在線開源仿真軟件在“電路分析基礎”課程中的教學探討

李悅麗 謝曉霞 田瑞琦

摘 要：電路仿真軟件已廣泛應用于電子電路相關課程的課堂與實驗教學，但由于軟件版權、入門門檻和對電腦安裝資源的要求等因素，限制了其在課程教學中的應用。以CircuitJS1為首的在線開源仿真軟件，具有電路實例豐富、易于上手、演示便捷直觀等優點，故探討在“電路分析基礎”課程中采用這類軟件幫助學生建立概念、夯實基礎、提高教學成效的途徑。

關鍵詞：電路分析基礎;在線開源;電路仿真;CircuitJS1

中圖分類號：G64? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-9132（2022）15-0006-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.15.002

在線開放課程是信息技術與教育結合的一種重要形式，對高校課程教學改革及內涵式發展起到了重要的推動作用，以計算機語言教學為代表的在線程序教學推動了在線信息技術教學范式的發展[1]，也對其他工程學科的教學方式產生了深遠的影響。以EDA技術為例，該技術在教學、科研、產品設計與制造等各方面都發揮著巨大的作用，在教學方面，幾乎所有理工科（特別是電子信息）類的高校都開設了EDA教學課程。傳統的電子電路仿真軟件Pspice、Multisim以及Matlab等，不僅用于電路設計，也廣泛用于輔助課堂理論教學[2～4]。這些軟件歷史悠久、功能強大，但作為專業軟件，在安裝時需占用本地電腦的大量存儲空間，入門門檻較高，且存在版權約束。

近年來，在線電路仿真工具給課程教學和學生學習提供了一種新的資源，如Autodesk circuits、Partsim和EveryCircuit等軟件[5]。從軟件的開放性來看，CircuitJS1作為一種在線開源仿真軟件，具有明顯的優勢，該軟件具有電路實例豐富、易于上手、演示直觀的優點，非常適合教師在課堂上演示電路現象、闡述概念，也支持學生同步在手機、電腦上開展電路設計和仿真驗證。因此，特探討基于CircuitJS1在線開源仿真軟件開展“電路分析基礎”課程教學的途徑。

一、開展EDA軟件輔助教學的優勢

在電子專業基礎課教學中，除理論教學外，還把 EDA 技術引入課程的教學中，使得學生對當代工程設計及實踐過程有一定的了解，是當前課程教學改革中的普遍趨勢，由于技術進步和學科發展，很多理工科高校都在壓縮專業基礎課程的課堂教學時間，這對課堂教學的效率提出了更高的要求?！半娐贩治龌A”是電子信息相關專業的基礎課程，一般在大一開設，學生需要具備大學物理和高等數學等相關課程基礎，本門課程雖然具有理論性強的特點，但是相較于前序課程，還具有較強的工程特征，對理論分析能力和工程實踐能力都提出了高的要求。

二、EDA軟件輔助教學的現狀和存在的問題

由于電子類專業課程具有信息量大、知識點多、實踐性強的特點，采用EDA軟件進行輔助教學的重要性不言而喻，近年來很多研究都探索了在電子類課程中結合EDA技術開展教學的方法，但是教學實踐中仍存在一些問題，阻礙了EDA軟件輔助教學的發展。

1.針對課程開發的實例少，與教學內容結合不緊密。專業的EDA軟件主要是作為工程實踐工具使用的，因此很少針對課程內容開發專門的教學實例，教師進行教學必須親自開發仿真案例，雖然已有一些教師取得了大量成果，但是因缺乏暢通的分享渠道和激勵機制，絕大部分教師都需重頭開發自己的教學實例，大大降低了教師在理論課堂上采用EDA軟件進行輔助教學的積極性。

2.EDA軟件的運行平臺限制了學生參與課堂，降低了教學效率?，F有的專業EDA軟件都是在電腦上運行的，要求的存儲空間大，學生需預先安裝配置好軟件。教師如果要求學生攜帶電腦進入課堂進行仿真，往往會因為個人電腦系統差異和軟件配置不同造成的各種問題降低課堂效率，也影響了教學效果。因此目前基于EDA技術的課堂輔助教學，主要是以教師為中心，而很少以學生為中心。

3.用戶體驗感比較差，無法吸引學生自主開展實驗探究。在電子信息學科，常用的專業EDA軟件有Multisim、Matlab等，這些軟件的學習需要具備一定的基礎，也需要花費較長的時間入門，對電路現象的展現更多地通過虛擬儀器實現。盡管專業EDA軟件具有強大的功能，但是學生課堂需要使用的部分往往非常淺顯，復雜的軟件界面和平庸的可視化效果使得學生受到挫折后很容易放棄。

三、基于CircuitJS1軟件實施教學的方法

CircuitJS1電路仿真實驗室是一種基于HTML5（HyperText Markup Language 5）的網頁版電路仿真軟件，無須下載或在本地安裝軟件包，通過訪問頁面可以在線進行電路仿真，與傳統的HTML技術相比，HTML5的語法特征更加明顯，并且結合了SVG的內容，能夠適配多種平臺，還可以很方便地進行交互動畫設計。CircuitJS1軟件最早是由美國學者Paul Falstad開發，是一個基于Java語言編寫的小應用程序，可以直接嵌入在網頁中，后來Iain Sharp基于GWT（Google Web Toolkit）對軟件進行了改寫，使得該程序可以在瀏覽器上直接運行，整個軟件項目在Github上開源，一直處于迭代更新中，目前在Gitee上也分享了該軟件的開源代碼供下載，利用該軟件可以直接在網頁上進行仿真或進行教學，軟件是完全免費的。該軟件與常規仿真軟件一樣可以在頁面上搭建電路，但是對電流和電壓波形的可視化效果比大多數軟件都好。目前，除常規電路分析所需的基本元件，該軟件還提供了典型的模擬器件和數字器件，以及大量電路實例。國內有公眾號上也建立了這個開源軟件的鏡像鏈接，并將其部分界面漢化。因此，用戶既可以通過手機微信的公眾號直接訪問電路仿真界面，選擇實例電路的仿真實驗，運行后觀察波形，也可以通過電腦登錄網址鏈接，自行搭建電路，開展電路設計仿真實驗。

該軟件的一個可使用網址https：//www.eetree.cn/war/circuitjs.html？lang=cn。https：//www.eetree.cn/war/circuitjs.html？lang=cn。登錄界面后，軟件菜單欄包括6個子菜單，分別提供文件處理、編輯操作、電路繪制、波形框設置、顯示選項設置和典型電路仿真實例。其中“繪制”菜單提供了導線、無源器件、有源器件、獨立源、邏輯門、數字芯片以及數?；旌闲酒?0類元器件模型;“電路仿真”菜單則提供了基本電路、A/C電路、無源濾波器、其他無源電路、二極管、運算放大器、晶體管、MOS管、555定時器、有源濾波器、邏輯門系列、組合邏輯、時序邏輯、模擬/數字，鎖相環PLL，傳輸線、其他器件等17類電路仿真實例，基本覆蓋了電路分析、模擬電路、數字電路以及高頻小信號放大電路等課程的教學內容。軟件界面正中為圖形窗口，提供電路繪制功能，界面右側為復位、運行/停止功能鍵，并提供用于控制電路仿真的速度、導線中電流速度的滑動控件，可以調整電路仿真的時序間隔以及導線中電流的速度，且軟件采用粒子流的方式直觀展示了頻率變化對電流速度的影響。界面下方為示波器區域，用于觀察感興趣元件上的電壓、電流、瞬時功率的波形和頻譜等。

下面介紹在課程中結合該軟件開展教學的三種途徑。

首先，教師可充分利用該軟件提供的豐富的電路實例開展課堂教學。與Multisim等專業仿真軟件相比，在課堂教學中結合CircuitJS1開源軟件的電路實例開展基本概念教學更為靈活便捷。以“電路分析基礎”課程為例，軟件提供了電源、電阻并聯、串聯、三角形—星形連接，單口網絡、戴維南等效電路等基本電路結構的仿真實例。在課堂上，結合軟件開展仿真實驗的方法包括如下方面。

1.在預習階段，首先讓學生通過簡單的實例觀察物理現象，熟悉電流、電壓波形，初步了解基本電路結構和功能，厘清一些概念，例如電路中“直流偏置”的概念，許多學生未看到現象時很難理解，但是在電路仿真中，采用一個直流一個交流源在負載上形成激勵，可以直接看到這一現象，并進一步強化對疊加定理的認知，幫助學生為未來模電課程學習建立靜態工作點概念。

2.在課堂教學中，教師在上課前讓學生在個人手機、電腦上直接打開電路實例，觀察仿真結果，設置導入問題，啟發學生思考波形背后的物理概念。以正弦電路的瞬態響應為例，這部分如果直接用解方程的方法分析，則由于電路在上電過程中發生響應過程比較復雜，所需課堂講解時間很多，但這部分并非教學重點，課堂上往往一帶而過，如果能結合電路仿真對現象進行演示則很容易將上電過程講明白，也無須太多時間。

3.在概念講授后，直接演示對應仿真電路的電壓、電流波形，幫助學生實現物理現象與理論分析的無縫銜接。由于在線軟件開啟方便、實例豐富、演示快捷，在備課和課堂教學中都不會占用教師過多的時間，能夠提高課堂知識傳授的效率。

其次，開源在線仿真軟件也能較好地支持學生開展課后學習，夯實基礎。教學實施方法是：布置電路練習，要求學生在課后練習中將理論分析與仿真驗證結合起來提交實驗報告，尤其是對于暫態分析等難度較大的學習內容，理論與仿真的結合有助于學生深入理解概念。如對于一階RC電路在脈沖串激勵下過渡過程和穩態的分析，理論上通常通過三要素法劃分子區間分段分析，計算麻煩，這一部分學生往往感覺不好理解。在仿真作業中，要求學生完成兩種電路仿真和結果對比：一種是脈沖串半周期T遠大于一階電路的時間常數的情況，另一種是T小于或等于電路時間常數的情況。通過仿真作業，學生能夠更加快速、直觀地了解充電過程，理解電路如何從最初“充得多放得少”的暫態過程到“充多少放多少”的穩態過程[6]，再結合理論分析往往能達到事半功倍的效果。

再次，教師還可以將開源軟件作為EDA應用能力培養的入門工具。EDA軟件的自學能力需要逐步鍛煉，大一學生的計算機水平參差不齊問題比較嚴重?？紤]到Multisim和Cadence等仿真軟件盡管功能強大，但其界面非常復雜，安裝和學習需要時間，教師將CircuitJS1作為一種入門軟件引導學生開展仿真電路設計也是一種不錯的選擇。利用該軟件與其他專業EDA工具的布線、元件設置放置和仿真功能有相通之處，學生能夠快速熟悉EDA工具中電路搭建、仿真驗證和元器件參數調整、交直流信號分析的基本方法，為后續專業軟件的學習打下基礎。

四、教學應用情況

2020年春季學期，由于疫情的影響，我?！半娐贩治龌A”課程需要采用線上教學方式，作為電子信息類專業學員的入門理論基礎課程，課程重要性不言而喻。因此，我們探索了基于開源軟件進行線上仿真的教學模式，因其直觀漂亮的電路波形演示效果，受到學生的歡迎，也取得了良好的教學成效，經過兩個學年的教學應用，結合該軟件開展課程教學的方法逐步發展成熟，我們配合課程的開設篩選并編寫了一系列仿真程序，目前在中國大學MOOC上線的“電路分析基礎”慕課課程中，也應用CircuitJS1軟件同步開展了仿真實驗教學，在“電路分析基礎”課程中使用在線開源的EDA工具教學不僅有利于本門課程的學習，還有利于學生在后續的模擬和數字電路的課程學習中學習專業的EDA工具。但是，應注意目前在線開源仿真軟件所提供的元器件模型多為理想模型，與Multisim和Pspice等專業軟件提供的實際元件模型是不同的，因此，它不能完全替代基于實際電路元件模型開展仿真設計的專業軟件。

在線開源仿真軟件是一種新形態的仿真教學工具，尤其是采用HTML5設計開發的在線仿真軟件，移植到微信等社交平臺上后，使用便捷度大幅提高，能夠滿足學生隨時隨地開展實驗的要求，教師探索使用這類軟件資源開展課程教學的方式對提高課堂效率和教學效果都有裨益。過去，對“電路分析基礎”等基礎課程的教學更重視理論和實際實驗教學，為順應我國集成電路產業發展的需要，適應電子信息類課程改革的要求，有必要推動EDA軟件的使用和開發教學，而在線開源仿真軟件可以作為一個突破口，幫助學生夯實基本概念，逐步培養計算機輔助電路設計意識。

參考文獻：

[1] 嵩天.以在線開放課程為引領的大學課程改革新模式[J].中國大學教學，2019（11）：13.

[2] 杜海龍，段照斌，李靜昭.基于PSpice的機載10S延時電路仿真教學研究[J].電氣電子教學學報，2021（2）：83.

[3] 衛延.“電磁場與電磁波”課程可視化方法研究[J].電氣電子教學學報，2021（1）：51.

[4] 俎云霄，李巍海，張軼.應用Multisim進行無源RC電路的時頻分析[J].電氣電子教學學報，2010（5）：70.

[5] 劉金輝，孫小飛，彭方成，等.手機電路仿真App的負反饋放大電路教學應用[J].教育教學論壇，2020（52）：260.

[6] 李瀚蓀，吳錫龍.電路分析基礎學習指導（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2018.

作者簡介：李悅麗（1973.1— ），女，漢族，湖南瀏陽人，教授，研究方向：電路與雷達信號處理。

謝曉霞（1974.8— ），女，漢族，湖南岳陽人，教授，研究方向：電路與隨機信號分析。

田瑞琦（1990.1— ），女，漢族，湖南常德人，講師，研究方向：電路與隨機信號分析。

基金項目：本文系國防科技大學教育教學改革課題《面向電路素養塑造的一體化貫通式電子電路系列課程重構與優化》（項目編號：U2020007）以及《任職培訓虛擬實踐教學模式的探索——以雷達課程為例》（項目編號：U2019017）階段性成果之一。