立創(chuàng)EDA在電路分析基礎(chǔ)課程思政中的應(yīng)用*

周云艷 趙年順 鮑 婕 李 錚

(黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 安徽 黃山 245041)

立德樹人成效是檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)，課程思政是落實(shí)立德樹人的重要途徑.2020年《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量.工學(xué)類專業(yè)，要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問題、分析問題和解決問題的能力.要注重強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)[1].教師作為專業(yè)課程教學(xué)的實(shí)施者，要深刻認(rèn)識(shí)課程思政的內(nèi)涵，深入挖掘?qū)I(yè)課程的思政元素，積極探索課程思政的教學(xué)新思路[2].

電路分析基礎(chǔ)是電類相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程要求學(xué)生掌握電路的基本理論知識(shí)、電路的基本分析方法和初步的實(shí)驗(yàn)技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的電路知識(shí).課程教學(xué)中，為了提高教學(xué)效果，教師的傳統(tǒng)做法是在知識(shí)理論講解的同時(shí)將電路EDA軟件引入課程教學(xué)，通過仿真與電路設(shè)計(jì)制作，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，從而達(dá)到“兩性一度”的要求[3].電路EDA軟件種類繁多，常用的有Multisim、Altium Designer、Protues等，但是這些軟件一般只側(cè)重于某一特定方面的應(yīng)用，比如Multisim軟件主要用于電路仿真[4]，Altium Designer軟件主要用于PCB板的繪制[5]，Proteus軟件主要用于單片機(jī)電路的仿真[6]，過多的軟件學(xué)習(xí)使得剛接觸電路知識(shí)的學(xué)生疲于應(yīng)付，學(xué)習(xí)積極性大大降低.此外地方本科院校購(gòu)買版權(quán)的軟件相對(duì)較少，很多學(xué)生使用的是盜版軟件，與學(xué)生科學(xué)工程倫理的培養(yǎng)相悖.為了解決這些問題，本文詳細(xì)探討了國(guó)產(chǎn)立創(chuàng)EDA軟件在電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用，以及其在課程思政元素挖掘中的應(yīng)用.

1 立創(chuàng)EDA簡(jiǎn)介

立創(chuàng)EDA軟件隸屬于深圳市嘉立創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，完全由中國(guó)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立研發(fā)，并擁有完全的獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán).該軟件致力于中小規(guī)模電路圖繪制、仿真并為PCB制造提供便利.具有以下特點(diǎn)[7].

(1)立創(chuàng)EDA針對(duì)國(guó)內(nèi)個(gè)人用戶永久免費(fèi)，沒有版權(quán)問題.采用立創(chuàng)EDA軟件進(jìn)行教學(xué)，能夠減少學(xué)校在軟件上的投入，同時(shí)有利于學(xué)生工程倫理的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感與家國(guó)榮譽(yù)感.

(2)立創(chuàng)EDA有仿真和標(biāo)準(zhǔn)兩種模式，用戶可以自由切換.在仿真模式下，結(jié)合在線仿真庫(kù)和操作簡(jiǎn)潔的優(yōu)勢(shì)，仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)操類似，學(xué)生能夠快速上手.在標(biāo)準(zhǔn)模式下，學(xué)生可以繪制電路原理圖，進(jìn)行電氣驗(yàn)證，并且能夠一鍵將原理圖轉(zhuǎn)換為PCB進(jìn)行元器件布局與布線操作.繪制好的PCB板，可以一鍵元件下單購(gòu)買元器件，一鍵PCB下單打樣貼片.

(3)立創(chuàng)EDA既可以在客戶端使用，也可以基于瀏覽器在線操作.使學(xué)生在任意一個(gè)場(chǎng)合都可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì).此外立創(chuàng)EDA還專門設(shè)置了教育版，教師能夠?qū)Π嗉?jí)團(tuán)隊(duì)的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行管理，及時(shí)了解學(xué)生進(jìn)度.

(4)立創(chuàng)EDA提供友好的支持.立創(chuàng)EDA為用戶提供社區(qū)支持，用戶間可以進(jìn)行互動(dòng)交流，及時(shí)獲得疑問的技術(shù)解答.同時(shí)立創(chuàng)EDA還有專門的硬件開源平臺(tái)，為用戶提供海量開源項(xiàng)目、經(jīng)典設(shè)計(jì)參考、實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目等，為用戶設(shè)計(jì)提供方便.

立創(chuàng)EDA可以實(shí)現(xiàn)從電路設(shè)計(jì)，仿真，PCB繪制，打樣，元器件采購(gòu)，貼片焊接一體化服，為廣大電子工程師、教育者、學(xué)生、電子制造商和愛好者提供服務(wù).將立創(chuàng)EDA應(yīng)用于電路分析基礎(chǔ)課程一方面能夠使學(xué)生加深電路理論的理解，另一方面能夠使學(xué)生將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，提高實(shí)際動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力[8].

2 立創(chuàng)EDA在電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用

電路分析基礎(chǔ)課程是電類三大基礎(chǔ)課程的第一門，該課程的學(xué)習(xí)直接影響學(xué)生對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)與興趣.

2.1 常用電子元器件的識(shí)別

教學(xué)資料上的電子元器件都是通用的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，很多學(xué)生不能夠?qū)⒎?hào)與實(shí)際元器件聯(lián)系起來.在課堂上直接展示電子元器件實(shí)物，由于體積較小，效果并不直觀.利用立創(chuàng)EDA能夠很好地解決該問題，在仿真模式下軟件提供了常用電子元器件的3D模型，如圖1所示為通用器件的3D模型.此外基于立創(chuàng)商城，可以直接查找元器件的實(shí)物圖片、封裝符號(hào)等.電子元器件不同型號(hào)性能參數(shù)不同，往往需要查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，由于學(xué)生初接觸電類課程，很多專業(yè)術(shù)語不理解，很難通過專業(yè)的英語網(wǎng)站查找器件手冊(cè)，而基于立創(chuàng)商城在立創(chuàng)EDA軟件繪制原理圖的過程中即可方便的查找到元器件的相關(guān)信息，如圖2所示為可調(diào)電位器的查詢界面.

圖1 立創(chuàng)EDA中通用器件的3D模型

圖2 立創(chuàng)商城元器件實(shí)物、符號(hào)及封裝

2.2 電路理論的仿真驗(yàn)證

傳統(tǒng)課堂教學(xué)以及教材中側(cè)重電路抽象理論的分析，與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐分割開來.實(shí)操實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、時(shí)間等原因不能夠很好的與理論課程同步，仿真是聯(lián)系理論與實(shí)際最好的方式.立創(chuàng)EDA完全中文化的界面，在線與客戶端兩種對(duì)計(jì)算機(jī)硬件無特殊要求的操作方式很容易讓學(xué)生接受.這里以疊加定理的驗(yàn)證為例.

疊加定理是要求學(xué)生必須掌握的線性電路定理，其內(nèi)涵是當(dāng)線性電路中有多個(gè)電源時(shí)，電路中某處的響應(yīng)可以看成各個(gè)電源單獨(dú)作用在該處產(chǎn)生響應(yīng)的疊加.如圖3所示，在立創(chuàng)EDA仿真模式下分別建立3個(gè)電路，圖3(a)是原電路，既有10 V電壓源V1也有0.5 A電流源I1，此時(shí)萬用表測(cè)出電阻R2兩端電壓為2.5 V.圖3(b)和(c)為電源單獨(dú)作用的分電路，圖(b)只有10 V電壓源V1作用，不作用的電流源支路開路，仿真后萬用表顯示5 V.圖(c)只有0.5 A電流源I1作用，不作用的電壓源短路，仿真后萬用表顯示-2.5 V.從仿真結(jié)果中可以看到原電路的電壓等于兩個(gè)分電路測(cè)得的電壓之和，驗(yàn)證了疊加定理的正確性.通過仿真使學(xué)生將理論與實(shí)際結(jié)合起來，加深對(duì)理論的理解，同時(shí)仿真也利于學(xué)生了解萬用表的使用方法，為真實(shí)環(huán)境下電子儀器的使用提供幫助.除了萬用表，在立創(chuàng)EDA中還提供了示波器、信號(hào)發(fā)生器等實(shí)驗(yàn)室中常用的電子儀器，如圖4所示.

(a)

圖4 立創(chuàng)EDA中的儀器儀表

基于立創(chuàng)EDA仿真不但可以在課堂進(jìn)行，學(xué)生也可以在課后自由發(fā)揮.仿真使學(xué)生將理論與實(shí)際結(jié)合起來，仿真不但能夠驗(yàn)證電路理論，將抽象內(nèi)容具體化，強(qiáng)化理論知識(shí)的理解，仿真也可以是對(duì)設(shè)計(jì)電路的預(yù)評(píng)估，同時(shí)當(dāng)學(xué)生在理論分析遇到困難時(shí)，可以通過仿真快速得到結(jié)果，為理論分析提供思路.

2.3 電路的實(shí)踐應(yīng)用

為了提升學(xué)業(yè)的挑戰(zhàn)度、增加課程難度、擴(kuò)展課程深度，需要使學(xué)生將所學(xué)“電路分析基礎(chǔ)”理論內(nèi)容綜合起來，與實(shí)際結(jié)合起來.很多學(xué)校在該課程教學(xué)改革中都認(rèn)識(shí)到了綜合性電路設(shè)計(jì)的重要性，即要求學(xué)生完成一個(gè)實(shí)物電路的設(shè)計(jì)制作.一個(gè)電路從原理圖到實(shí)物需要經(jīng)過原理圖設(shè)計(jì)、元器件購(gòu)買、實(shí)物焊接等環(huán)節(jié)，對(duì)于地方二本院校來說，實(shí)際操作難度很大.其一電路設(shè)計(jì)與仿真軟件的版權(quán)經(jīng)費(fèi)投入不夠，其二PCB板打樣的設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入不足，其三型號(hào)各異元器件的統(tǒng)一采購(gòu)分發(fā)工作量大.因而實(shí)際操作中經(jīng)常是軟件用盜版，PCB板用面包板或是萬能板替代，所有學(xué)生完成元器件完全相同的電路，這大大降低了挑戰(zhàn)度、創(chuàng)新性與高階性.

基于立創(chuàng)EDA及其相關(guān)商業(yè)平臺(tái)，這些難點(diǎn)都能輕易解決，電路的設(shè)計(jì)制作流程變得非常方便.如圖5所示為基于立創(chuàng)EDA的電路設(shè)計(jì)制作流程，教師首先在立創(chuàng)EDA教育版中建立管理班級(jí)團(tuán)隊(duì)，然后通過教育版下達(dá)電路設(shè)計(jì)任務(wù).學(xué)生選好題目之后，第一步通過立創(chuàng)EDA仿真模式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，第二步基于立創(chuàng)EDA標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行電路原理圖的繪制，為電路板的設(shè)計(jì)提供元器件封裝和網(wǎng)絡(luò)表連接，進(jìn)行電氣驗(yàn)證，同時(shí)原理圖還應(yīng)當(dāng)本著整齊美觀的原則，以便在設(shè)計(jì)報(bào)告說明書上提供清晰的電路，第三步在標(biāo)準(zhǔn)模式下從原理圖直接導(dǎo)出PCB，進(jìn)行元器件布局與電路板的布線，還可通過2D和3D視圖查看PCB電路板的實(shí)際效果與全貌，第四步通過標(biāo)準(zhǔn)模式“一鍵元件下單”功能在立創(chuàng)商城購(gòu)買元器件，第五步通過標(biāo)準(zhǔn)模式“一鍵PCB下單”功能在嘉立創(chuàng)直接進(jìn)行PCB打樣與貼片操作.最后每個(gè)學(xué)生收到由立創(chuàng)商城直接快遞的元器件與PCB板，教師只要提供最后焊接調(diào)試的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所即可.在此過程中教師可以通過教育版對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的仿真電路、原理圖及PCB圖進(jìn)行在線評(píng)價(jià)與指導(dǎo).

圖5 立創(chuàng)EDA電路設(shè)計(jì)流程圖

在電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)即將結(jié)束時(shí)，學(xué)生通過立創(chuàng)EDA及其商業(yè)化平臺(tái)完成一個(gè)完整電路的設(shè)計(jì)仿真與制作，使得學(xué)生將電子元件的識(shí)別、電路理論與實(shí)踐全部聯(lián)系起來，培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用能力，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最終提高學(xué)習(xí)效果.

3 基于立創(chuàng)EDA的課程思政元素挖掘

將立創(chuàng)EDA應(yīng)用于電路分析基礎(chǔ)課程的教學(xué)中，不但能夠提高專業(yè)教育效果，而且能夠豐富課程思政元素，落實(shí)立德樹人的根本目的.

3.1 強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育

當(dāng)前電子電路設(shè)計(jì)與仿真軟件存在一定程度盜版現(xiàn)象，如果在教學(xué)過程中使用相關(guān)盜版軟件進(jìn)行教學(xué)，容易對(duì)學(xué)生的工程倫理觀產(chǎn)生諸多負(fù)面的影響，不利于學(xué)生樹立正確的價(jià)值觀.尤其電路分析基礎(chǔ)課程是電類學(xué)生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)于學(xué)生樹立正確的工程倫理觀具有重要的導(dǎo)向作用和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義.通過使用立創(chuàng)EDA軟件進(jìn)行教學(xué)，不存在侵犯軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)的違法問題和倫理問題.因此，在教學(xué)過程中向?qū)W生闡明侵犯軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)的危害性，從法律和倫理兩個(gè)層面解讀保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要意義和價(jià)值，從而引導(dǎo)學(xué)生要不斷樹立正確的工程倫理觀，真正做到尊重知識(shí)、尊重創(chuàng)新，并且知法守法.

3.2 培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神

在教學(xué)實(shí)踐過程中，一方面通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和專業(yè)素養(yǎng)，提升學(xué)生的記憶歸納、理解綜合、分析推理和總結(jié)評(píng)價(jià)的能力.同時(shí)，另一方面利用立創(chuàng)EDA對(duì)電路理論進(jìn)行仿真驗(yàn)證來進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生探究精神、操作能力、知識(shí)應(yīng)用能力.學(xué)生通過經(jīng)歷完整的電路設(shè)計(jì)仿真與制作的實(shí)踐環(huán)節(jié)，其工程能力和創(chuàng)新、創(chuàng)意素養(yǎng)可以得到顯著提升.通過立創(chuàng)EDA軟件的應(yīng)用有效地將“專、精、細(xì)、實(shí)”大國(guó)工匠精神貫穿了整個(gè)教學(xué)過程.

3.3 激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)

目前我國(guó)電子信息的核心技術(shù)比較缺乏，EDA軟件等方面還是相對(duì)落后，立創(chuàng)EDA作為我國(guó)完全自主的電子電路設(shè)計(jì)仿真軟件，雖然與國(guó)際領(lǐng)先水平還有一定的差距，但是完全能夠滿足高校學(xué)生及個(gè)人用戶的電路仿真設(shè)計(jì)需求.因此，教學(xué)過程中可以一方面引導(dǎo)學(xué)生要正視我國(guó)在相關(guān)核心技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀和問題，并樹立遠(yuǎn)大的理想和愛國(guó)主義情懷，勇敢肩負(fù)新時(shí)代賦予的歷史使命.另一方面引導(dǎo)學(xué)生支持國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件，并且在使用的過程中通過社區(qū)等用戶支持平臺(tái)，對(duì)軟件存在的問題進(jìn)行反饋以促進(jìn)軟件的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新.通過立創(chuàng)EDA的教學(xué)應(yīng)用有效回答了培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人的問題.

4 總結(jié)

完全具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)軟件立創(chuàng)EDA，能夠完成電路的設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、PCB板的繪制，借助其商業(yè)化平臺(tái)嘉立創(chuàng)與立創(chuàng)商城，電路元器件一體化采購(gòu)以及PCB板一鍵打樣，使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便.將立創(chuàng)EDA應(yīng)用于電路分析基礎(chǔ)課程中，一方面使能夠使學(xué)生加深對(duì)電路理論的理解，達(dá)到“兩性一度”的需求，另一方面能夠使課程思政落實(shí)落地，培養(yǎng)學(xué)生的工程倫理，精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷與使命擔(dān)當(dāng).