EDA在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

郭艷清

（中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，河南 鄭州450007）

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)賴以發(fā)展的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，而高等學(xué)校中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是以教學(xué)形式培養(yǎng)科學(xué)技術(shù)后備力量的重要途徑。深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在加速高等教育從應(yīng)試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)化，提高教育的質(zhì)量和效益方面起著重要作用。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA是以計(jì)算機(jī)和軟件為工具，完成各類電路從系統(tǒng)級(jí)到物理級(jí)的設(shè)計(jì)、仿真分析、電路綜合的新型電子設(shè)計(jì)技術(shù)手段，其發(fā)展與應(yīng)用正引發(fā)著一場(chǎng)電子產(chǎn)業(yè)和電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)革命。軟件仿真是EDA工具最具魅力的功能之一，在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入EDA仿真技術(shù)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的掌握程度，可以擴(kuò)大課堂信息量。

1 EDA仿真實(shí)驗(yàn)

仿真在電知識(shí)的教學(xué)中有著獨(dú)特而特殊的作用，在“電路”、“電工學(xué)”及“電子技術(shù)”的各門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入EDA仿真技術(shù)，對(duì)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論有重要的作用。

目前用于電路仿真的EDA軟件主要有，PSpice，EWB，Multism，Matlab，Systim＿VIEW 等.其中Multisim是一種具有電路仿真、印制板設(shè)計(jì)和VHDL／Verilog仿真與合成的集成化EDA軟件。其操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用，非常適合于開(kāi)發(fā)“電路”、“電工學(xué)”、“模擬電路”和“數(shù)字電路”等仿真實(shí)驗(yàn)。

EWB軟件是Multisim的早期版本，功能雖沒(méi)有Multism那樣強(qiáng)大，但卻更適于初學(xué)者掌握。尤其我們的教學(xué)對(duì)象是剛上大二的學(xué)生，電腦知識(shí)比較欠缺，要在較短的學(xué)時(shí)間掌握Multism有一定難度。而我們認(rèn)為EWB更適合教學(xué)。EWB軟件是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練工具，因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)類課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，將EWB作為該類課程的輔助教學(xué)和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練手段，不僅可以彌補(bǔ)經(jīng)費(fèi)不足帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)儀器和元器件缺乏，而且排除了原材料損耗和儀器損壞等因素，可以幫助學(xué)生更快更好地掌握課堂講授的內(nèi)容，加深對(duì)概念和原理的理解，彌補(bǔ)課堂理論教學(xué)的不足。通過(guò)仿真，還可以熟悉常用電子儀器的使用方法和測(cè)量方法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題的能力、排除故障的能力和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的能力。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的一部分用EWB軟件來(lái)做，既克服了實(shí)驗(yàn)臺(tái)上電路元件不夠和設(shè)備不全等不足，又便于學(xué)生組成各種不同方案進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生初步掌握了軟件的應(yīng)用后，指導(dǎo)教師給予正確引導(dǎo)，貫穿啟發(fā)式教學(xué)；引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和分析問(wèn)題，樹(shù)立不斷探索問(wèn)題的信心和創(chuàng)造性思維的意識(shí)。同時(shí)注重培養(yǎng)研究興趣和自信心，只要發(fā)現(xiàn)學(xué)生有新的思路和見(jiàn)解，即使實(shí)驗(yàn)沒(méi)有完全成功，也給予肯定和鼓勵(lì)，并及時(shí)向?qū)W生建議解決問(wèn)題的參考思路，逐步引導(dǎo)學(xué)生手腦并用，寓培養(yǎng)學(xué)生的智能于實(shí)驗(yàn)全過(guò)程中。

《EDA在電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)》是筆者主持的教改項(xiàng)目，主要任務(wù)就是引入EDA設(shè)計(jì)手段，從應(yīng)用EWB軟件入手，研究和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，使之應(yīng)用于電路、電工學(xué)、電子技術(shù)的各門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而探討新的教學(xué)模式，切實(shí)起到提高學(xué)生綜合能力的作用。《EDA在電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)》教改項(xiàng)目，早在我院2005年11月通過(guò)教育部的教學(xué)水平評(píng)估中，就成為實(shí)驗(yàn)教改支撐材料之一。2007年1月該項(xiàng)目順利通過(guò)我院組織的教學(xué)成果鑒定。該項(xiàng)目自2005年以來(lái)，其教學(xué)成果已在五屆學(xué)生中應(yīng)用于教學(xué)，并不斷加以完善。收到良好效果。在我校的實(shí)踐教學(xué)中起到了一定的示范作用。。

2 實(shí)施過(guò)程

2.1 編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

完善的實(shí)驗(yàn)必須有切合實(shí)際的相關(guān)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)應(yīng)具備如下一些共有的特點(diǎn)。

（1）參照國(guó)內(nèi)不同版本的教材，并依據(jù)課程教學(xué)基本要求進(jìn)行內(nèi)容選取，可以配合不同的教材使用。

（2）在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，都包含有實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求，使得學(xué)生能夠充分復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)，能夠有一定針對(duì)性的進(jìn)行復(fù)習(xí)，以便于確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行；在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的最后，又安排了數(shù)量不等的復(fù)習(xí)思考題，一方面可以讓學(xué)生鞏固實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所學(xué)到的知識(shí)，另一方面也可以擴(kuò)展學(xué)生的思路。

（3）實(shí)驗(yàn)題目的選取本著“由淺入深、循序漸進(jìn)”的原則，同時(shí)也照顧課程的進(jìn)度排列順序。

（4）在保證正常教學(xué)基本要求的前提下，為了滿足不同層次、不同水平學(xué)生的需要，適當(dāng)增加了部分內(nèi)容的深度和難度，同時(shí)擴(kuò)充了部分內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)力求做到內(nèi)容豐富、取材得當(dāng)、題目典型、通俗易懂。可以作為課程的配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，也可供其它專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的參考資料。無(wú)論是從學(xué)術(shù)的角度，還是從使用的角度，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)都是具有一定參考價(jià)值的。

2.2 開(kāi)發(fā)綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

在綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，教師的主要職責(zé)是指引學(xué)生合理選取、擇優(yōu)組合已掌握的理論知識(shí)，指導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生把注意力集中于解決問(wèn)題上。鼓勵(lì)學(xué)生大膽實(shí)踐、培養(yǎng)善于解決實(shí)際問(wèn)題的思路和能力。這種以學(xué)習(xí)為中心的實(shí)踐教學(xué)方式，使學(xué)生成為一種積極、主動(dòng)及靈活的學(xué)習(xí)過(guò)程，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)變成建立在學(xué)生興趣與自學(xué)性上的實(shí)踐活動(dòng)。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生獨(dú)立完成，促使學(xué)生積極思考、反復(fù)實(shí)踐，加深了對(duì)電路理論知識(shí)的掌握，為發(fā)揮創(chuàng)造精神開(kāi)辟了天地。

《EDA在電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)》教改項(xiàng)目從軟件仿真和硬件實(shí)施兩方面具體開(kāi)發(fā)研究出《串聯(lián)諧振》、《波形發(fā)生電路》、《7人智力搶答器》等7個(gè)綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

我們以串聯(lián)諧振為例，說(shuō)明仿真實(shí)驗(yàn)的重要性。串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生至少觀察不同參數(shù)下的電阻、電容、電感端波形6幅。以下僅僅是其中的一幅。

圖1 串聯(lián)諧振電路電阻端幅頻特性曲線

從仿真實(shí)驗(yàn)圖形中可以清晰確定串聯(lián)諧振所要掌握的一些重要概念及數(shù)據(jù)關(guān)系，如諧振時(shí)電源電壓等于電阻上電壓，電感和電容電壓是電源電壓的Q倍，以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)和理論分析中的一些區(qū)別，電感線圈有電阻，仿真數(shù)據(jù)10與9.74誤差的形成等。

其他一些實(shí)驗(yàn)如方波—三角波發(fā)生器，則使學(xué)生對(duì)運(yùn)算放大器的綜合應(yīng)用有了直觀的理解，非常有益于課堂教學(xué)。智力搶答器實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)數(shù)字電子和模擬電子技術(shù)的綜合應(yīng)用，且有趣味性。對(duì)提高非電學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣非常有效。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

多少年來(lái)，人們把實(shí)驗(yàn)教學(xué)看成課堂教學(xué)的輔助和補(bǔ)充。在重視素質(zhì)教育的今天，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)才是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的最重要環(huán)節(jié)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，也是學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng)環(huán)境［2］。

2004年開(kāi)始，我校電類專業(yè)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)實(shí)施一人一組。電氣自動(dòng)化學(xué)生的數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)，實(shí)行實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放。由于是開(kāi)放式教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人情況自己安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，選修實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要由學(xué)生獨(dú)立完成，教師檢查預(yù)習(xí)情況，適當(dāng)輔導(dǎo)，并驗(yàn)收。我們還為科技制作的學(xué)生提供場(chǎng)地，開(kāi)放了部分實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室教師兼做學(xué)生指導(dǎo)，這些都為學(xué)生順利完成個(gè)人設(shè)計(jì)提供極大的幫助。

3 實(shí)施效果

在大二年級(jí)學(xué)生中實(shí)施該項(xiàng)目對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)起積極作用。實(shí)踐證明很多高年級(jí)參與各種競(jìng)賽及制作的學(xué)生的基礎(chǔ)均源于此。項(xiàng)目所研究的設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)施教學(xué)多年，從學(xué)生的報(bào)告可以反映出，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生的科技制作起到很好的培訓(xùn)目的，對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)更顯著。我們?cè)陔婎惡头请婎惖?8個(gè)專業(yè)，5屆學(xué)生中實(shí)施了相應(yīng)的教改成果，收到了較好的效果。電工學(xué)課程于2006年評(píng)為河南省精品課程。學(xué)生通過(guò)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)從中得到鍛煉，提高了他們的綜合素質(zhì)，使許多學(xué)生在各類科技活動(dòng)中獲得多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。以全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽為例，2007年我校有13個(gè)隊(duì)分別獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，河南賽區(qū)獎(jiǎng)9項(xiàng)的好成績(jī)。2009年全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽，我校又獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)4項(xiàng)。14個(gè)隊(duì)獲河南賽區(qū)獎(jiǎng)。我院的電氣信息基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心2008年也被評(píng)為河南省高校實(shí)驗(yàn)示范中心。

對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，我們?cè)谑褂弥羞€在不斷完善，2008年重印時(shí)，進(jìn)行了修改。綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，更是對(duì)學(xué)生起到了很好的激勵(lì)作用。引發(fā)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新。在設(shè)計(jì)諧振電路時(shí)，學(xué)生運(yùn)用學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)充分發(fā)揮個(gè)性，設(shè)計(jì)出不同的實(shí)驗(yàn)線路。從與眾不同的設(shè)計(jì)線路、測(cè)量方法中我們看到了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新帶來(lái)了學(xué)生創(chuàng)新的“火花”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新所引發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段趨向多元化，使教師和學(xué)生關(guān)系更加融洽。實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。使培養(yǎng)出來(lái)的人才既有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，又能較好地掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)；既具有解決實(shí)際問(wèn)題的能力，又具有創(chuàng)新的意識(shí)；使學(xué)生將來(lái)走上社會(huì)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

《EDA在電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)》教改項(xiàng)目引入EDA設(shè)計(jì)手段，在設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用EWB軟件，廣泛應(yīng)用于電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探討新的教學(xué)模式，切實(shí)起到提高學(xué)生綜合能力的作用。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：① 優(yōu)秀的指導(dǎo)文件；② 完善的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；③ 實(shí)用的平臺(tái)軟件；④ 合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?；?嚴(yán)格的管理體制。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行的同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新型的實(shí)驗(yàn)類型，具有比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更為靈活多樣的表現(xiàn)形式，仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)有力補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)的不斷改革、完善對(duì)科研和教學(xué)必將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

4 結(jié)論

在“電路”、“電工學(xué)”和“電子技術(shù)”的各門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)手段，從應(yīng)用EWB軟件入手，研究開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，使之應(yīng)用于專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探討了新的教學(xué)模式。仿真實(shí)驗(yàn)這種新的教學(xué)模式的主體，對(duì)更新教學(xué)觀念，改善實(shí)驗(yàn)管理，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力等起到積極作用。仿真方法用于科研和教學(xué)必將提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，滿足學(xué)生開(kāi)展課外科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的需要。

［1］ 殷瑞祥 樊利民 金春英 我國(guó)電工學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與方法的回顧、思考與展望［J］電子電氣課程報(bào)告論壇論文集2008，北京高等教育出版社，2008

［2］ 王香婷，等.電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索［J］.電氣與電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2000，21（2）

［3］ 王延才.電工電子技術(shù)EDA仿真實(shí)驗(yàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

［4］ 秦曾煌.電工學(xué)［M］.北京：高教出版社，2007