基于EDA仿真的非電類專業(yè)大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法

王文東　袁小慶　張鵬　史儀凱

摘 ?要：在創(chuàng)新教育改革背景下，科技競賽是學生提升創(chuàng)新能力的有效途徑。隨著智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+和人工智能等的出現(xiàn)，創(chuàng)新教育對電類專業(yè)知識技能的要求越來越高。因傳統(tǒng)教學模式的弊端，非電類專業(yè)學生在學習電類知識技能過程中面臨一系列的問題。文章提出了基于EDA仿真的非電類專業(yè)學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，結合具體案例深入探討了該方法在教育改革中的具體作用。通過搭建基于Multisim平臺的功率因數(shù)提高方法的仿真模型，驗證了所提出的方法在教學過程中的可行性，可以作為深化高等學校創(chuàng)新教育改革的一種途徑。

關鍵詞：EDA仿真;創(chuàng)新能力培養(yǎng);非電類專業(yè);Multisim

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）10-0046-04

Abstract： Under the background of innovation education reformation， technical contest is the effective method to improve the innovation ability of undergraduates. With the development of intelligent manufacturing， Internet+， and artificial intelligence， it requires more electrical knowledge and skills of undergraduates. Currently， the non-electrical undergraduates face some problems Due to the disadvantages of traditional teaching activities. The innovation ability cultivation method based on EDA simulation is proposed to solve the existing problems， and the functions of the proposed method was discussed in teaching reformation with specific example. The feasibility of the proposed method is verified by building the simulation case of power factor improvement on Multisim. The results show it's effective as the solution of innovation teaching reformation.

Keywords： EDA simulation; innovation cultivation; non-electrical graduates; Multisim

一、概述

2015年5月，國務院辦公廳印發(fā)《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，對高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革進行了全面部署[1，2]。大學生科技競賽是一項集創(chuàng)新性、協(xié)作性、實踐性、應用性為一體的活動，是學生提升創(chuàng)新能力、挖掘潛在創(chuàng)業(yè)機會的有效途徑[3]。近幾年，大學生科技創(chuàng)新競賽如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，有的學科專業(yè)性非常強，比如全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設計大賽、全國大學生機械設計創(chuàng)新大賽等;有的學科綜合性較強，比如“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等[4，5]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽是為了貫徹落實有關文件精神，由教育部聯(lián)合有關部門共同舉辦，其目的是深化高等教育綜合改革，激發(fā)大學生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的生力軍;以創(chuàng)新引領創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)業(yè)帶動就業(yè)，推動高校畢業(yè)生更高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)[6，7]。參賽項目將移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術與社會經(jīng)濟相關領域緊密結合，有助于推動互聯(lián)網(wǎng)與教育、醫(yī)療、金融、交通、消費生活等深度融合，并促進制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源等產(chǎn)業(yè)轉型升級。

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革背景下，尤其是隨著人工智能熱潮的出現(xiàn)，科技競賽所體現(xiàn)的學科交叉特點日趨明顯[8]。越來越多的科技競賽活動需要更加綜合的專業(yè)知識與技能，比如電子信息、自動化、計算機科學、軟件工程、電氣工程等電類專業(yè)，這些專業(yè)的學生接觸新興前沿科技的機會越來越多。相對而言，非電類專業(yè)學生在這樣的教育與科技背景下，則需要加強電類專業(yè)知識與技能的學習。

二、非電類專業(yè)學生面臨的問題

非電類專業(yè)學生，尤其是機械、材料、航空宇航、能源、兵器、船舶、動力、制造等領域的工程專業(yè)，因受傳統(tǒng)培養(yǎng)方案的限制，學生能接觸到電類課程非常少，最為常見的課程是電工電子技術（也通常叫做電工學）及其實驗課程[9]。但該課程內(nèi)容多、范圍廣，涉及電路分析、電機與電氣控制、模擬電子技術和數(shù)字電子技術四大模塊，相當于電類專業(yè)的四門課程，但是學時少。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革、互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造和人工智能大背景下，非電類專業(yè)學生目前普遍面臨以下問題[10]：（1）時間和場地有限，很難完成規(guī)定的實驗內(nèi)容;（2）實驗內(nèi)容固定，多為重復驗證性實驗，難以調(diào)動學生的積極性;（3）理論與實踐有脫節(jié)，理論知識基本為公式推導模式，學生無法體驗理論應用到時間的妙處;（4）綜合創(chuàng)新實驗條件不足，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。上述問題的存在，將導致電類知識技能少的學生在就業(yè)和創(chuàng)業(yè)時的競爭力較弱。為解決上述問題，本文提出基于EDA仿真的非電類專業(yè)學生電類專業(yè)技能培養(yǎng)的方法。

三、EDA仿真在非電類專業(yè)教育改革中的作用

隨著計算機技術的快速發(fā)展，計算機仿真方法已成為現(xiàn)代工程設計中非常有效的方法，有助于解決非電類專業(yè)面臨的問題。EDA（Electronic Design Automation）即電子設計自動化，基于計算機和仿真軟件完成電子電路的設計、調(diào)試、分析以及優(yōu)化等功能。國內(nèi)高校越來越重視EDA技術的應用，逐漸建立獨立的EDA仿真實驗室，并開設相關的EDA課程。將EDA仿真用于非電類專業(yè)教學具有以下幾點優(yōu)勢。

（一）加強理論知識的理解，激發(fā)學習興趣

對于機械、能源、材料等非電類專業(yè)學生，電類課程通常作為專業(yè)基礎課，理論性、實踐性強，課程內(nèi)容多，知識面廣，理論抽象。傳統(tǒng)的教學模式理不利于學生真正掌握理論知識，學以致用，難以調(diào)動學生的積極性。將EDA仿真技術融入課堂教學，將抽象的原理電路與理論分析，通過仿真的方法得以驗證，使理論學習變得生動形象，激發(fā)學生學習的興趣。

（二）緩解學時少與內(nèi)容多的矛盾，增加課堂信息量

隨著新技術、新器件的不斷出現(xiàn)，非電類專業(yè)的電類技術基礎課程的內(nèi)容越來越多，與現(xiàn)有課時規(guī)定之間的矛盾日趨凸顯。教學過程中大量的公式推導、圖表、曲線等占用大量的課堂時間，學生也會覺得枯燥。采用EDA仿真方法，不僅可以節(jié)省大量的抽象的課堂講解，還可以在相同時間內(nèi)增加信息量的傳授。學生根據(jù)課堂知識內(nèi)容，可以自行搭建電路驗證結果，不必擔心實驗的危險，降低實驗成本，獲得學習的成就感，培養(yǎng)自主學習的能力。

（三）突破課堂時間與地點的限制，創(chuàng)建開放實驗室

電類課程教學要求學生熟練掌握常見儀器儀表的使用方法和電路調(diào)試方法，受客觀條件限制，通常很難滿足學生實時操作和充分發(fā)揮設計能力的要求。EDA仿真實驗室可以使學生不受空間、時間和指導老師的約束，自由安排時間設計電路進行仿真操作。有條件的學生，可以在自己的電腦上開展EDA設計、仿真等操作，可以突破傳統(tǒng)實驗室的限制。另外，仿真內(nèi)容也不受傳統(tǒng)實驗的限制，學生可以及時將自己的創(chuàng)新想法通過仿真進行驗證，增加自信心，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

（四）增強學生的實踐技能和創(chuàng)新精神

仿真技術不僅是一種有效的教學手段，也是信息時代、計算機時代的工科學生應該掌握的一種基本技能。仿真技術作為工程實踐過程中分析問題、解決問題一種重要手段，是工程類學生必須掌握的基本技能和方法。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下，很多學生有相當新穎的設計與方法，但缺乏經(jīng)驗和有效的指導，最終未能實現(xiàn)。EAD仿真方法的限制條件非常低，只需掌握軟件的操作方法，學生就可以隨時隨地驗證自己的設計，根據(jù)仿真結果探索解決問題的方法，對學生實踐技能和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)有很好的促進作用。

常見的EDA仿真工具有Multisim、PSPICE、Labview、Proteus、Matlab等，每個軟件都有各自的優(yōu)點，在不同學科專業(yè)發(fā)揮作用不同，可以根據(jù)教學要求或者學科專業(yè)內(nèi)容選擇。

四、EDA仿真案例

Multisim是美國國家儀器（NI）公司推出的仿真工具，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，具有豐富的仿真分析能力，是一款典型的EDA仿真軟件。本文基于Multisim 14.0，通過功率因數(shù)提高方法案例驗證EDA在非電類專業(yè)教學中的作用，其方法流程如圖1所示。

（一）內(nèi)容分析

功率因數(shù)的提高是電工學課程中非常重要的知識點之一，也是理論知識與實踐應用結合的典型案例之一。在理論學習過程中，學生知道了功率因數(shù)低的原因是用電設備中多數(shù)為感性的，比如日光燈、電動機，通常采用提高功率因數(shù)的方法為在感性負載兩端并聯(lián)電容。在課堂內(nèi)容中要對相關的原理方法進行推導與分析，比如為什么并聯(lián)電容可以提高功率因數(shù)，并聯(lián)電容值是否越大越好，以及過補償和欠補償?shù)雀拍?。雖然這些理論知識與實踐應用關系非常密切，但是對大多數(shù)學生來說比較抽象，很難學以致用。因此，本案例非常適合采用EAD仿真的方法進行講授。

（二）方案設計

為了在一個實驗中完成功率因數(shù)提高方法、欠補償、過補償?shù)壤碚撝R的驗證，搭建如圖2所示的分析電路。仿真分為四個部分測量，分別為：（1）未并聯(lián)電容時的功率因數(shù);（2）并聯(lián)656uF電容時的功率因數(shù);（3）在（2）的基礎上繼續(xù)并聯(lián)213uF電容時的功率因數(shù);（4）在（3）的基礎上繼續(xù)并聯(lián)213uF電容時的功率因數(shù)。

（三）仿真結果

根據(jù)相應的測量內(nèi)容，完成有關仿真，得到仿真結果圖3所示。由圖3仿真結果可知，并聯(lián)電容前，功率因數(shù)約為0.598;并聯(lián)656uF電容后功率因數(shù)提高到0.948;繼續(xù)并聯(lián)213uF電容，功率因數(shù)進一步被提高到0.999;在圖3（c）的基礎上，繼續(xù)并聯(lián)213uF電容，功率因數(shù)反而降低了，變?yōu)?.953。

對照圖3（b）和（c）可知，圖3（b）稱之為欠補償狀態(tài)，因為繼續(xù)并聯(lián)電容，功率因數(shù)可以進一步提高。對照圖3（c）和（d）可知，圖3（d）稱之為過補償狀態(tài)，因為繼續(xù)并聯(lián)電容出現(xiàn)了功率因數(shù)降低的現(xiàn)象。幾種結果對照可得結論，并聯(lián)電容可以提高功率因數(shù)，但是并不是并聯(lián)電容值越大越好，在工程應用的時候應當綜合考慮經(jīng)濟性、實用性等因素選擇適當?shù)碾娙葜怠?/p>

（四）功能分析

在傳統(tǒng)的教學中，主要是靠介紹概念、推導公式的方式進行授課，學生的積極性不高，概念與應用不能很好的貫通，教學效果不理想。通過EDA仿真結果圖，對照講解欠補償和過補償概念，將抽象的概念變得形象易懂，在好奇心的驅(qū)動下，學生會自行搭建仿真電路驗證有關方法，進而可以激發(fā)學習興趣。因而，體現(xiàn)了第三節(jié)中的作用（一）。通過EDA原理電路圖（圖2）描述功率因數(shù)提高的方法——并聯(lián)電容，直觀簡單，減少了很多抽象的文字描述，同時電路原理圖反映的信息量更大。因此，體現(xiàn)了第三節(jié)中的作用（二）。很多高校建設有獨立的EDA仿真實驗室，配備有滿足要求的電腦和仿真軟件。功率因數(shù)提高的仿真實驗電路相對比較簡單，學生只需具備基本的軟件操作技能，即可在EDA實驗室獨立完成，無需專業(yè)老師指導。另外，有條件的學生亦可以在私人電腦上完成該仿真實驗，不受實驗室開放時間和地點的限制。因此，體現(xiàn)了第三節(jié)的作用（三）。在課堂教學過程中，任課教師肯定會引導學生思考其他提高功率因數(shù)的方法。思想活躍的同學會想到串聯(lián)電容的方法是否也能提高功率因數(shù)呢？基于這樣的思考，學生可以自行搭建串聯(lián)電容仿真電路，并驗證結論，對結論中出現(xiàn)的問題進行思考，聯(lián)系實踐應用，考慮其結果的可行性，有助于增強學生的實踐應用能力和創(chuàng)新精神。因此，體現(xiàn)了第三節(jié)中的作用（四）。

五、結束語

本文針對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革背景下，尤其是受互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能等大環(huán)境的影響，分析了非電類專業(yè)學生面臨的問題。提出EDA仿真方法在非電類專業(yè)學生電類專業(yè)知識培養(yǎng)中的四點主要作用。最后，結合電工學課程中功率因數(shù)提高的知識點，用仿真的方法驗證了本文提出的四點作用的可行性。因此，基于EDA仿真的教學改革模式適用于非電類專業(yè)學生電類知識技能的培養(yǎng)，可以作為深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的一種途徑。

參考文獻：

[1]吳愛華，侯永峰，郝杰，等.以“互聯(lián)網(wǎng)+”雙創(chuàng)大賽為載體深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革[J].中國大學教學，2017（01）：23-27.

[2]王創(chuàng).扎實推進高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革[J].高教探索，2016（10）：5-7.

[3]毛江華，戴鑫.工科學生參與科技競賽的影響因素及機制研究[J].高等工程教育研究，2019（03）：52-56.

[4]張大良.譜寫“互聯(lián)網(wǎng)+教育”新篇章共同開創(chuàng)亞洲高等教育美好未來[J].中國大學教學，2018（10）：7-8.

[5]楊玨，張文明.以科技競賽為載體提升大學生創(chuàng)新實踐能力[J].中國高等教育，2014（20）：30-32.

[6]徐小洲，倪好.面向2050：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育生態(tài)系統(tǒng)建設的愿景與策略[J].中國高教研究，2018（01）：53-56+103.

[7]徐向民，李正，韋崗，等.創(chuàng)新引領戰(zhàn)略下的電子信息類專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)[J].高等工程教育研究，2018（02）：153-164.

[8]陳孟威，陳興明.非正式跨學科融合：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊范式探析[J].江蘇高教，2019（03）：80-85.

[9]宋國義，黃金俠，張玉峰.電工電子技術教學與實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的探究[J].中國電力教育，2014（15）：42-43.

[10]王文東，袁小慶，史儀凱，等.新工科人才培養(yǎng)中基礎實驗教學改革的探索[J].大學教育，2019（07）：30-32+43.

基金項目：本文系教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“基于機器人的《電工電子系統(tǒng)創(chuàng)新設計與實踐》創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程建設”（編號：201802038032）;西北工業(yè)大學教育教學改革項目“《電工學》課程混合式教學模式的探索與實踐”（編號：2018JGY02）的成果之一

作者簡介：王文東（1984-），男，漢族，山東嘉祥人，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向：智能機器人，電工學系列課程與實驗教學研究;袁小慶（1979-），男，漢族，河南確山人，博士，副教授，碩士研究生導師，寶鋼教學名師，陜西省電工學研究會副理事長，研究方向：智能機器人，電工學系列課程與實驗教學研究;張鵬（1987-），男，漢族，陜西西安人，博士，助理研究員，研究方向：智能機器人，工程實踐教育研究;史儀凱（1952-），男，漢族，陜西興平人，本科，教授，博士研究生導師，第四屆高等學校教學名師獎獲得者，中國電工學研究會副理事長，研究方向：電氣工程，電工學系列課程與實驗教學研究。