應用型本科電子通信專業(yè)EDA 課程教學改革探索

盧巍，宋月亭

(昆明文理學院信息工程學院，云南昆明，650222)

0 引言

隨著智能科學的發(fā)展，現(xiàn)代電子產品的智能化越來越強、集成度越來越高，未來電子電路的設計復雜程度將會空前提高，呈現(xiàn)多學科多行業(yè)融合趨勢。［1］工作人員只有對電子線路進行良好的設計，才能保證電子產品的安全性和可靠性，才有可能真正提高企業(yè)在市場當中的競爭力。［2］國內大學本科階段的EDA 教學呈現(xiàn)兩個趨勢，一個是以硬件描述VHDL為主的EDA 技術，強調VHDL 語言的學習和數(shù)字器件中的VHDL 設計以及應用。[3]此方向的教學往往按照知識體系系統(tǒng)學習課程，實現(xiàn)邏輯編程、邏輯綜合優(yōu)化，其虛擬的編譯環(huán)境，又可以運用于邏輯布局布線、邏輯仿真設計。另一趨勢是電子電路設計的虛擬仿真，以電子電路設計軟件Multisim 和protel 為代表的印制電路板設計。電路設計注重原理分析、電路設計以及虛擬仿真各個環(huán)節(jié)的配合，可以在設計成果實體化之前進行邏輯檢測，最終形成集成電子系統(tǒng)或專用集成芯片。這樣的設計過程，大大降低了設計風險，同時提高設計可行性，成為現(xiàn)代電子電路設計的基礎［4］。

我國應用型高等學校電子通信類專業(yè)學生，特別是獨立院校，一種就業(yè)定位是立足當?shù)氐闹行⌒推髽I(yè)和公司技術骨干人才。［5］學習EDA 技術，可以改變傳統(tǒng)電子電路相關課程教學模式中理論加實驗的教學模式，以電子產品設計為驅動，配合適合的教學方法，不論是以VHDL 為主還是以印制電路板設計為主，筆者往期研究中發(fā)現(xiàn)，加入EDA 教學，形成理論到EDA 設計再到實驗的教學模式，可以有效提高學生對專業(yè)主線知識的掌握程度，同時，這種以產品設計為出發(fā)點的教學，還可以極大的結合學生未來就業(yè)方向，使知識與就業(yè)結合。這樣可以極大的發(fā)揮學生的主觀能動性，將學生的設計思路付諸于實踐。

將EDA 技術在課程設計和畢業(yè)設計中應用。課程設計和畢業(yè)設計也是電子技術課程教學的一個重要環(huán)節(jié)。[6]在當前嚴峻的就業(yè)形勢下，學生在畢業(yè)設計中通過對EDA 技術的運用，能明顯增強競爭力。因為目前課程設計和畢業(yè)設計工程應用類題目不少，在畢業(yè)設計中引用EDA 技術，要求學生對所設計的電路進行模擬仿真調試、驗證，在答辯時候進行實際演示，可以大大提高學生動手能力和開發(fā)設計能力。[7]

1 教學設計

筆者團隊在往期研究中發(fā)現(xiàn)，應用型本科特別是獨立院校的EDA 教學，應該結合地方特色和學校定位，重點改變傳統(tǒng)的“說教”式教學，或者單純的電子電路設計實驗式教學。不能使EDA 課程變成課本電子線路的驗證。針對以上教學方式，筆者在前期研究中提出以目的驅動的綜合式電子電路設計教學。在學生EDA 課程中，花費少量時間熟悉電子電路設計后，以學科畢業(yè)設計，大學生電子設計競賽，熱點小型電子產品，當?shù)靥厣娮有袠I(yè)簡單產品為設計目標驅動，提出具有一定使用價值的設計問題，讓學生邊學習邊解決設計問題，最終完成設計的教學模式。通過在學校教學過程中實踐表明，這樣的教學模式改革，可以有效調動學生積極性和探索能力，學生會從要我學習到我要學習進行轉變。但同時也發(fā)現(xiàn)，這種教學模式缺乏最終導向和評價標準。

在得到學校相關資金支持下，以學校電子信息工程專業(yè)EDA 教學為研究對象，通過2014 級到2017 級三個年級的EDA課程教學，探索改變傳統(tǒng)的驗證式教學為目的導向式教學，重點在于改變傳統(tǒng)的教師在EDA 教學過程中多以‘說教’式為主的教學方式，配以使用多年未改變的數(shù)模電實驗指導書，通信原理實驗指導書等一系列教材，使EDA 教學變成課本電子線路的驗證，無法突出EDA 設計自身優(yōu)點，還使學生缺少獨立思考和個人見解能力，容易形成模式化教學的局面。

在研究中，首先運用信息工程學院電子信息工程專業(yè)的專業(yè)選修課程《課程項目設計》和《電路仿真技術》兩門課程，探索運用EDA 技術中的Multisim 電路仿真軟件，改變傳統(tǒng)實驗課按照實驗課本直接搭建電路驗證實驗結果的教學模式，將電子電路設計的最新設計理念引入教學，強調仿真設計在電子通信系統(tǒng)設計中的運用，從實際設計問題出發(fā)，研究學生面對實際設計問題進行從理論設計到仿真設計再到實際設計的教學模式，探索將EDA 技術直接加入通信專業(yè)專業(yè)設計，以提高教學效果的教學模式。研究過程如下：

（1）運用數(shù)、模電中的基本電路培養(yǎng)學生Multisim 電路仿真軟件的使用能力。在前期研究中發(fā)現(xiàn)，獨立學院學生知識結構普片薄弱，知識體系不完善。所以必要的數(shù)、模電基本電路仿真可以以實驗驗證的方法提升學生對基礎知識的掌握，同時，也可以使沒有接觸過EDA 電子電路設計的學生認識并學習相關技術。

（2）提出簡單的通信電路設計問題，學生運用Multisim電路仿真軟件模擬設計電路，培養(yǎng)設計思維，解決設計問題。這個過程很重要，通信電路中的基礎問題，比如調制與解調，最佳接收，加密與解密的基礎研究，可以激發(fā)學生積極性，同時初步培養(yǎng)學生目的驅動式學習。培養(yǎng)學生學習能力，在這個環(huán)節(jié)中，教學的重點是以學科基礎問題設計為出發(fā)點，引導學生將學科中的多個知識融合，構建完成通信系統(tǒng)，并結合實際通信系統(tǒng)，嘗試用所構建系統(tǒng)分析和模擬實際通信系統(tǒng)問題。

（3）運用PCB 開發(fā)板，結合數(shù)、模電中的基本電路培養(yǎng)學生搭建實際電路，解決實際問題的能力。研究的最終期望是進行作品轉化，此環(huán)節(jié)可以有效培養(yǎng)學生實際制作能力。

（4）提出實際電路設計，讓學生遵循現(xiàn)行電子通信系統(tǒng)設計師設計系統(tǒng)的一般設計過程設計實際電子通信系統(tǒng)。有了上述三個環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，學生可以掌握電子電路設計的基本步驟和基礎過程，同時思想上也會主動和實際電子產品結合，思考將設計和實用性較強的系統(tǒng)做對比分析。

（5）實用電路設計和目的驅動。此環(huán)節(jié)是教學中心環(huán)節(jié)，教學要提出具有實用價值的電子系統(tǒng)設計，可以從簡單的，學生身邊經常使用的電子產品入手，提出基本設計目標與設計要求，同時增加可實現(xiàn)的多個不同層次設計目標與設計要求。然后重點在于提出一個或者多個明確可實現(xiàn)的設計目的。在實踐中，團隊提出目的主要有以下幾個:

考核目的,明確實物設計在設計考核中所占比例，鼓勵最終實物完成，并在教學小組中加入競爭機制。同時推進競爭機制和設計目標結合，根據層次不同的設計作品實施教學評價。同時將總體教學評價分解到每一個設計中，根據設計的不同要求、設計難度和設計實現(xiàn)單獨制定教學評價。

轉化目的，教學最終的設計目的是作品轉化，所以在申請必要資金支持的情況下，以現(xiàn)在學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和各種各類電子通信類大學生設計比賽為引導，運用平行的三到五個設計題目，引導學生設計小組以完成這類目的探索完成一個完整系統(tǒng)設計。

畢業(yè)目的，在研究實踐中發(fā)現(xiàn)，轉化目的不是每個學生設計小組都可以完成，原因在于每個設計小組在基礎知識、能力和興趣愛好上的差異使之出現(xiàn)設計能力上有一定差異，如果一味追求每個設計小組實現(xiàn)作品轉化，既不現(xiàn)實，同時還會降低部分小組的學習和設計積極性。這時，畢業(yè)設計就是一個可用工具，對于部分設計無法向轉化目的要求中完成轉化的設計，引導學生以畢業(yè)設計為目的進行作品轉化。

（6）記錄并總結研究過程中產生的各種問題和解決方法，探索將EDA 技術運用到電子通信相關專業(yè)實驗課中的新的教學模式。

根據上述研究過程，筆者探索改變教學模式為圖1 所示。

圖1 EDA 課程教學設計圖

在這個教學中，堅持以目的驅動為出發(fā)點，提出可行設計產品，設計產品要具有一定難度，給予一定規(guī)定時間，讓學生一人通過學習可以實現(xiàn)，但不足以完全實現(xiàn)或者感覺設計時間不足，這時引導學生組建設計團隊，將整個班級組建為一定數(shù)目設計團隊，重點在引入團隊競爭機制，在引入過程中可以適當加入課程思政元素。通過教師設計方向性指導，引導各團隊完成仿真測試與實現(xiàn)，對仿真測試與實現(xiàn)進行教學評價。通過教學評價中發(fā)現(xiàn)可以進行實物轉化的作品，以畢業(yè)設計，專業(yè)比賽或者產品轉化為最終導向，引導學生進行設計轉化，完成實物產品設計。

2 教學過程實例

以手機充電器設計為例，說明教學過程。手機充電器從電路設計角度，是將220V，50HZ 的市電轉換成5V 直流電的裝置，要求轉換功率高，易實現(xiàn)，體積小，轉換得到的電壓穩(wěn)定，誤差小。他由變壓、整流和穩(wěn)壓幾個基本設計環(huán)節(jié)構成。變壓器把220V 交流電變成交流5V 參考值，然后通過全橋整流把交流電變成直流電，最后通過電容作信號的低頻濾波實現(xiàn)穩(wěn)壓。

整個設計包含最基本設計過程如下所示：

（1）采用電源變壓器將生活用電電壓降低獲得所需要的交流電壓。

（2）用橋式整流電路將降壓后的5v 交流電轉為直流電。

（3）通過一個電容來實現(xiàn)信號的低頻濾波來實現(xiàn)穩(wěn)壓。

這幾個模塊的設計，均可以用學生在前驅課程中所學知識和技能實現(xiàn)基本的Multisim 電路仿真，但是基礎仿真不足以構造電子產品。此時，教學中提出完成以上三個模塊設計為設計考核基礎目標，在學生小組完成基礎考核目標后，學生對手機充電器的設計有一定設計體驗，此時，給學生講解充電型電子產品的一些行業(yè)設計標準和設計安全，同時，運用現(xiàn)實中手機充電器和學生設計電路能實現(xiàn)功能做功能對比，引導學生確立產品轉化方向，在教學過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)小組學生首先會想到設計安全，并嘗試修改設計解決。學生通過問題分析和研究，提出利用LM7805 芯片輸出穩(wěn)定的5v電壓，也起到保護電路穩(wěn)壓作用，同時加入自動恢復短路保護實現(xiàn)更接近實物的穩(wěn)壓和電路保護效果。

在目的驅動上，選取此設計是團隊從設計實用性，設計可行性，設計難度、學科知識運用和作品轉化幾個維度分析的結果，此設計作為課程早期設計。以日常生活中手機使用為切入點，提出設計實現(xiàn)一款屬于自己的手機充電器為目標。引導學生查閱相關資料進入設計，學生在查閱相關資料后能很快發(fā)現(xiàn)各模塊電路，同時根據學習知識經驗愿意嘗試設計，覺得可以完成。團隊建設在以前簡單項目中已經完成。在團隊設計開始前，提出轉換精度、轉換效率和作品實物轉化三個測試指標。通過課程考核成績中的過程性考核評價進行考核。激勵學生設計。學生設計得到基本電路如圖2 所示。

圖2 手機充電器基礎實現(xiàn)仿真圖

設計出基礎電路后，引導學生發(fā)現(xiàn)作為應用型的充電器產品，此設計不能直接使用，因為缺少電路保護，在短路或過載的情況下，容易把手機等充電設備燒毀損壞。故在此電路的基礎上加上了一個保護電路完善設計。

通過以上引導，學生經過分析和查閱相關資料發(fā)現(xiàn)可以利用繼電器來實現(xiàn)電路斷開，來保護充電設備。繼電器簡單來看就是一種開關，是一種由電來驅動的開關，動力來源是內部帶線圈的電磁鐵，線圈通電，磁性吸合銜鐵，銜鐵與電磁鐵觸點使得開關導通；當線圈失電，磁鐵失去磁性，喪失吸力，由彈簧把銜鐵彈開，觸點斷開。

最終學生設計出的充電電路如圖3 所示。

圖3 手機充電器仿真圖

在正常情況，由兩個通路實現(xiàn)對負載的供電，（vcc 過可變電容對負載供電，vcc 過三極管發(fā)射極過R3 對負載供電），當短路或者過載時，三極管被擊穿，使得發(fā)射極-基極不能導通，電流從發(fā)射極流過集電極，使得線圈產生磁性，電容斷開，自此兩個通路斷開，負載失去供電。當短路或過載消除時，三極管發(fā)射極-基極繼續(xù)導通，可變電容接通，兩個通路繼續(xù)為負載供電。

在這里對學生設計報告進行過程性考核評價，但留下評價空間。同時引導并鼓勵學生購買配件，在學校實驗室中進行成品制作。最終，大部分學生都會嘗試成品制作，并有一部分學生能完成作品成品轉化，在轉化過程中，學生也會重新修正設計。

教學最終結果，如表1 所示。

表1 教學結果統(tǒng)計表

從教學結果統(tǒng)計表中可以看出，學生對基礎電路仿真完成度100%，說明學生通過鉆研和設計，可以在專業(yè)知識范圍內完成電子電路設計。在設計過程中引導學生和實際產品對比，找出不足，有大部分組的學生能將基礎設計向實際電子產品靠攏。最終一部分學生能完成成品制作。當然，在產品轉化過程中，研究團隊也發(fā)現(xiàn)，學生基礎的不足和獨立學院一部分學生所特有的解決問題態(tài)度和持之以恒精神的問題在產品轉化中產生很大障礙，并最終阻礙了30%的產品轉化，這個問題將會在團隊后續(xù)研究中嘗試解決。

在項目得到學校資金支持的情況下，從教學效果看，以目的驅動的EDA 教學可以有效調動學生主觀能動性，自主解決設計過程中的實際問題，學生學習積極性較高，相比于傳統(tǒng)教學方式，可以更好的提升學生電子產品的設計能力，提升就業(yè)競爭力。

3 結論

應用型本科，特別是獨立學院電子通信相關專業(yè)EDA 教學中，改變傳統(tǒng)驗證式EDA 教學為目的導向式教學，同時分組引入競爭機制，可以更好的發(fā)揮學生主觀能動性，對培養(yǎng)學生解決實際問題，形成合理的電子產品設計思路具有一定意義。