基于EDA的“電路分析實(shí)驗(yàn)”遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)踐

谷良田，李派霞，席紅霞，王 瑛

（北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011）

0 引言

遠(yuǎn)程教學(xué)注重個(gè)性化和社會(huì)需求[1]。受新冠肺炎疫情的影響，“停課不停學(xué)”的需求進(jìn)一步突出了遠(yuǎn)程教育的重要性。本文基于“電路分析實(shí)驗(yàn)”課程的特點(diǎn)，立足教學(xué)目標(biāo)對(duì)學(xué)生能力的要求，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，基于EDA軟件，對(duì)遠(yuǎn)程開(kāi)展“電路分析實(shí)驗(yàn)”課進(jìn)行了研究和實(shí)踐，并通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的考核辦法對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果達(dá)到教學(xué)要求，為遠(yuǎn)程開(kāi)展此類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程提供一些借鑒。

1 課程特點(diǎn)及開(kāi)展遠(yuǎn)程教學(xué)的難點(diǎn)

1.1 “電路分析實(shí)驗(yàn)”課程特點(diǎn)

“電路分析實(shí)驗(yàn)”是一門(mén)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，課程內(nèi)容主要是驗(yàn)證歐姆定律、基爾霍夫定律、疊加原理、互易定理、戴維南定理、諾頓定理等基礎(chǔ)電學(xué)理論。在這些驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)綜合、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生電學(xué)實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣與思維，提高學(xué)生動(dòng)手能力。這門(mén)課程一般安排在學(xué)習(xí)電路分析理論基礎(chǔ)之后、開(kāi)設(shè)所有專業(yè)課之前，是一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)性的實(shí)踐課程。該階段的學(xué)生還未做過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法、操作規(guī)范、基本的儀器儀表使用等都不甚了解。因此，該實(shí)驗(yàn)課程不僅對(duì)“電路分析”課程所涉及的重要理論進(jìn)行驗(yàn)證，還是引導(dǎo)學(xué)生電學(xué)實(shí)驗(yàn)入門(mén)的重要課程，起到培養(yǎng)學(xué)生建立基本的電學(xué)實(shí)驗(yàn)思維的作用。

1.2 電路分析實(shí)驗(yàn)課遠(yuǎn)程開(kāi)展的難點(diǎn)

通常此類(lèi)實(shí)驗(yàn)在專門(mén)實(shí)驗(yàn)室使用專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展。這種方式雖然能讓學(xué)生接觸到實(shí)驗(yàn)設(shè)備鍛煉動(dòng)手能力，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備面板上安裝了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的線路與元器件，單個(gè)實(shí)驗(yàn)僅僅用到其中某些部分，再加上設(shè)備上許多電學(xué)標(biāo)號(hào)是在理論課中沒(méi)有涉及的，這給初學(xué)者帶來(lái)很大困擾。另外，設(shè)備出廠時(shí)已設(shè)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可調(diào)整范圍小，且需要學(xué)生實(shí)地上課，不能靈活開(kāi)展。

常見(jiàn)的具有電路仿真功能的軟件有Proteus、Multisim、Altium Designer等[2]，通過(guò)電路仿真軟件可以克服硬件條件的束縛，但僅通過(guò)仿真軟件無(wú)法替代上機(jī)操作實(shí)驗(yàn)[3]。主要原因：大多仿真軟件為國(guó)外軟件，需要付費(fèi)才能獲得使用授權(quán)許可；部分仿真軟件功能豐富，使用繁瑣，無(wú)法在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)掌握；部分仿真軟件難以接近實(shí)際環(huán)境，學(xué)生獲得直觀感受的程度小。

2 解決方案及實(shí)施流程解析

在疫情時(shí)期，為了使學(xué)生既能在遠(yuǎn)程熟練運(yùn)用實(shí)驗(yàn)理論，又能從實(shí)際操作中得到鍛煉，提升實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，培養(yǎng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)思維，本文基于EDA軟件實(shí)現(xiàn)線上仿真。EDA軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，可線上定制印刷電路板（Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱PCB）；通過(guò)線上商城購(gòu)買(mǎi)元器件，線下郵寄至學(xué)生手中；教師使用遠(yuǎn)程視頻會(huì)議軟件指導(dǎo)學(xué)生完成線下實(shí)驗(yàn)操作。遠(yuǎn)程開(kāi)展線上線下電路分析實(shí)驗(yàn)課程的流程如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程開(kāi)展線上線下電路分析實(shí)驗(yàn)流程

2.1 線上仿真及設(shè)計(jì)電路PCB

教師線上注冊(cè)并創(chuàng)建EDA班級(jí)，將學(xué)生的賬號(hào)加入班級(jí)學(xué)習(xí)群，進(jìn)行班級(jí)工程組管理，能隨時(shí)查看學(xué)生線上仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)度。用EDA軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示，主要步驟：從仿真模式下的元件庫(kù)里選取仿真模型添加到編輯區(qū)，按實(shí)驗(yàn)電路將已添加的仿真元件進(jìn)行連接；在仿真電路中添加需要的仿真儀器儀表、激勵(lì)源；設(shè)置各元件、儀器儀表和激勵(lì)源的參數(shù)使其符合實(shí)驗(yàn)條件，最后設(shè)置仿真軟件環(huán)境的參數(shù)即可運(yùn)行仿真[4-5]。仿真運(yùn)行后，觀察儀器儀表的現(xiàn)象并記錄相應(yīng)數(shù)值，如果需要改變條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可通過(guò)改變?cè)?shù)或改變儀器儀表測(cè)試對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)流程

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的電路可進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)主要流程如圖3所示，包括在元件庫(kù)中選取元件、在原理圖編輯窗口中設(shè)計(jì)電路原理圖、為每一個(gè)元件添加PCB封裝、將原理圖設(shè)計(jì)的電路信息導(dǎo)入到PCB設(shè)計(jì)編輯文件、在PCB文件中進(jìn)行元件布局和布線、不斷優(yōu)化完成PCB設(shè)計(jì)等步驟。值得注意的是，設(shè)計(jì)PCB時(shí)需要考慮實(shí)驗(yàn)操作的便捷性，如預(yù)留好各種接線端子；為了測(cè)量方便，還需要在必要的支路上留有短接和斷路端子；對(duì)于需要在實(shí)驗(yàn)時(shí)更換的元件預(yù)留插座替代等。PCB設(shè)計(jì)完成后，教師對(duì)PCB設(shè)計(jì)文件進(jìn)行審核，確保學(xué)生所設(shè)計(jì)的PCB工藝可實(shí)現(xiàn)、功能滿足實(shí)驗(yàn)要求，然后再指導(dǎo)學(xué)生購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的元器件和工具。以上工作完成后學(xué)生即可開(kāi)展線下實(shí)驗(yàn)。

圖3 PCB設(shè)計(jì)流程

2.2 線下實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理圖和PCB設(shè)計(jì)完成后，發(fā)送至PCB工廠進(jìn)行樣板加工。經(jīng)過(guò)線上仿真實(shí)驗(yàn)和PCB設(shè)計(jì)，學(xué)生已具備一定的知識(shí)儲(chǔ)備，線下較易裝接PCB實(shí)驗(yàn)電路。教師確認(rèn)學(xué)生都獲得PCB、相關(guān)元器件及必要的焊接、測(cè)量工具后，遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)生裝接實(shí)驗(yàn)電路板。遠(yuǎn)程指導(dǎo)包括以下幾個(gè)步驟：

1）以群直播或其他會(huì)議視頻方式指導(dǎo)全體學(xué)生檢查元器件和工具，熟悉必要的裝接工藝和知識(shí)。

2）指導(dǎo)學(xué)生裝接電路。

3）指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電路板關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)測(cè)試，以確定裝接質(zhì)量；針對(duì)個(gè)別未能完成任務(wù)的學(xué)生進(jìn)一步指導(dǎo)。

4）指導(dǎo)學(xué)生遠(yuǎn)程開(kāi)展線下電路分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作，觀察學(xué)生操作步驟和過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生注意對(duì)比理論、仿真、實(shí)操的區(qū)別和聯(lián)系。

5）針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行舉一反三訓(xùn)練，著重培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移和運(yùn)用能力。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)遷移到實(shí)際應(yīng)用的例子，例如練習(xí)“電路中電位”這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，與測(cè)量家用三孔插座的火線、零線、地線電位進(jìn)行類(lèi)比。遠(yuǎn)程指導(dǎo)線下使用PCB實(shí)體開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程視頻軟件展示實(shí)驗(yàn)室設(shè)備對(duì)應(yīng)的功能模塊，分析實(shí)驗(yàn)電路元件在PCB板和設(shè)備上的表示形式以及對(duì)應(yīng)關(guān)系，介紹兩種形式實(shí)驗(yàn)的等價(jià)處理方法。如圖4所示為“電路中電位”實(shí)驗(yàn)所用PCB與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備功能模塊的對(duì)比。

圖4 “電路中電位”實(shí)驗(yàn)電路對(duì)比

6）批閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。

3 教學(xué)效果檢驗(yàn)與分析

3.1 教學(xué)效果檢驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)對(duì)照法進(jìn)行教學(xué)效果檢驗(yàn)。將歷屆在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上完成電路分析實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和上機(jī)考核的學(xué)生作為對(duì)照組，遠(yuǎn)程線上線下開(kāi)展電路分析實(shí)驗(yàn)的學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)組。因疫情原因，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生僅能接受遠(yuǎn)程線上線下實(shí)驗(yàn)課程，即本文檢驗(yàn)的自變量為開(kāi)展實(shí)驗(yàn)形式，其取值為“接受實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上完成電路分析實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)”和“接受遠(yuǎn)程線上線下完成電路分析實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)”這兩種情況。

對(duì)照組考核采取抽取題庫(kù)題目進(jìn)行上機(jī)操作的形式，題庫(kù)中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為與已學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難度相似的實(shí)驗(yàn)。因疫情好轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生回到學(xué)校后僅需1個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)和檢查時(shí)間，在沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目練習(xí)的前提下，按照對(duì)照組考核方式和要求進(jìn)行考核。采取與對(duì)照組統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核評(píng)分，對(duì)比兩組學(xué)生考核成績(jī)即可反應(yīng)兩種方式的教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)組雖然線上仿真可進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)，但在線下自行練習(xí)時(shí)因?qū)嶒?yàn)成本的限制，不能配備示波器、函數(shù)信號(hào)源、功率因數(shù)表等設(shè)備，因此考核避開(kāi)了少部分需要此類(lèi)設(shè)備的考題。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可比性，僅挑選抽中與實(shí)驗(yàn)組考題類(lèi)似的學(xué)生數(shù)據(jù)作為參照。

3.2 檢驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)篩選往屆3個(gè)年級(jí)11個(gè)班中307名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，考核題目符合對(duì)照要求,將其數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)本次實(shí)施遠(yuǎn)程教學(xué)模式的所有學(xué)生（共86人）的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。整理出實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的數(shù)據(jù)，學(xué)生考核成績(jī)分布如圖5所示。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生成績(jī)的方差為211.08，總體標(biāo)準(zhǔn)偏差為14.44；對(duì)照組學(xué)生成績(jī)的方差為230.15，總體標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.15。根據(jù)圖5可知，兩者分布規(guī)律相似。因此，遠(yuǎn)程線上線下電路分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果接近在實(shí)驗(yàn)室訓(xùn)練的教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)“電路分析實(shí)驗(yàn)”課程的特點(diǎn)，利用EDA作為核心軟件工具，遠(yuǎn)程開(kāi)展線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決了疫情期間學(xué)生不能到校使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展電路分析實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式具有不需要建設(shè)實(shí)驗(yàn)室、不受地域約束、靈活、學(xué)生易于上手且便于掌握實(shí)驗(yàn)原理等優(yōu)點(diǎn)；但實(shí)驗(yàn)平均成本高,受成本限制無(wú)法開(kāi)展一些需要費(fèi)用較高儀器（如示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、功率因數(shù)表等）的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此，這種方式并不能完全取代在實(shí)驗(yàn)室集中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，它可作為一種輔助手段對(duì)電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充，也可為“電路分析實(shí)驗(yàn)”課程重構(gòu)、線上線下課程改革等帶來(lái)新的思考。