工程教育專業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”專業的畢業要求通用標準第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節，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，為后續專業課程、大學生科技創新活動、學科競賽等環節打下堅實的基礎。

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，也是高校進一步發展的契機。我校測控技術與儀器專業已于2014年通過普通高等學校工程教育認證，為專業和學科的建設和發展贏得了新的機遇。工程教育認證通用標準中對畢業要求有明確定義，本專業認證過程中對畢業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、計算機類等專業都需要掌握的重要課程，教學內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，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是一款專業的計算機仿真軟件，數據模型豐富，運算能力強大，仿真結果穩定，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高校普遍使用的、性能穩定的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功能整合在一起，具有將設計方案從概念轉變為最終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，在國內流行最早、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。考核內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，實驗報告的內容應包括實驗目的、實驗內容、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。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。考試題目類型為綜合型大題，考查軟件操作、模擬/數字電路分析與仿真、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容;第二大題是Multisim數字電路操作題，考察軟件Multisim的使用情況，包括數字電路的元器件、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板繪制的基本規則和方法等，例如：計數顯示電路原理圖繪制、PCB圖繪制、PCB板參數設置等內容。

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%，多數學生成績優良。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）、畢業設計、電子設計競賽、大學生創新科技活動等環節。隨著工程教育專業的建設與發展，對于各門專業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軟件在電子產品研發中的應用[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：電子工業出版社，2012.endprint