為什么要將EDA引入電子技術(shù)課程教學(xué)?

EDA即電子設(shè)計(jì)自動化，是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它為電子設(shè)計(jì)工作者提供了電路系統(tǒng)的一種全新的設(shè)計(jì)方法。掌握EDA技術(shù)是電子類高校學(xué)生就業(yè)的一個(gè)基本條件。從1999年開始，我們將EDA（主要是EWB、Multisim、Protel等具有虛擬實(shí)驗(yàn)功能的軟件）應(yīng)用于《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（含模擬電路和數(shù)字電路）課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)，取得了良好效果。

1 引入EDA的必要性與可行性

1.1 將EDA引入電子技術(shù)課程教學(xué)的必要性

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是電子類專業(yè)的主干課程，該課程教學(xué)效果的好壞直接影響到后讀課程的教學(xué)。同時(shí)，該課程既有很強(qiáng)的理論性，也有很強(qiáng)的實(shí)踐性，要學(xué)好這門課程，特別是模擬電子技術(shù)，不是一件容易的事情。只有有了好的教學(xué)方法、教學(xué)手段，配合一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)（含課堂教學(xué)中的演示實(shí)驗(yàn)）和實(shí)踐環(huán)節(jié)，才能使學(xué)生領(lǐng)會、理解、掌握課程內(nèi)容，做到融會貫通、學(xué)以致用，收到好的教學(xué)效果。然而在電子技術(shù)課程的教學(xué)中，過去一直存在著教學(xué)手段單一、教學(xué)方法呆板、實(shí)驗(yàn)資源不足等問題，致使教學(xué)效果不盡人意。經(jīng)過幾年的探索與實(shí)踐，我們認(rèn)識到將EDA引入電子技術(shù)課程教學(xué)中去，是解決上述問題行之有效的方法。

1.2 將EDA引入電子技術(shù)課程教學(xué)的可行性

其一，近年來高等學(xué)校教學(xué)條件普遍改善，課堂教學(xué)中已普遍采用多媒體授課，具備了使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的硬件條件。在課堂教學(xué)中，教師可以應(yīng)用EDA軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)演示，解決了過去電子技術(shù)課程演示實(shí)驗(yàn)難的問題。教學(xué)過程中涉及具體電路時(shí)，都可以使用軟件中的虛擬儀器（如萬用表、示波器、波特圖儀、數(shù)碼顯示器），利用多媒體同步演示、方便直觀、可大大提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

其二，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子類專業(yè)多種實(shí)驗(yàn)室已配備了微機(jī)，具備了開設(shè)EDA仿真實(shí)驗(yàn)的硬件條件。就我校而言，電子信息類專業(yè)中已有微機(jī)原理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、EDA技術(shù)、數(shù)字信號處理、單片機(jī)等眾多實(shí)驗(yàn)室配備了微機(jī)。只要在這些微機(jī)上裝上EWB、Multisim、Protel等EDA軟件，就可以進(jìn)行電子線路的設(shè)計(jì)與仿真了。

其三，隨著微機(jī)的普及，較多學(xué)生已擁有了個(gè)人電腦。如果裝上EWB、Multisim、Protel等軟件，就相當(dāng)于擁有了個(gè)人的“多功能電子實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生課后可通過虛擬實(shí)驗(yàn)方便地驗(yàn)證課堂上所學(xué)的理論知識！還可以隨時(shí)進(jìn)行其他設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

2 EDA在電子技術(shù)課程課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

2.1 將EDA引入課堂，進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，提高課堂教學(xué)效果

過去理論課和實(shí)驗(yàn)課存在脫節(jié)的現(xiàn)象。理論課教學(xué)，都是一些枯燥的原理分析、公式推導(dǎo)、教學(xué)中學(xué)生難于理解。為了提高教學(xué)效果，需要演示實(shí)驗(yàn)配合。但這樣做，一是準(zhǔn)備演示實(shí)驗(yàn)，需專門制作示教板，要花費(fèi)較多時(shí)間；二是需將多種儀器搬到教室，使用不便；三是演示操作過程，占用過多時(shí)間，影響教學(xué)進(jìn)度。故實(shí)際教學(xué)中，基本無教師采用，只能是純粹的理論講解。顯然，這種教學(xué)方法，效果不會很好。

現(xiàn)在我們將EWB，Pspice等電路設(shè)計(jì)與仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)功能引進(jìn)課堂，更新了教學(xué)手段，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方法。在分析電路時(shí)，教師可以根據(jù)需要使用軟件中的虛擬儀器，利用多媒體同步演示，顯示“實(shí)驗(yàn)”結(jié)果，使一些抽象的概念形象化、直觀化、如在模擬電路中講授負(fù)反饋對電路性能的影響時(shí)，我們選取射極偏置電路，設(shè)置發(fā)射極電阻上有、無旁路電容兩種情況，對比講解交流負(fù)反饋對放大倍數(shù)與失真的影響，用示波器和波特圖儀顯示波形失真與放大倍數(shù)的變化情況，操作十分簡單，而結(jié)果卻非常直觀。又如在數(shù)字電路中講授用上升沿D觸發(fā)器設(shè)計(jì)三位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器時(shí)，從理論分析可知：將后級觸發(fā)器時(shí)鐘端與前級觸發(fā)器Q端相連，構(gòu)成減法計(jì)數(shù)器；而將后級時(shí)鐘端改為與前級Q非端相連，電路則變?yōu)榧臃ㄓ?jì)數(shù)器。理論分析之后，我們從課件中調(diào)出用EWB軟件連接的電路并用譯碼顯示器驗(yàn)證兩種不同計(jì)數(shù)情況，結(jié)果一目了然。像這樣把“實(shí)驗(yàn)”搬進(jìn)課堂，教學(xué)模式生動活潑，學(xué)生自始至終保持著極高的學(xué)習(xí)興趣，加深了理解和記憶，有效地提高了課堂教學(xué)效果。

2.2 開設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

電子技術(shù)課是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，理論學(xué)習(xí)必須緊密地與實(shí)踐結(jié)合起來。以往，實(shí)踐環(huán)節(jié)主要是上實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)較少。就驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而言，一般是使用實(shí)驗(yàn)箱，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一步一步操作，學(xué)生往往是動手不動腦，收效不大。而設(shè)計(jì)性，綜合性實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生來說有一定的難度，設(shè)計(jì)出的電路錯誤較多，而且由于實(shí)驗(yàn)室的開放與管理跟不上要求，往往規(guī)定學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室有限的開放時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，因而實(shí)驗(yàn)成功率較低。于是教師通常會給出參考電路，這種做法，嚴(yán)格來說，不能算做設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)，不能起到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用。因此要提高電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量，必須改革實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。如何改革？則是需要我們認(rèn)真探討和研究的問題。

經(jīng)過幾年的探索與實(shí)踐，我們在實(shí)驗(yàn)課的改革中，收到了較好的效果。做法是：使用EWB 、Pspice等電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課中，選取有代表性的課題，開設(shè)一定比例的虛擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮了虛擬實(shí)驗(yàn)省時(shí)、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的長處；解決了過去實(shí)驗(yàn)課完全依賴實(shí)驗(yàn)儀器，且電子元器件損耗大和實(shí)驗(yàn)儀器損壞后維修不及時(shí)的問題。而且虛擬實(shí)驗(yàn)因其不受硬件條件的限制，學(xué)生可提出各種設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以隨時(shí)改變電路參數(shù)，研究電路性能指標(biāo)與參數(shù)之間的關(guān)系，并能很快獲得仿真結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題加以解決，從而大大提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，激發(fā)了他們的求知欲和創(chuàng)新意識。這是一種研究性學(xué)習(xí)，它是傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法做到的。從這個(gè)意義上說，傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)就顯得機(jī)械和呆板。仿真實(shí)驗(yàn)具有研究性學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，對提高學(xué)生的電子線路設(shè)計(jì)水平，培養(yǎng)創(chuàng)新能力有很大幫助。對于實(shí)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還可以進(jìn)行EDA仿真預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)前通過仿真，在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上再做實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這樣將虛/實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，從而極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

? ? ? ?3 EAD在提高型實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)中的應(yīng)用研究

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)，因受器材、經(jīng)費(fèi)、場地等硬件條件的限制，計(jì)劃課時(shí)、課題均偏少，不能滿足人才培養(yǎng)要求?，F(xiàn)在用人單位對學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、動手能力要求越來越高，因此我們必須重視設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，從中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、動手能力。根據(jù)上述情況，我們進(jìn)行了以下方面的探索與實(shí)踐：

3.1 將EDA引入提高型實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，過去驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比例偏高，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力?，F(xiàn)在我們壓縮了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比例，增加了提高型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這主要得益于EDA為設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)很好的操作平臺，因?yàn)樗^好地解決了過去設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)運(yùn)作中因元器件和儀器不足而受限制的問題。如我們在模擬電路實(shí)驗(yàn)與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。開設(shè)出直流穩(wěn)壓電源、音響放大器、數(shù)字鐘、汽車尾燈控制電路等設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，先讓學(xué)生提出設(shè)計(jì)方案，自己設(shè)計(jì)電路并進(jìn)行仿真，經(jīng)教師的適時(shí)指導(dǎo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，得出仿真結(jié)果。在此基礎(chǔ)上、再為學(xué)生提供元器件及測量儀器、讓學(xué)生的設(shè)計(jì)變成實(shí)物，學(xué)生少走了彎路，元器件的損耗也大為減少。這一舉措既提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力又增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力。在此基礎(chǔ)上，我們還適時(shí)組織課外電子制作活動，將EWB仿真實(shí)驗(yàn)引入第二課堂，使參加活動的學(xué)生的電子設(shè)計(jì)與制作能力得到進(jìn)一步提高。

3.2 將EDA引入課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐

由于在前面諸多環(huán)節(jié)應(yīng)用了EDA仿真軟件，在課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)中，絕大部分學(xué)生都能應(yīng)用其中界面直觀、易學(xué)易用的EWB作為電路設(shè)計(jì)手段。在出現(xiàn)相關(guān)電路時(shí)，他們都能使用EWB軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過虛擬實(shí)驗(yàn)后，再進(jìn)行實(shí)物制作。這種虛實(shí)結(jié)合的方法，既發(fā)揮了虛擬實(shí)驗(yàn)高效、經(jīng)濟(jì)的長處，又培養(yǎng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2001屆學(xué)生有50%的學(xué)生應(yīng)用了EDA仿真軟件輔助畢業(yè)設(shè)計(jì)，2002屆學(xué)生有60%應(yīng)用了EDA仿真軟件輔助畢業(yè)設(shè)計(jì)?？梢韵嘈?，經(jīng)過我們不懈的努力，EDA仿真軟件將在電子技術(shù)課程的教學(xué)中得到推廣與普及，將有越來越多的學(xué)生應(yīng)用EDA仿真軟件輔助課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)，從而大大提高學(xué)生應(yīng)用電子技術(shù)的能力。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的幾個(gè)問題

4.1 認(rèn)識虛擬實(shí)驗(yàn)的不足之處

虛擬實(shí)驗(yàn)與很多事物一樣，有積極的一面，也有不足之處。如果完全用虛擬實(shí)驗(yàn)取代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，則會：

1.減弱學(xué)生對真實(shí)元器件的認(rèn)知程度。因?yàn)樵诜抡鎸?shí)驗(yàn)里，他們所接觸的元器件僅僅是一些電路符號，而實(shí)際的電子元器件，在封裝形式、制造材料、體積大小及外觀等方面都有很大的差異，而這些差異在仿真實(shí)驗(yàn)里是難以體現(xiàn)出來的。

2.削弱學(xué)生掌握儀器操作的熟練程度。因?yàn)閷τ谡鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)儀器，要經(jīng)過多次反復(fù)使用才能熟練掌握，如果單純使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，必然削弱對實(shí)際儀器操作技能的訓(xùn)練力度，導(dǎo)致學(xué)生忽視操作規(guī)范，影響良好科學(xué)實(shí)踐習(xí)慣的形成，降低學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3.削弱學(xué)生對實(shí)際電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的布局能力。一個(gè)實(shí)際的電子產(chǎn)品，其性能與元件的布局、布線的技巧等很多因素有關(guān)。在仿真實(shí)驗(yàn)里看到的只是電路原理圖，學(xué)生完全接觸不到元件布局、布線技巧等方面的訓(xùn)練，更談不上積累此方面的經(jīng)驗(yàn)了。

此外，仿真軟件中的元器件種類有限，不是所有的元器件都能從仿真庫里找到，這也制約了它的應(yīng)用范圍。因此不能也不可能用仿真實(shí)驗(yàn)完全取代實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

4.2 虛實(shí)結(jié)合，相輔相成

我們一方面要強(qiáng)調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)對教學(xué)的輔助作用，同時(shí)也要認(rèn)識到實(shí)際動手能力的重要性，兩者必須相輔相成，有機(jī)結(jié)合，而不能以仿真來代替全部實(shí)際操作訓(xùn)練。如何合理地利用仿真實(shí)驗(yàn)，是我們需要不斷探索和研究的課題。我們的做法是：

1.合理安排仿真實(shí)驗(yàn)課時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)只占實(shí)驗(yàn)總課時(shí)的1/3以下，應(yīng)用789進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，主要以學(xué)生課后自己上機(jī)實(shí)驗(yàn)為主。

2.開設(shè)電子設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)選修課，配合模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路教材、精心編寫仿真實(shí)驗(yàn)課題，為學(xué)生提供科學(xué)、合理的仿真實(shí)驗(yàn)題目。從2001年開始，我們以培訓(xùn)參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽選手為契機(jī)，開設(shè)了電子設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)選修課。幾年來，參加選修課的學(xué)生，其電子技術(shù)應(yīng)用能力明顯增強(qiáng)。

3.對學(xué)生自行設(shè)計(jì)的探索性、研究性實(shí)驗(yàn)，首先讓學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，然后盡可能利用第二課堂的形式，使他們的虛擬實(shí)驗(yàn)變成看得見摸得著的實(shí)物。

總之，通過幾年的探索，我們將EDA應(yīng)用于電子技術(shù)課程教學(xué)的全過程，都收到了良好的教學(xué)效果，全面提高了電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。
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