電子設計競賽視角下“電子線路板設計與制作”課程改革實踐與研究

施紀紅

摘 ? 要：文章通過對電子設計競賽對高職學生電子線路板設計能力培養要求的剖析，找到傳統教學與競賽要求的差距，指出應從電子設計競賽的視角對“電子線路板設計與制作”課程進行改革和實踐。文章提出了依托慕課平臺的項目化教學法，以達到“以賽促教、以教促賽”的目的，進而提高學生的工程實踐能力與創新能力。

關鍵詞：電子設計競賽;電子線路板設計與制作;慕課;項目化教學法

各類電子設計競賽不僅能激發學生的興趣和潛能、提高學生的創新和實踐能力、培養學生的團隊協作意識，還可以幫助學生更好地將理論和實踐相結合，從而提高學生的職業技能和職業素質。電子設計競賽不僅能夠考察學生理論知識學習的效果，更能檢驗學生對電子產品的實際制作能力。開展電子設計競賽，能夠實現高職學生從課堂學習到課外實踐、從理論知識到動手實踐的跨越[1]。

通過對10年來電子設計競賽題目的分析，筆者發現競賽主要涉及以下3大部分：模擬與數字電路分析，控制器編程、電子圖的繪制以及印刷線路板（Printed Circuit Board，PCB）的設計。將PCB設計作為競賽的重要組成部分，是由PCB設計在企業電子產品設計中的重要地位決定的。

近年來，全國及江蘇省高職電子設計競賽的題目均由高校、行業和企業的專家團集體研討而來，具有較強的實用性和較高的前瞻性。依托對電子設計競賽的要求分析，對“電子線路板設計與制作”課程進行教學改革是一個非常好的著手點。本文從電子設計競賽視角對“電子線路板設計與制作”教學進行改革，期望達到“以賽促教、以教促賽”的目的，從而提高學生的工程實踐能力與創新能力[2]。

1 ? ?競賽與課堂教學的差距

通過對電子設計競賽PCB部分的得分情況及和參賽同學的溝通分析，發現傳統教學主要有以下問題：（1）繪圖制版軟件和企業使用軟件存在差距。（2）繪圖速度達不到競賽的要求。（3）搜索、閱讀能力不足，導致無法正確應用元器件。（4）實戰經驗不足，紙上談兵，設計的PCB無法正常工作。

2 ? ?改革與實踐

2.1 ?更新實驗設備及軟件，縮小和企業之間的軟硬件差距

電子設計競賽緊跟企業最新設計要求，使用當前最新的軟件。學校只有緊跟企業標準、更換軟件，才能保證學生畢業后實現零距離就業。本團隊在2009年淘汰了PROTEL軟件，開始講授“Altium Designer Summe 09”軟件，在2017年更新了計算機配置，將該軟件的版本提高到了15版，滿足了學生競賽和就業的需求。

2.2 ?分層教學

利用慕課平臺和課后時間加大練習力度，提高繪圖速度。傳統教學是教師上課時通過廣播系統控制學生的電腦演示軟件的操作，由于學生學習能力不一致，項目完成時間也不一致。有的學生閱讀能力強，對照教程就可完成任務;有的學生在老師演示一遍后也能掌握相應的操作要點;但還有小部分學生由于記憶力、理解力和注意力的欠缺，同樣看完一次演示后，不是錯誤不斷，就是干脆無法下手。于是老師上課時需要單獨輔導或者有選擇地演示多次，導致課堂效率不高，課程內容只能偏重基礎的軟件操作。

為了提高教學效率和學生的繪圖速度，本項目在兩方面進行了改革：（1）利用超星慕課平臺，針對每個知識點上傳軟件操作的小視頻。學生可以根據自己的學習情況，提前學、選擇性學、重復學。慕課平臺的使用實現了個性化教學，上課時老師只需要解決難點和重點，提高了上課的效率。（2）將每次課程的教學任務分成課前預習任務、課上練習任務和課后拓展任務3個部分。預習和練習任務是全部同學都要完成的，拓展任務是提供給學有余力和希望有更大發展的同學的。這種模式幫助學生根據自己的能力和發展方向確定自己的學習目標，變被動學習為主動學習。

2.3 ?對課程進行項目化教學改革

借鑒競賽培訓的經驗，分析競賽試題，對課程進行項目化教學改革，培養學生的實踐創新能力。在PCB設計中，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。這些知識點在傳統教學中，老師會將它們揉碎細化，然后手把手地交給學生。學生是老師讓怎么畫就怎么畫、讓怎么裝就怎么裝，只要按部就班地模仿，不需要獨立地思考，學生對芯片的選擇、安裝工藝基本不關心，導致學生不會閱讀元器件及電路說明書，如果遇到未見過的元器件，就不懂管腳關系、不會接線、不會制作封裝，最終設計的PCB板不能使用。針對這些問題，對歷年的競賽題目進行分析、提煉，設計成適合高職學生學習能力的項目化教學任務。在教學中，老師不直接提供結論，而是提供相應的項目背景、電路資料、芯片說明書等，培養學生閱讀資料，獲取信息的能力。學生自己去分析器件的結構圖、電氣功能、安裝工藝，最終設計合理的封裝。在部分擴展項目中，老師只提供資料搜索的方法和線索，具體項目的實現均由學生自己完成。

本課程主要內容包括原理圖繪制、PCB設計和線路板制作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單、復雜和層次電路原理圖繪制3個層次，PCB設計主要包含單面、雙面和多層PCB板設計3個層次，電路板制作主要包括手工制版和外包企業制版兩種。根據從簡單到復雜、從單一到綜合的學習認知規律，將學習項目分為模塊項目和綜合項目兩大類。前期模塊項目，學生繪制簡單電路圖，設計單面PCB板，手工制版。后期綜合項目繪制復雜電路圖，設計雙面板，外發制版[3]。

模塊項目是將競賽的一個完整項目，根據功能劃分成輸入、輸出、電源、控制等模塊。每個模塊制作完成后也可以組合成一個綜合項目。模塊項目和綜合項目的教學過程基本一致，都是繪圖、設計、制版。項目的難度和復雜性不一樣，綜合項目比模塊項目的電路復雜度、制版要求均有逐步提升。通過一個個項目的完成，學生的工程實踐能力與創新能力不斷得到提升。

2.4 ?通過PCB實物分析和PCB制作，提高學生的實戰能力

近年的電子設計競賽利用了快速制版技術，能夠將學生在競賽中設計的線路板在設計完成后4個小時內直接成板，通過實物檢驗設計的良好性，不僅要求學生具備熟練的PCB設計能力，更要具備豐富的PCB設計經驗。在傳統教學中，由于受到課時限制、學生學習能力參差不齊的影響，教學重點一般放在原理圖繪制上，而對PCB設計規則的講解時間不足。同時由于耗材經費的限制，大部分的PCB設計并不進行實物制版，導致學生對元器件實物封裝的匹配度、對安裝器件后的實際電路使用效果不重視。學生認為是模擬設計，設計態度不認真，導致學生在大賽中設計出來的PCB版無法使用。

本項目進行了兩種改革方案：（1）收集錯誤案例，將設計規則形象化。去合作企業、電子社團、電子課題項目組收集設計有缺陷的線路板實物，同時也在網站、BBS論壇收集PCB設計的錯誤案例圖片。上課的時候通過實物電路故障分析、錯誤設計圖片論壇分析，解讀PCB設計規范，加深學生對規則的理解，豐富學生的設計經驗。（2）參照競賽命題，購買實物元器件。對每個教學項目選出一定數量的PCB設計文件進行制版、安裝，檢驗學生的設計效果，端正學生的設計態度。在整個教學過程中，盡力將電子產品制造工藝要求貫穿整個設計，以此加深學生對PCB設計的實用性和可制造性的理解[4]。通過引導，學生開始了解電子產品制造工藝特點和電子產品組裝技術，關注知名企業的PCB設計規范，學生的制版成功率、工程實踐能力有了極大的提高。

3 ? ?結語

基于電子競賽的“電子線路板設計與制作”課程改革實現了以下兩大轉變：變以培養軟件操作能力為中心，為以培養學生工程設計能力為中心;變以教師教為中心，為以學生學為中心。該項目教學法的推進，對培養學生工程應用實踐能力與創新能力具有重要的現實和指導意義。

[參考文獻]

[1]陽明霞.電子設計競賽推進高職學生創新能力的培養[J].教育教學論壇，2019（6）：264.

[2]吳和靜，田崇瑞.電子設計競賽視角下“模擬電子技術”課程教學改革與實踐[J].電子測試，2019（8）：129-130.

[3]黃權.高職《電子線路板設計與制作》課程學習項目的設計[J].科技視界，2016（2）：218.

[4]彭遠芳，張靜.電子線路板設計實訓課程教學改革實踐[J].教育現代化，2016（4）：10-11.

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