工程教育專業(yè)認(rèn)證目標(biāo)下的電子類課程教學(xué)質(zhì)量研究—基于中外電子仿真軟件的比較

楊蕊

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息與通信學(xué)院，湖北武漢，430205）

1 電子仿真軟件與工程教育專業(yè)認(rèn)證的契合

為了使我國的工程本科學(xué)位得到國際的認(rèn)可，我國在2016年6月正式加入了《華盛頓協(xié)議》這個最有影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議[1]，自此工程教育專業(yè)認(rèn)證成為了我國高校專業(yè)建設(shè)新的風(fēng)向標(biāo)，例如上海高校聯(lián)盟規(guī)定2020年后沒有通過工程教育專業(yè)認(rèn)證的專業(yè)不得招生。卓業(yè)工程師計劃從1.0到2.0的前提和基礎(chǔ)是通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。

在我國電子信息類專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求5中明確規(guī)定：學(xué)生必須有使用現(xiàn)代工具的能力。5.2規(guī)定學(xué)生能夠在復(fù)雜工程問題的預(yù)測、建模、模擬、設(shè)計、實現(xiàn)過程中，選擇與使用恰當(dāng)?shù)能?、硬件工具，提高解決復(fù)雜工程問題的能力，并理解不同工具其局限性。學(xué)生可以利用電子仿真軟件通過對實驗項目工程進(jìn)行建模、設(shè)計、模擬運行、測試從而實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)計的初步評估。

電子信息類專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求12規(guī)定：學(xué)生必須具備終身學(xué)習(xí)的能力。分解點12.2中要求：通過工程項目實踐，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識，以及適應(yīng)發(fā)展的能力。電子仿真軟件是不斷更新升級的，因此通過加強(qiáng)學(xué)生對電子仿真軟件的掌握培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣和素質(zhì)。

2 中外電子仿真軟件概述

電子仿真軟件不是我國的原創(chuàng)，因此最初高校專業(yè)基本都是利用國外的仿真軟件，如：EWB、Multisim、Matlab、Proteus、PCB設(shè)計軟件等。目前在高校電子技術(shù)類課程中應(yīng)用的較多的國外電子仿真軟件是美國NI公司的最新仿真軟件Multisim14.0。

隨著我國電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在吸收了國外電子仿真軟件的優(yōu)點并結(jié)合自身特點，研發(fā)出適合我國國情的EDA電子仿真軟件層出不窮。近年來，立創(chuàng)EDA作為國產(chǎn)EDA軟件的新星，在高校電子類課程得到廣泛應(yīng)用。

3 Multisim14.0與立創(chuàng)EDA的比較

發(fā)展歷史：Multisim軟件是美國NI公司發(fā)布的交互式SPICE仿真軟件。它先后經(jīng)歷了從上世紀(jì)八十年代末，九十年代初推出的EWB5.0，EWB6.0，Multisim2001[5]到現(xiàn)在的最新版本Multisim14.0，至今已有了四十多年的發(fā)展歷史。立創(chuàng)EDA是2017年深圳嘉立創(chuàng)公司研發(fā)的一款EDA電子仿真軟件，是一款完全具有我國獨立知識產(chǎn)權(quán)的EDA軟件，目前我國有超過500所高校正在使用。

軟件的下載與升級：立創(chuàng)EDA是與Multisim軟件不同，它是基于瀏覽器的EDA，不用配置不用下載，只需要進(jìn)入立創(chuàng)EDA的網(wǎng)站，點擊立創(chuàng)EDA編輯器就能開始使用該軟件，它是基于網(wǎng)頁緩存的一個網(wǎng)頁APP。打開編輯器后程序已經(jīng)緩存在瀏覽器本地，不占內(nèi)存也是它的一大優(yōu)點。使用者也不必?fù)?dān)心斷網(wǎng)無法使用，立創(chuàng)EDA有斷網(wǎng)編輯功能。立創(chuàng)EDA徹底解決了版權(quán)風(fēng)險，終身免費是立創(chuàng)EDA的一大亮點，且持續(xù)維護(hù)并更新版本。立創(chuàng)EDA的升級方式是自動升級，使得學(xué)生和教師在在不自覺中也能緊跟市場和技術(shù)的最新發(fā)展步伐。

使用Multisim軟件需要在專門的網(wǎng)站下載，安裝的過程較為復(fù)雜且需要較長的時間。Multisim軟件的使用和升級都是有時間期限并且需要付費，針對中國市場雖然有漢化軟件，但也僅限于菜單的漢化，具體的元器件和儀器都是英文。

工作模式：立創(chuàng)EDA有兩種工作模式：一種為仿真模式，它能夠和Multisim幾近相似的工作界面對電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真和測試，另一種為標(biāo)準(zhǔn)模式，兩種工作模式可以自由切換。標(biāo)準(zhǔn)模式提供了百萬種原理圖庫、PCB封裝庫、原理圖工程及PCB工程[2]。標(biāo)準(zhǔn)模式下能夠完成從原理圖設(shè)計→PCB設(shè)計→實物3D預(yù)覽→PCB板在線定制下單→自動生成元器件清單→立創(chuàng)商城購買元器件→收到電路板實物。這種一站式的使用體驗，大大節(jié)省了不必要的非專業(yè)工作，非常有利于學(xué)生利用課余時間完成自己感興趣的科研項目研發(fā)。Multisim軟件是一款能夠完成原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。它只具有仿真功能，如果要進(jìn)行PCB板的設(shè)計，在Multisim14.0軟件的界面中設(shè)計了NI公司的Ultiboard14.0的轉(zhuǎn)移菜單，Ultiboard可以直接接收來自Multisim模塊輸出的前端設(shè)計信息，并按照確定的設(shè)計規(guī)則進(jìn)行PCB的快速布局和布線,也就是原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計需要分別下載和安裝Multisim和Ultiboard兩種軟件，顯然沒有立創(chuàng)EDA使用的更快捷。

立創(chuàng)EDA還特有一個專門面向高校教師的教育版。教師只要按照提示操作即可完成教育版的免費使用申請。教師利用教育版可以組件班級，對學(xué)生進(jìn)行管理，教師作為超級管理員可以指定學(xué)生為班級管理員，輔助管理教學(xué)事務(wù)。教師能夠在線發(fā)布作業(yè)，隨時查看學(xué)生作業(yè)進(jìn)度，對學(xué)生的成績進(jìn)行管理， 無需文件傳輸，不受設(shè)備限制?？梢娏?chuàng)EDA是符合我國國情的。它優(yōu)秀的本土化是Multisim軟件無法企及的。

元器件：立創(chuàng)EDA擁有30多萬種實時更新的元件，基本元器件均有三種方式可供選擇：美版、歐版和實物3D圖。美版和歐版的元器件符號基本大同小異，但是電感符號差異是較大。課堂教學(xué)大都按照美版教，利用立創(chuàng)EDA卻可以通過對比學(xué)習(xí)很方便的填補(bǔ)這個缺漏。同時立創(chuàng)EDA還有元器件的3D模型圖供使用者參考，教師可以通過3D圖初步建立學(xué)生的實際工程設(shè)計思維，為后面的PCB的布局以及實際元器件型號的選擇建立良好基礎(chǔ)。立創(chuàng)EDA元器件庫界面有兩種搜索模式，一種與Multisim搜索模式相同；另一種為立創(chuàng)商城實際產(chǎn)品的搜索模式，可搜索到該元器件的型號、封裝形式、生產(chǎn)商，元器件實物效果圖、價格等各種相關(guān)參數(shù)以及購買鏈接。而Multisim的元器件符號全部為美版，元器件的數(shù)量和種類也是相當(dāng)齊全和海量的。Multisim14.0相較于10.0以下的版本多了一個MCU的模塊，可以仿真單片機(jī)。

測試儀器：立創(chuàng)EDA有五種測試儀器：萬用表、雙蹤示波器、函數(shù)發(fā)生器、瓦特計和邏輯分析儀，這些儀器只具備最基本的測試功能。Multisim14.0則提供了達(dá)20種的測試儀器。Multisim中的示波器不僅有雙蹤、四蹤兩種示波器。它的一大特色是有四種實驗儀器：Agilent示波器、Agilent函數(shù)發(fā)生器、Agilent萬用表和Tektronix示波器。它們的控制面板幾乎是實物操控面板的完全再現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 Agilent萬用表操控面板

測試者像操作實物一樣對面板的按鈕進(jìn)行按壓或者旋鈕的旋轉(zhuǎn)來改變測試參數(shù)。顯然Multisim軟件具有這種“高逼真”的仿真儀器，對于提高學(xué)生測試工程師的的專業(yè)基本功是非常重要的訓(xùn)練手段。因此在測試儀器方面Multisim無論從仿真度還是種類、方法上都優(yōu)于立創(chuàng)EDA。

下面以《通信電子線路》課程中常用的并聯(lián)諧振回路舉例說明兩種軟件在教學(xué)方面的差異。用Multisim14.0的波特儀測量并聯(lián)諧振回路的選頻參數(shù)電路如圖2所示，波特儀仿真的幅頻曲線函數(shù)如圖3所示，移動波特儀中的光標(biāo)即可獲得相關(guān)的諧振頻率、上限截止頻率和下限截止頻率的值，從而獲得帶寬BW0.7的測量值表1所示，從表中的仿真相對誤差可以看出仿真與理論值是非常接近的。圖4是立創(chuàng)EDA的儀表可以看出，沒有測量幅頻曲線的波特儀，只能利用函數(shù)發(fā)生器不斷改變頻率值進(jìn)行近似測量，這種測量選頻參數(shù)的方法顯然過程繁瑣且測量值不夠準(zhǔn)確。

圖2 Multisim14.0并聯(lián)諧振仿真電路

圖3 Multisim14.0的波特儀波形圖

圖4 立創(chuàng)EDA的仿真儀器

表1 Multisim14.0的并聯(lián)諧振仿真回路選頻參數(shù)測試數(shù)據(jù)

4 中外電子仿真軟件對提高電子類課程質(zhì)量的研究

兩款軟件在仿真界面和操控方法上大同小異，立創(chuàng)EDA雖然這幾年才引入高校，但之前接觸過Multisim軟件的，也能快速熟悉操作方法。為了實現(xiàn)工程教育專業(yè)認(rèn)證的目標(biāo),總的來說這兩款軟件都能滿足電子類課程如電路分析、模擬電子技術(shù)、通信電子線路、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)等課程的需求[6]。

立創(chuàng)EDA相當(dāng)于原理仿真和PCB設(shè)計功能二合一的EDA軟件。但它的仿真儀器比Multisim軟件的種類要少許多，因此對于大型復(fù)雜系統(tǒng)的仿真、測試和分析能力與Multisim軟件還是有差距的。同樣它的PCB功能對于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計需求和使用的穩(wěn)定性也不及Altium Designer軟件[3]。由于立創(chuàng)EDA是一種在線EDA，設(shè)計的工程都是云端存儲方式，因此對于大型工程的存儲是有限的。但立創(chuàng)EDA除了使用時本身不需要付費和升級外，它的另一個亮點就是能夠?qū)崿F(xiàn)從系統(tǒng)項目設(shè)計到市場和實物的無縫對接，通過立創(chuàng)EDA的應(yīng)用訓(xùn)練建立學(xué)生從課堂理論到市場經(jīng)濟(jì)的一整套項目設(shè)計、成本控制、優(yōu)化產(chǎn)品的工程思維模式是非常有利的。

綜上所述，本文建議在大一、大二的課程中可以將立創(chuàng)EDA作為對學(xué)生熟悉科研項目從設(shè)計思路到實物完成的一整套電路系統(tǒng)流程的訓(xùn)練手段。大三和大四課程包括畢業(yè)設(shè)計中的復(fù)雜項目可以讓學(xué)生自學(xué)Multisim軟件并利用其完成復(fù)雜項目。學(xué)生在使用的過程中也能真切體會到兩種仿真軟件的優(yōu)缺點，具備工程教育認(rèn)證5.2中的“理解不同工具其局限性”的能力。

5 結(jié)束語

電子仿真軟件無論做的如何逼真，通過實踐都會發(fā)現(xiàn)和真實的實物測試過程以及測試結(jié)果還是有一定的差異的[4]，因此實際的實踐項目的對學(xué)生的培訓(xùn)是必不可少的，電子仿真軟件作為在前期項目原理性設(shè)計、驗證和修正方案是不可缺少的重要手段之一。