電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽視角下“電子線路板設(shè)計(jì)與制作”課程改革實(shí)踐與研究

施紀(jì)紅

摘 ? 要：文章通過(guò)對(duì)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)高職學(xué)生電子線路板設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)要求的剖析，找到傳統(tǒng)教學(xué)與競(jìng)賽要求的差距，指出應(yīng)從電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的視角對(duì)“電子線路板設(shè)計(jì)與制作”課程進(jìn)行改革和實(shí)踐。文章提出了依托慕課平臺(tái)的項(xiàng)目化教學(xué)法，以達(dá)到“以賽促教、以教促賽”的目的，進(jìn)而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽;電子線路板設(shè)計(jì)與制作;慕課;項(xiàng)目化教學(xué)法

各類電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽不僅能激發(fā)學(xué)生的興趣和潛能、提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，還可以幫助學(xué)生更好地將理論和實(shí)踐相結(jié)合，從而提高學(xué)生的職業(yè)技能和職業(yè)素質(zhì)。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽不僅能夠考察學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)的效果，更能檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)電子產(chǎn)品的實(shí)際制作能力。開(kāi)展電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，能夠?qū)崿F(xiàn)高職學(xué)生從課堂學(xué)習(xí)到課外實(shí)踐、從理論知識(shí)到動(dòng)手實(shí)踐的跨越[1]。

通過(guò)對(duì)10年來(lái)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目的分析，筆者發(fā)現(xiàn)競(jìng)賽主要涉及以下3大部分：模擬與數(shù)字電路分析，控制器編程、電子圖的繪制以及印刷線路板（Printed Circuit Board，PCB）的設(shè)計(jì)。將PCB設(shè)計(jì)作為競(jìng)賽的重要組成部分，是由PCB設(shè)計(jì)在企業(yè)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要地位決定的。

近年來(lái)，全國(guó)及江蘇省高職電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目均由高校、行業(yè)和企業(yè)的專家團(tuán)集體研討而來(lái)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和較高的前瞻性。依托對(duì)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的要求分析，對(duì)“電子線路板設(shè)計(jì)與制作”課程進(jìn)行教學(xué)改革是一個(gè)非常好的著手點(diǎn)。本文從電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽視角對(duì)“電子線路板設(shè)計(jì)與制作”教學(xué)進(jìn)行改革，期望達(dá)到“以賽促教、以教促賽”的目的，從而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力[2]。

1 ? ?競(jìng)賽與課堂教學(xué)的差距

通過(guò)對(duì)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽PCB部分的得分情況及和參賽同學(xué)的溝通分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)主要有以下問(wèn)題：（1）繪圖制版軟件和企業(yè)使用軟件存在差距。（2）繪圖速度達(dá)不到競(jìng)賽的要求。（3）搜索、閱讀能力不足，導(dǎo)致無(wú)法正確應(yīng)用元器件。（4）實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)不足，紙上談兵，設(shè)計(jì)的PCB無(wú)法正常工作。

2 ? ?改革與實(shí)踐

2.1 ?更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件，縮小和企業(yè)之間的軟硬件差距

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽緊跟企業(yè)最新設(shè)計(jì)要求，使用當(dāng)前最新的軟件。學(xué)校只有緊跟企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、更換軟件，才能保證學(xué)生畢業(yè)后實(shí)現(xiàn)零距離就業(yè)。本團(tuán)隊(duì)在2009年淘汰了PROTEL軟件，開(kāi)始講授“Altium Designer Summe 09”軟件，在2017年更新了計(jì)算機(jī)配置，將該軟件的版本提高到了15版，滿足了學(xué)生競(jìng)賽和就業(yè)的需求。

2.2 ?分層教學(xué)

利用慕課平臺(tái)和課后時(shí)間加大練習(xí)力度，提高繪圖速度。傳統(tǒng)教學(xué)是教師上課時(shí)通過(guò)廣播系統(tǒng)控制學(xué)生的電腦演示軟件的操作，由于學(xué)生學(xué)習(xí)能力不一致，項(xiàng)目完成時(shí)間也不一致。有的學(xué)生閱讀能力強(qiáng)，對(duì)照教程就可完成任務(wù);有的學(xué)生在老師演示一遍后也能掌握相應(yīng)的操作要點(diǎn);但還有小部分學(xué)生由于記憶力、理解力和注意力的欠缺，同樣看完一次演示后，不是錯(cuò)誤不斷，就是干脆無(wú)法下手。于是老師上課時(shí)需要單獨(dú)輔導(dǎo)或者有選擇地演示多次，導(dǎo)致課堂效率不高，課程內(nèi)容只能偏重基礎(chǔ)的軟件操作。

為了提高教學(xué)效率和學(xué)生的繪圖速度，本項(xiàng)目在兩方面進(jìn)行了改革：（1）利用超星慕課平臺(tái)，針對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)上傳軟件操作的小視頻。學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況，提前學(xué)、選擇性學(xué)、重復(fù)學(xué)。慕課平臺(tái)的使用實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化教學(xué)，上課時(shí)老師只需要解決難點(diǎn)和重點(diǎn)，提高了上課的效率。（2）將每次課程的教學(xué)任務(wù)分成課前預(yù)習(xí)任務(wù)、課上練習(xí)任務(wù)和課后拓展任務(wù)3個(gè)部分。預(yù)習(xí)和練習(xí)任務(wù)是全部同學(xué)都要完成的，拓展任務(wù)是提供給學(xué)有余力和希望有更大發(fā)展的同學(xué)的。這種模式幫助學(xué)生根據(jù)自己的能力和發(fā)展方向確定自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

2.3 ?對(duì)課程進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)改革

借鑒競(jìng)賽培訓(xùn)的經(jīng)驗(yàn)，分析競(jìng)賽試題，對(duì)課程進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。在PCB設(shè)計(jì)中，同種芯片有直插和貼片兩種封裝;同樣阻值的電阻電容，由于功率不一樣，封裝大小也不一樣;由于功率不同、散熱要求不同，器件在PCB上的安裝方式也不相同。這些知識(shí)點(diǎn)在傳統(tǒng)教學(xué)中，老師會(huì)將它們?nèi)嗨榧?xì)化，然后手把手地交給學(xué)生。學(xué)生是老師讓怎么畫(huà)就怎么畫(huà)、讓怎么裝就怎么裝，只要按部就班地模仿，不需要獨(dú)立地思考，學(xué)生對(duì)芯片的選擇、安裝工藝基本不關(guān)心，導(dǎo)致學(xué)生不會(huì)閱讀元器件及電路說(shuō)明書(shū)，如果遇到未見(jiàn)過(guò)的元器件，就不懂管腳關(guān)系、不會(huì)接線、不會(huì)制作封裝，最終設(shè)計(jì)的PCB板不能使用。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)歷年的競(jìng)賽題目進(jìn)行分析、提煉，設(shè)計(jì)成適合高職學(xué)生學(xué)習(xí)能力的項(xiàng)目化教學(xué)任務(wù)。在教學(xué)中，老師不直接提供結(jié)論，而是提供相應(yīng)的項(xiàng)目背景、電路資料、芯片說(shuō)明書(shū)等，培養(yǎng)學(xué)生閱讀資料，獲取信息的能力。學(xué)生自己去分析器件的結(jié)構(gòu)圖、電氣功能、安裝工藝，最終設(shè)計(jì)合理的封裝。在部分?jǐn)U展項(xiàng)目中，老師只提供資料搜索的方法和線索，具體項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)均由學(xué)生自己完成。

本課程主要內(nèi)容包括原理圖繪制、PCB設(shè)計(jì)和線路板制作3大部分，也是PCB崗位的工作流程。原理圖繪制中主要涉及簡(jiǎn)單、復(fù)雜和層次電路原理圖繪制3個(gè)層次，PCB設(shè)計(jì)主要包含單面、雙面和多層PCB板設(shè)計(jì)3個(gè)層次，電路板制作主要包括手工制版和外包企業(yè)制版兩種。根據(jù)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單一到綜合的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，將學(xué)習(xí)項(xiàng)目分為模塊項(xiàng)目和綜合項(xiàng)目?jī)纱箢?。前期模塊項(xiàng)目，學(xué)生繪制簡(jiǎn)單電路圖，設(shè)計(jì)單面PCB板，手工制版。后期綜合項(xiàng)目繪制復(fù)雜電路圖，設(shè)計(jì)雙面板，外發(fā)制版[3]。

模塊項(xiàng)目是將競(jìng)賽的一個(gè)完整項(xiàng)目，根據(jù)功能劃分成輸入、輸出、電源、控制等模塊。每個(gè)模塊制作完成后也可以組合成一個(gè)綜合項(xiàng)目。模塊項(xiàng)目和綜合項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程基本一致，都是繪圖、設(shè)計(jì)、制版。項(xiàng)目的難度和復(fù)雜性不一樣，綜合項(xiàng)目比模塊項(xiàng)目的電路復(fù)雜度、制版要求均有逐步提升。通過(guò)一個(gè)個(gè)項(xiàng)目的完成，學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力不斷得到提升。

2.4 ?通過(guò)PCB實(shí)物分析和PCB制作，提高學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)能力

近年的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽利用了快速制版技術(shù)，能夠?qū)W(xué)生在競(jìng)賽中設(shè)計(jì)的線路板在設(shè)計(jì)完成后4個(gè)小時(shí)內(nèi)直接成板，通過(guò)實(shí)物檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的良好性，不僅要求學(xué)生具備熟練的PCB設(shè)計(jì)能力，更要具備豐富的PCB設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，由于受到課時(shí)限制、學(xué)生學(xué)習(xí)能力參差不齊的影響，教學(xué)重點(diǎn)一般放在原理圖繪制上，而對(duì)PCB設(shè)計(jì)規(guī)則的講解時(shí)間不足。同時(shí)由于耗材經(jīng)費(fèi)的限制，大部分的PCB設(shè)計(jì)并不進(jìn)行實(shí)物制版，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)元器件實(shí)物封裝的匹配度、對(duì)安裝器件后的實(shí)際電路使用效果不重視。學(xué)生認(rèn)為是模擬設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)態(tài)度不認(rèn)真，導(dǎo)致學(xué)生在大賽中設(shè)計(jì)出來(lái)的PCB版無(wú)法使用。

本項(xiàng)目進(jìn)行了兩種改革方案：（1）收集錯(cuò)誤案例，將設(shè)計(jì)規(guī)則形象化。去合作企業(yè)、電子社團(tuán)、電子課題項(xiàng)目組收集設(shè)計(jì)有缺陷的線路板實(shí)物，同時(shí)也在網(wǎng)站、BBS論壇收集PCB設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤案例圖片。上課的時(shí)候通過(guò)實(shí)物電路故障分析、錯(cuò)誤設(shè)計(jì)圖片論壇分析，解讀PCB設(shè)計(jì)規(guī)范，加深學(xué)生對(duì)規(guī)則的理解，豐富學(xué)生的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。（2）參照競(jìng)賽命題，購(gòu)買實(shí)物元器件。對(duì)每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目選出一定數(shù)量的PCB設(shè)計(jì)文件進(jìn)行制版、安裝，檢驗(yàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)效果，端正學(xué)生的設(shè)計(jì)態(tài)度。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，盡力將電子產(chǎn)品制造工藝要求貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)，以此加深學(xué)生對(duì)PCB設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可制造性的理解[4]。通過(guò)引導(dǎo)，學(xué)生開(kāi)始了解電子產(chǎn)品制造工藝特點(diǎn)和電子產(chǎn)品組裝技術(shù)，關(guān)注知名企業(yè)的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范，學(xué)生的制版成功率、工程實(shí)踐能力有了極大的提高。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

基于電子競(jìng)賽的“電子線路板設(shè)計(jì)與制作”課程改革實(shí)現(xiàn)了以下兩大轉(zhuǎn)變：變以培養(yǎng)軟件操作能力為中心，為以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力為中心;變以教師教為中心，為以學(xué)生學(xué)為中心。該項(xiàng)目教學(xué)法的推進(jìn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力具有重要的現(xiàn)實(shí)和指導(dǎo)意義。

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Abstract：In this paper， the gap between traditional teaching and competition requirements is found， through the analysis of the students PCB “Design and Fabrication of Printed Circuit Board” course. And this paper puts forward a project-based teaching method based on the platform of MOOCs， in order to achieve the purpose of “promoting teaching by competition” and “promoting teaching reform with skill contest”， and then improving students engineering practice ability and innovation ability.

Key words：electronic design competition; design and fabrication of printed circuit board; massive open online course; project-based teaching method