在線開源仿真軟件在“電路分析基礎(chǔ)”課程中的教學(xué)探討

李悅麗 謝曉霞 田瑞琦

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

關(guān)鍵詞：電路分析基礎(chǔ);在線開源;電路仿真;CircuitJS1

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(shù)與教育結(jié)合的一種重要形式，對(duì)高校課程教學(xué)改革及內(nèi)涵式發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用，以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言教學(xué)為代表的在線程序教學(xué)推動(dòng)了在線信息技術(shù)教學(xué)范式的發(fā)展[1]，也對(duì)其他工程學(xué)科的教學(xué)方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。以EDA技術(shù)為例，該技術(shù)在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用，在教學(xué)方面，幾乎所有理工科（特別是電子信息）類的高校都開設(shè)了EDA教學(xué)課程。傳統(tǒng)的電子電路仿真軟件Pspice、Multisim以及Matlab等，不僅用于電路設(shè)計(jì)，也廣泛用于輔助課堂理論教學(xué)[2～4]。這些軟件歷史悠久、功能強(qiáng)大，但作為專業(yè)軟件，在安裝時(shí)需占用本地電腦的大量存儲(chǔ)空間，入門門檻較高，且存在版權(quán)約束。

近年來，在線電路仿真工具給課程教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)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(yōu)勢(shì)，該軟件具有電路實(shí)例豐富、易于上手、演示直觀的優(yōu)點(diǎn)，非常適合教師在課堂上演示電路現(xiàn)象、闡述概念，也支持學(xué)生同步在手機(jī)、電腦上開展電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)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(chǔ)”課程教學(xué)的途徑。

一、開展EDA軟件輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

在電子專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中，除理論教學(xué)外，還把 EDA 技術(shù)引入課程的教學(xué)中，使得學(xué)生對(duì)當(dāng)代工程設(shè)計(jì)及實(shí)踐過程有一定的了解，是當(dāng)前課程教學(xué)改革中的普遍趨勢(shì)，由于技術(shù)進(jìn)步和學(xué)科發(fā)展，很多理工科高校都在壓縮專業(yè)基礎(chǔ)課程的課堂教學(xué)時(shí)間，這對(duì)課堂教學(xué)的效率提出了更高的要求。“電路分析基礎(chǔ)”是電子信息相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，一般在大一開設(shè)，學(xué)生需要具備大學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)等相關(guān)課程基礎(chǔ)，本門課程雖然具有理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是相較于前序課程，還具有較強(qiáng)的工程特征，對(duì)理論分析能力和工程實(shí)踐能力都提出了高的要求。

二、EDA軟件輔助教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題

由于電子類專業(yè)課程具有信息量大、知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用EDA軟件進(jìn)行輔助教學(xué)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(jié)合EDA技術(shù)開展教學(xué)的方法，但是教學(xué)實(shí)踐中仍存在一些問題，阻礙了EDA軟件輔助教學(xué)的發(fā)展。

1.針對(duì)課程開發(fā)的實(shí)例少，與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合不緊密。專業(yè)的EDA軟件主要是作為工程實(shí)踐工具使用的，因此很少針對(duì)課程內(nèi)容開發(fā)專門的教學(xué)實(shí)例，教師進(jìn)行教學(xué)必須親自開發(fā)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(lì)機(jī)制，絕大部分教師都需重頭開發(fā)自己的教學(xué)實(shí)例，大大降低了教師在理論課堂上采用EDA軟件進(jìn)行輔助教學(xué)的積極性。

2.EDA軟件的運(yùn)行平臺(tái)限制了學(xué)生參與課堂，降低了教學(xué)效率?，F(xiàn)有的專業(yè)EDA軟件都是在電腦上運(yùn)行的，要求的存儲(chǔ)空間大，學(xué)生需預(yù)先安裝配置好軟件。教師如果要求學(xué)生攜帶電腦進(jìn)入課堂進(jìn)行仿真，往往會(huì)因?yàn)閭€(gè)人電腦系統(tǒng)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(xué)效果。因此目前基于EDA技術(shù)的課堂輔助教學(xué)，主要是以教師為中心，而很少以學(xué)生為中心。

3.用戶體驗(yàn)感比較差，無(wú)法吸引學(xué)生自主開展實(shí)驗(yàn)探究。在電子信息學(xué)科，常用的專業(yè)EDA軟件有Multisim、Matlab等，這些軟件的學(xué)習(xí)需要具備一定的基礎(chǔ)，也需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間入門，對(duì)電路現(xiàn)象的展現(xiàn)更多地通過虛擬儀器實(shí)現(xiàn)。盡管專業(yè)EDA軟件具有強(qiáng)大的功能，但是學(xué)生課堂需要使用的部分往往非常淺顯，復(fù)雜的軟件界面和平庸的可視化效果使得學(xué)生受到挫折后很容易放棄。

三、基于CircuitJS1軟件實(shí)施教學(xué)的方法

CircuitJS1電路仿真實(shí)驗(yàn)室是一種基于HTML5（HyperText Markup Language 5）的網(wǎng)頁(yè)版電路仿真軟件，無(wú)須下載或在本地安裝軟件包，通過訪問頁(yè)面可以在線進(jìn)行電路仿真，與傳統(tǒng)的HTML技術(shù)相比，HTML5的語(yǔ)法特征更加明顯，并且結(jié)合了SVG的內(nèi)容，能夠適配多種平臺(tái)，還可以很方便地進(jìn)行交互動(dòng)畫設(shè)計(jì)。CircuitJS1軟件最早是由美國(guó)學(xué)者Paul Falstad開發(fā)，是一個(gè)基于Java語(yǔ)言編寫的小應(yīng)用程序，可以直接嵌入在網(wǎng)頁(yè)中，后來Iain Sharp基于GWT（Google Web Toolkit）對(duì)軟件進(jìn)行了改寫，使得該程序可以在瀏覽器上直接運(yùn)行，整個(gè)軟件項(xiàng)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(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行仿真或進(jìn)行教學(xué)，軟件是完全免費(fèi)的。該軟件與常規(guī)仿真軟件一樣可以在頁(yè)面上搭建電路，但是對(duì)電流和電壓波形的可視化效果比大多數(shù)軟件都好。目前，除常規(guī)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(shù)字器件，以及大量電路實(shí)例。國(guó)內(nèi)有公眾號(hào)上也建立了這個(gè)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(jī)微信的公眾號(hào)直接訪問電路仿真界面，選擇實(shí)例電路的仿真實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行后觀察波形，也可以通過電腦登錄網(wǎng)址鏈接，自行搭建電路，開展電路設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。

該軟件的一個(gè)可使用網(wǎng)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(gè)子菜單，分別提供文件處理、編輯操作、電路繪制、波形框設(shè)置、顯示選項(xiàng)設(shè)置和典型電路仿真實(shí)例。其中“繪制”菜單提供了導(dǎo)線、無(wú)源器件、有源器件、獨(dú)立源、邏輯門、數(shù)字芯片以及數(shù)模混合芯片等10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(wú)源濾波器、其他無(wú)源電路、二極管、運(yùn)算放大器、晶體管、MOS管、555定時(shí)器、有源濾波器、邏輯門系列、組合邏輯、時(shí)序邏輯、模擬/數(shù)字，鎖相環(huán)PLL，傳輸線、其他器件等17類電路仿真實(shí)例，基本覆蓋了電路分析、模擬電路、數(shù)字電路以及高頻小信號(hào)放大電路等課程的教學(xué)內(nèi)容。軟件界面正中為圖形窗口，提供電路繪制功能，界面右側(cè)為復(fù)位、運(yùn)行/停止功能鍵，并提供用于控制電路仿真的速度、導(dǎo)線中電流速度的滑動(dòng)控件，可以調(diào)整電路仿真的時(shí)序間隔以及導(dǎo)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(duì)電流速度的影響。界面下方為示波器區(qū)域，用于觀察感興趣元件上的電壓、電流、瞬時(shí)功率的波形和頻譜等。

下面介紹在課程中結(jié)合該軟件開展教學(xué)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(shí)例開展課堂教學(xué)。與Multisim等專業(yè)仿真軟件相比，在課堂教學(xué)中結(jié)合CircuitJS1開源軟件的電路實(shí)例開展基本概念教學(xué)更為靈活便捷。以“電路分析基礎(chǔ)”課程為例，軟件提供了電源、電阻并聯(lián)、串聯(lián)、三角形—星形連接，單口網(wǎng)絡(luò)、戴維南等效電路等基本電路結(jié)構(gòu)的仿真實(shí)例。在課堂上，結(jié)合軟件開展仿真實(shí)驗(yàn)的方法包括如下方面。

1.在預(yù)習(xí)階段，首先讓學(xué)生通過簡(jiǎn)單的實(shí)例觀察物理現(xiàn)象，熟悉電流、電壓波形，初步了解基本電路結(jié)構(gòu)和功能，厘清一些概念，例如電路中“直流偏置”的概念，許多學(xué)生未看到現(xiàn)象時(shí)很難理解，但是在電路仿真中，采用一個(gè)直流一個(gè)交流源在負(fù)載上形成激勵(lì)，可以直接看到這一現(xiàn)象，并進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)疊加定理的認(rèn)知，幫助學(xué)生為未來模電課程學(xué)習(xí)建立靜態(tài)工作點(diǎn)概念。

2.在課堂教學(xué)中，教師在上課前讓學(xué)生在個(gè)人手機(jī)、電腦上直接打開電路實(shí)例，觀察仿真結(jié)果，設(shè)置導(dǎo)入問題，啟發(fā)學(xué)生思考波形背后的物理概念。以正弦電路的瞬態(tài)響應(yīng)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(fā)生響應(yīng)過程比較復(fù)雜，所需課堂講解時(shí)間很多，但這部分并非教學(xué)重點(diǎn)，課堂上往往一帶而過，如果能結(jié)合電路仿真對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行演示則很容易將上電過程講明白，也無(wú)須太多時(shí)間。

3.在概念講授后，直接演示對(duì)應(yīng)仿真電路的電壓、電流波形，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)象與理論分析的無(wú)縫銜接。由于在線軟件開啟方便、實(shí)例豐富、演示快捷，在備課和課堂教學(xué)中都不會(huì)占用教師過多的時(shí)間，能夠提高課堂知識(shí)傳授的效率。

其次，開源在線仿真軟件也能較好地支持學(xué)生開展課后學(xué)習(xí)，夯實(shí)基礎(chǔ)。教學(xué)實(shí)施方法是：布置電路練習(xí)，要求學(xué)生在課后練習(xí)中將理論分析與仿真驗(yàn)證結(jié)合起來提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，尤其是對(duì)于暫態(tài)分析等難度較大的學(xué)習(xí)內(nèi)容，理論與仿真的結(jié)合有助于學(xué)生深入理解概念。如對(duì)于一階RC電路在脈沖串激勵(lì)下過渡過程和穩(wěn)態(tài)的分析，理論上通常通過三要素法劃分子區(qū)間分段分析，計(jì)算麻煩，這一部分學(xué)生往往感覺不好理解。在仿真作業(yè)中，要求學(xué)生完成兩種電路仿真和結(jié)果對(duì)比：一種是脈沖串半周期T遠(yuǎn)大于一階電路的時(shí)間常數(shù)的情況，另一種是T小于或等于電路時(shí)間常數(shù)的情況。通過仿真作業(yè)，學(xué)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(tài)過程到“充多少放多少”的穩(wěn)態(tài)過程[6]，再結(jié)合理論分析往往能達(dá)到事半功倍的效果。

再次，教師還可以將開源軟件作為EDA應(yīng)用能力培養(yǎng)的入門工具。EDA軟件的自學(xué)能力需要逐步鍛煉，大一學(xué)生的計(jì)算機(jī)水平參差不齊問題比較嚴(yán)重?？紤]到Multisim和Cadence等仿真軟件盡管功能強(qiáng)大，但其界面非常復(fù)雜，安裝和學(xué)習(xí)需要時(shí)間，教師將CircuitJS1作為一種入門軟件引導(dǎo)學(xué)生開展仿真電路設(shè)計(jì)也是一種不錯(cuò)的選擇。利用該軟件與其他專業(yè)EDA工具的布線、元件設(shè)置放置和仿真功能有相通之處，學(xué)生能夠快速熟悉EDA工具中電路搭建、仿真驗(yàn)證和元器件參數(shù)調(diào)整、交直流信號(hào)分析的基本方法，為后續(xù)專業(yè)軟件的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

四、教學(xué)應(yīng)用情況

2020年春季學(xué)期，由于疫情的影響，我?！半娐贩治龌A(chǔ)”課程需要采用線上教學(xué)方式，作為電子信息類專業(yè)學(xué)員的入門理論基礎(chǔ)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(jìn)行線上仿真的教學(xué)模式，因其直觀漂亮的電路波形演示效果，受到學(xué)生的歡迎，也取得了良好的教學(xué)成效，經(jīng)過兩個(gè)學(xué)年的教學(xué)應(yīng)用，結(jié)合該軟件開展課程教學(xué)的方法逐步發(fā)展成熟，我們配合課程的開設(shè)篩選并編寫了一系列仿真程序，目前在中國(guó)大學(xué)MOOC上線的“電路分析基礎(chǔ)”慕課課程中，也應(yīng)用CircuitJS1軟件同步開展了仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在“電路分析基礎(chǔ)”課程中使用在線開源的EDA工具教學(xué)不僅有利于本門課程的學(xué)習(xí)，還有利于學(xué)生在后續(xù)的模擬和數(shù)字電路的課程學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)專業(yè)的EDA工具。但是，應(yīng)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(yè)軟件提供的實(shí)際元件模型是不同的，因此，它不能完全替代基于實(shí)際電路元件模型開展仿真設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件。

在線開源仿真軟件是一種新形態(tài)的仿真教學(xué)工具，尤其是采用HTML5設(shè)計(jì)開發(fā)的在線仿真軟件，移植到微信等社交平臺(tái)上后，使用便捷度大幅提高，能夠滿足學(xué)生隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)的要求，教師探索使用這類軟件資源開展課程教學(xué)的方式對(duì)提高課堂效率和教學(xué)效果都有裨益。過去，對(duì)“電路分析基礎(chǔ)”等基礎(chǔ)課程的教學(xué)更重視理論和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為順應(yīng)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，適應(yīng)電子信息類課程改革的要求，有必要推動(dòng)EDA軟件的使用和開發(fā)教學(xué)，而在線開源仿真軟件可以作為一個(gè)突破口，幫助學(xué)生夯實(shí)基本概念，逐步培養(yǎng)計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)意識(shí)。

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作者簡(jiǎn)介：李悅麗（1973.1— ），女，漢族，湖南瀏陽(yáng)人，教授，研究方向：電路與雷達(dá)信號(hào)處理。

謝曉霞（1974.8— ），女，漢族，湖南岳陽(yáng)人，教授，研究方向：電路與隨機(jī)信號(hào)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(jī)信號(hào)分析。

基金項(xiàng)目：本文系國(guó)防科技大學(xué)教育教學(xué)改革課題《面向電路素養(yǎng)塑造的一體化貫通式電子電路系列課程重構(gòu)與優(yōu)化》（項(xiàng)目編號(hào)：U2020007）以及《任職培訓(xùn)虛擬實(shí)踐教學(xué)模式的探索——以雷達(dá)課程為例》（項(xiàng)目編號(hào)：U2019017）階段性成果之一。