EDA在電氣控制類專業(yè)實驗實踐教學中的應用

解兆延 潘為剛 李小偉 劉廣敏 王雪娟

摘要：電氣控制類專業(yè)課程體系中包含課程實驗和實踐課程等大量的實踐性內(nèi)容，對培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力起著關(guān)鍵性作用。本文將嘉立創(chuàng)EDA軟件引入實驗實踐教學環(huán)節(jié)，以“電路原理”和“電子工藝實習”兩門課程為例，展現(xiàn)了EDA軟件在實驗實踐教學中的應用流程。通過EDA軟件讓學生理解了電路仿真、原理圖繪制、PCB設計廈工藝和焊接調(diào)試等內(nèi)容。該軟件的應用切實增進了學生對電子產(chǎn)品設計及制造過程的理解，在實際教學中得到了較好的實踐反饋。

關(guān)鍵詞：嘉立創(chuàng)EDA；EDA技術(shù)；實踐實驗教學

EDA工具是電子設計自動化（ElectroIuc Deswl Automation）的簡稱，EDA技術(shù)是電子設計自動化技術(shù)，將計算機作為重要的工作平臺，發(fā)揮硬件描述語言的作用，針對系統(tǒng)邏輯進行全面細致的描述和說明，并通過一系列的程序，更好地完成編程下載等工作。EDA技術(shù)是現(xiàn)代科學技術(shù)不斷更新和優(yōu)化的重要產(chǎn)物，其中，主要是電路設計、系統(tǒng)仿真與系統(tǒng)分析這三個部分的內(nèi)容能夠充分有效推進電子信息專業(yè)教學活動的順利開展，全面提升整體的教學水平。

新工科背景下，國家對I科電氣控制類專業(yè)提出了更高的要求，尤其是更加重視實驗和實踐教學。電氣控制類專業(yè)涉及較多方面的教學內(nèi)容，同時需要采用較多的教具，將EDA技術(shù)積極應用在該項課程教學活動中，能夠起到良好的效果。首先，EDA技術(shù)的應用多是采用了計算機這種教具，推進電路的設計和演示活動順利開展，不需要購買更多的演示教具，促進教學成本得到良好的節(jié)約，節(jié)省了較多教學資源；其次，EDA技術(shù)充分發(fā)揮了現(xiàn)代教學優(yōu)勢，能夠以更為直觀和形象的教學手段展現(xiàn)出豐富的教學內(nèi)容，這在激發(fā)學生學習興趣方面發(fā)揮著積極作用。在教學過程中，通過引入EDA技術(shù)，一方面學生可以在直觀性的學習過程中，更為全面細致地觀察到專業(yè)知識和內(nèi)容；另一方面教師通過EDA技術(shù)，可以更為科學合理地設計教學內(nèi)容，提升教學活動的趣味性，吸引學生的主動性。因此，在教學過程中，教師將EDA技術(shù)應用到專業(yè)課程教學中，對提高學生學習的積極性和提升教學質(zhì)量有很好的效果。

1 嘉立創(chuàng)EDA簡介

嘉立創(chuàng)EDA是一款基于瀏覽器的EDA設計工具，用戶使用時無需安裝，直接通過瀏覽器就可以使用，同時也提供了桌面客戶端供用戶安裝使用，支持Windows、Linux和Mac三大主流操作系統(tǒng)。同時，該EDA軟件擁有超過100多萬在線免費元件庫，并實時更新，可在設計過程中檢查元器件庫存、價格和立即下單購買，縮短設計周期。

嘉立創(chuàng)EDA軟件目前有兩個版本，分別為EDA專業(yè)版和EDA標準版。標準版面向?qū)W生、教育功能和使用上更簡單；專業(yè)版面向企業(yè)、團隊，功能更加強大，約束性也更高。下面將從實驗教學和實踐教學兩個方面，詳細介紹EDA軟件的標準版在電氣控制類專業(yè)實驗實踐教學中的應用。

2 實驗教學應用探究

該EDA軟件標準版在仿真模式下，具有電路仿真功能，方便用戶對實驗電路的驗證和調(diào)試。實驗教學方面，以“電路原理”課程“基爾霍夫定律驗證性實驗”為例，首先制訂了一套“理論分析－電路仿真－實驗驗證”式的實驗指導方案，將嘉立創(chuàng)EDA標準版軟件的仿真功能有機地融合到課程實驗教學中，具體實施過程如圖1所示。

本實驗以兩節(jié)課170分鐘時長為例，包括課堂部分85分鐘和課下部分85分鐘，涵蓋基爾霍夫定律驗證的理論分析、電路仿真和實驗驗證三部分內(nèi)容，按照課前預習、課中驗證、課后總結(jié)的實施路徑開展教學。

2.1課前預習環(huán)節(jié)

課前，教師通過雨課堂發(fā)布相關(guān)實驗電路的預習任務，要求學生利用所學知識對電路進行理論分析。學生在實驗前利用所學電路知識和分析方法，對實驗電路進行理論計算。

2.2課堂教學環(huán)節(jié)

2.2.1知識回顧

回顧基爾霍夫定律的主要內(nèi)容。通過雨課堂隨機點名，讓學生對課前預習任務的電路分析結(jié)果進行基爾霍夫定律驗證，小組討論、分析電路的分析結(jié)果是否正確，

2.2.2電路仿真

教師布置基爾霍夫電壓定律驗證電路仿真實驗任務。學生利用EDA軟件搭建仿真電路，完成仿真實驗。教師引導學生進行理論計算數(shù)據(jù)和電路仿真數(shù)據(jù)的對照分析，進一步驗證理論計算是否正確。同時在教學過程中結(jié)合EDA仿真實驗內(nèi)容，補充我國EDA軟件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，適時引入思政元素，激勵青年學生科技報國，肩負起發(fā)展和振興技術(shù)產(chǎn)業(yè)重任。

2.2.3實驗驗證

教師布置基爾霍夫電壓定律驗證實驗任務。學生使用電路原理實驗箱的基爾霍夫定律功能模塊，完成基爾霍夫定律的驗證，并記錄實驗結(jié)果。通過幫助實驗存在問題的學生分析實驗結(jié)果不理想的原因，培養(yǎng)了學生的自主探究能力、動手能力、思考分析問題能力、創(chuàng)新能力及團隊合作能力，同時培養(yǎng)學生實事求是、客觀、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

2.2.4分組討論

教師引導學生對理論計算、電路仿真和電路實驗的數(shù)據(jù)進行分析，思考數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的原因。通過該部分實驗課程，讓學生對比理論計算、電路仿真和實物驗證實驗結(jié)果，對誤差原因進行分析，引導學生在今后的學習過程中要理論聯(lián)系實際，養(yǎng)成知行合一的習慣。

2.2.5總結(jié)歸納

教師進行答疑，幫助學生分析、總結(jié)、歸納實驗結(jié)果。學生整理實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。

2.3小結(jié)

近三年，在線下的課內(nèi)實驗實施過程中，教師通過引入國產(chǎn)EDA仿真軟件，替代原有國外的電路仿真軟件作為線下實驗電路仿真環(huán)節(jié)的軟件工具，潛移默化地引導學生接受并習慣和喜歡去使用國產(chǎn)軟件。

此外，在線上線下結(jié)合的授課過程中，也可以將EDA軟件的云端共享工段引入日常的教學中，利用軟件的在線仿真和網(wǎng)絡共享功能，通過線上的形式較好完成了授課過程中在線仿真實驗的開展，取得了良好的效果。

3 實踐教學應用探究

本環(huán)節(jié)以“電子工藝實習”課程為例，詳細介紹了應用該EDA軟件的教育版開展教學實施的情況。與以往的電子工藝實習實施過程不同，本次實習采用電子設計制作全流程融入教學的方式開展具體的實施過程，如圖4所示。同時在教學過程中，通過該EDA軟件的教育版的引入，充分發(fā)揮該軟件教育版針對教學的一些功能，簡化整個實習過程中的任務下達、團隊管理與成果驗收等流程。

3.1原理圖設計

以“音樂律動LED”項目為例，整個項目設計難度逐漸增加，學生完成從模仿到創(chuàng)新的整個設計過程。首先，學生根據(jù)教師發(fā)布的參考圖紙，將原理圖所需元器件通過原理圖庫查找，調(diào)取相應元器件符號后放置于圖紙中；其次，學生通過編輯元器件符號名稱、編號和元件的PCB封裝，放置完成后，再將元件通過導線和網(wǎng)絡標簽完成連接；最后，對設計電路進行ERC校驗，完成作品原理圖的繪制。設計完成后的原理圖如圖5所示。

3.2PCB設計

項目原理圖繪制完成之后，選擇“菜單欄－設計－PCB”將原理圖中的元器件按照選定的封裝導入PCB圖紙，然后設定好項目PCB的尺寸，再設置PCB走線寬度、元器件安全間距和過孔內(nèi)外徑尺寸等設計規(guī)則。設置完成后，按照元件的電氣連接關(guān)系，進行PCB的繪制。設計完成的PCB如圖6所示。

3.3PCB制作

通過嘉立創(chuàng)下單助手，制作PCB樣板。PCB樣板具體參數(shù)如右表所示，下單參數(shù)選擇如圖7所示。

3.4焊接調(diào)試

在PCB制作完成后，學生在教師指導下根據(jù)電路原理圖、PCB圖裝配圖導出材料清單表，采購對應的元器件，然后在學校實訓場地將元件有序地安裝、焊接到PCB板上，教師在學生調(diào)試焊接調(diào)試過程中給予充分指導，引導學生積極思考，解決在調(diào)試過程中遇到的各種問題。

最終，所有學生都會完成原理圖和PCB的設計工作，并將PCB制作出來。在后續(xù)的焊接調(diào)試過程中，90%以上的學生能夠完成作品成品調(diào)試工作。同時，在項目調(diào)試過程中，學生也會針對出現(xiàn)的問題重新修正設計，最終完成項目整個過程。

3.5應用小結(jié)

本節(jié)將EDA軟件教育版本引入電氣控制類的實踐教學環(huán)節(jié)，旨在提升實訓效率和質(zhì)量，通過電路設計和實物制作讓學生們能從實訓項目中體會理論與實際的結(jié)合，提升學生的動手能力、設計能力及工程能力。整個EDA軟件將元器件選型、PCB生產(chǎn)制造、SMT焊接有機結(jié)合起來，使得項目的需求、設計、采購、生產(chǎn)制造和焊接設計流程有效銜接，讓學生從單一的電路板設計逐漸向完整的產(chǎn)品設計、生產(chǎn)制造流程體系進階，從而提高學生工程能力和實踐水平。

4 思政元素

在課程實驗和實踐教學過程中，教學團隊重點介紹了EDA行業(yè)背景知識，通過對比幾款主流的EDA電路仿真軟件的優(yōu)缺點，使學生清醒認識到我國與其他國家在EDA電路仿真和設計軟件方面的技術(shù)差距和國產(chǎn)化的替代難度，激發(fā)學生科技創(chuàng)新的決心；通過講述國內(nèi)EDA設計軟件開發(fā)團隊的拼搏奮斗史，教育學生要“敢闖敢干”，把小我融入大我，將個人發(fā)展與國家命運相結(jié)合，在傳授知識的同時激發(fā)學生家國情懷，牢記科技報國和交通強國的使命擔當。

結(jié)語

新工科背景下，通過引入國產(chǎn)EDA軟件——嘉立創(chuàng)EDA，采用新方法、新理念融人課程的實驗實踐教學，將EDA工具和實驗實踐教學相結(jié)合，不斷嘗試提升整體學生實踐水平和動手能力，更好地發(fā)揮學生主觀能動性，對培養(yǎng)學生解決實際問題、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、提高創(chuàng)新能力、形成科學合理的產(chǎn)品設計思路和理念具有一定實際意義。

作者簡介：解兆延（1981-），男，碩士，副教授，研究方向：電路原理、EDA電路設計、單片機技術(shù)廈其應用。