altium Designer PCB步線練習（4學時設計型）。

3.考核方式?？己藘?nèi)容為學生實驗完成情況和實驗報告兩項。關于實驗完成情況，考核學生是否參加實驗、實驗過程中是否認真、是否完成（獨立完成）并得到正確結果;關于實驗報告，考核學生的實驗報告是否正確、完整、無誤，實驗報告的內(nèi)容應包括實驗目的、實驗內(nèi)容、實驗中遇到的問題及解決辦法，并附實驗結果及分析，最后在實驗報告上給出考核分數(shù)。對實驗完成情況記實驗成績分，對實驗報告記實驗報告分。兩項成績之和為實驗課成績，占課程總成績的50%。

三、上機考試設計

1.考試方法。配合本課程的教學目標，期末考試采用上機操作考試，開卷，一人一機，上交電子答卷word文件。老師對電子答卷進行評閱，記錄成績?？荚囶}目類型為綜合型大題，考查軟件操作、模擬/數(shù)字電路分析與仿真、常用儀器儀表使用、元器件辨識、原理圖和PCB圖繪制的基本技能，考核范圍全面，難度中等偏上，符合教學大綱的要求。endprint

2.考試內(nèi)容。試卷一般包括三道大題，覆蓋了本課程兩個電子線路CAD教學軟件的主要內(nèi)容，包括基礎部分和應用部分，考查了學生的基本操作技能和虛擬設計及測量的工程素質。第一大題為Multisim模擬電路操作題，主要考察軟件Multisim的基本概念學習情況及模擬電路的仿真與分析能力，包括一些基本物理單位的使用、基本虛擬測量儀器儀表的使用等，例如：繪制單管放大電路、對電路輸出變量進行測量以及電路頻率特性測量等內(nèi)容;第二大題是Multisim數(shù)字電路操作題，考察軟件Multisim的使用情況，包括數(shù)字電路的元器件、常用虛擬儀器儀表及常用分析和仿真方法等，例如：按要求繪制異步預置計數(shù)器電路圖、電路元件設置、添加邏輯分析儀進行波形測量等內(nèi)容;第三大題是Altium Designer上機操作題，主要考察軟件Altium Designer的學習應用情況，包括原理圖輸入、元器件庫使用、PCB板繪制的基本規(guī)則和方法等，例如：計數(shù)顯示電路原理圖繪制、PCB圖繪制、PCB板參數(shù)設置等內(nèi)容。

四、結論

目前該教學模式已實行兩年，效果顯著，課堂演示、實驗操作的出勤率接近100%，實驗報告上交接近100%，多數(shù)學生成績優(yōu)良。從上機考試答題情況看，學生對基礎知識點的掌握情況較好，按要求繪制電路原理圖的操作技能達到了熟練的程度。對于“電子線路CAD”這門實踐性和應用性很強的課程，我們在教學中選用Multisim和Altium Designer兩個流行軟件作為教學工具，完全符合時代科技發(fā)展要求。另外，加強課程實驗和采用上機考試都強調了工程實踐能力的培養(yǎng)需求，對學生動手能力的鍛煉起到重要作用，這種工程能力在后續(xù)課程中得到了充分的應用和實踐，包括：課程學習實驗、課程設計（綜合測控實踐）、畢業(yè)設計、電子設計競賽、大學生創(chuàng)新科技活動等環(huán)節(jié)。隨著工程教育專業(yè)的建設與發(fā)展，對于各門專業(yè)核心課程的教學改革與探索始終是非常重要的。

參考文獻：

[1]張文博，包振山，方娟.“電子線路計算機輔助設計”本科教學研究[J].計算機教育，2012，（22）：49-52.

[2]鄭富龍，連桂仁.Multisim10和Protel DXP軟件在電子產(chǎn)品研發(fā)中的應用[J].電子科技，2010，23（11）：19-21.

[3]王艷紅，孔亮，李楊，等.計算機仿真軟件在電路課程中的應用與比較[J].實驗室研究與探索，2012，31（7）：88-91.

[4]張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術與管理，2012，29（4）：108-111.

[5]謝龍漢，魯力，張桂東.Altium Designer原理圖與PCB設計及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.endprint