基于Proteus的电子基础课程实践教学模式改革

刘 勇，李 海

（华南农业大学 理学院，广东 广州 510640）

电子基础课程是电子类专业学生必修的课程，电子技术是一门实用性非常强的工程技术，电子基础课程的实践教学，直接影响到学生专业素质和创新设计能力的培养，因此，如何利用有限的资源，更好地提高效率，把实践教学与设计、创新能力的培养相结合，探索一种实用高效，性价比高的电子课程实践教学模式是非常必要的.

1 电子实践教学模式改革的思考

电子基础课程包括电路分析、模拟电子技术、数字电子技术和单片机技术.传统的电子基础课程实践教学模式一般是在相关理论课讲完之后，让学生在电子实验箱进行一些验证性或综合性的实验，从而巩固所学的知识，此外，还会开设一些课程设计以提高设计和动手能力.这一模式确实能使学生的动手能力和设计能力得到一定的提高，但这个模式相对比较粗糙，存在一些问题.

首先，成本较高.学生在动手实际操作之前缺乏过渡性的模拟训练，对仪器和器件相对不太熟悉，导致操作失误频繁，元器件消耗较大，实验成本较高；第二，实验方式呆板，缺乏互动.一般的实验箱只是一个实验装置，在所设计电路发生错误或操作有误时，缺乏适当的提示，面对复杂电路问题的查找，容易使学生产生烦躁情绪而降低对实验的兴趣，从而使实验的效果大打折扣；第三，实验的设备和场所较为固定，每次实验一般不能分段，耗时较长，制约了实验的次数；第四，资源占用大.有时候为了保证一些简单的例如验证性的电路实验，也不得不投入大量的资源；第五，缺乏拓展空间.实验箱的配置一般比较固定，可拓展的空间较少，单纯在实验箱进行若干次实验和一两次的课程设计，不足以让学生有足够的设计和创新经验，学生设计能力和创新能力的培养受到限制；最后，传统电子基础课程的实践教学往往条块分明，各门课程的教学实践较为独立，缺乏融合，系统整体的思路不太明显，使创新活动在素质培养方面缺乏系统性和综合性.

以上问题在不少学校中都有所存在，针对这些问题，国内部分著名的高校如哈尔滨工业大学等已经进行了虚拟实验的探索，开始把Proteus电路及单片机系统设计与仿真软件引入到实践教学和创新活动中来.

2 Proteus仿真软件介绍

Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，由ISIS和ARES两个软件构成.其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑软件[1].ISIS是一个操作简便且功能强大的原理绘图工具,它整合了SPICE的仿真模型,拥有超过8000个元件的庞大库结构.除了具有和其他EDA工具一样的原理布图功能外,最大的优势在于它包含了革命性的系统级仿真器VSM技术,可以互动的对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列、ARM 7/LPC2000系列以及Z80等.还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等还可以执行传统的时间、频率、变量扫描的仿真操作.同时,由于其具有丰富的器件库,还可用于模拟和数字混合电路仿真分析.ARES则可将ISIS的仿真原理图生成PCB版图,具有和PROTEL类似的PCB自动或人工布线[2].Proteus除了能实现数字电路、模拟电路及数/模混合电路的设计与仿真外，尤其能为单片机应用系统提供方便的软、硬件设计和系统调试、运行的虚拟仿真，这是Proteus最具特色的功能[2].

3 基于Proteus软件的电子基础课程实践教学模式改革

鉴于电路分析课程的实验多为验证性的实验，而教学经费应该重点用在对学生设计和创新能力培养的重要环节上，因此，电路分析实验以仿真的方式进行，这样可使学生通过虚拟的方式先熟悉一下各种电子仪器，也可优化实验资源的配置.模拟电子技术、数字电子技术以及单片机的实验和课程设计均以实物操作为主，虚拟仿真为辅的方式进行，这是因为一方面在学习的初级阶段，电子线路的复杂程度不高，涉及的电子元器件不多，大部分可由相应的实验箱或实验板提供，需要的耗材较少；另一方面学生需要对电子器件和仪器设备有直观的感性认识，以提高其学习的兴趣，训练其动手能力.

电子基础课程实践教学模式改革的重点，是在电子基础课程学完之后，专门开设电子设计自动化的综合实践训练课程，融合所学知识，打破课程间的条条框框，进行系统和综合的应用型设计训练.利用Proteus不但能实现数字电路、模拟电路及数/模混合电路的设计与仿真，而且还能为单片机应用系统提供方便的软、硬件设计以及系统调试和运行虚拟仿真的特点，强化电路的整体系统设计，范围涵盖了电子基础课程的内容.该综合实践训练课程不同于几个人一组一个课题的课程设计，强调的是每个人都要完成多组综合性和应用性的电子系统设计.学会从设计中发现问题和解决问题，强化电子设计自动化手段的应用.

在Proteus仿真的环境中，由于取消了各种限制，设计自由度大大提高，学生可根据自己的思路对一个课题进行多种多样的方案设计，同时还可以对电路运行效果进行仿真，通过不断仿真实践，实现自主学习，这对拓展学生的思路，提高他们的创新能力有莫大的好处.

综合训练的课题，部分可参考周润景等[4]编写的《基于PROTEUS的电路及单片机设计及单片机设计与仿真》，张毅刚等[5]编写的《基于Proteus的单片机课程的基础实验与课程设计》给出，也可是语音日程提醒器、程控滤波器等系列自主给出的课题.

4 教学改革的效果与总结

以学习成绩相当的两组学生进行对比试验，新实践教学模式培养的学生作为项目组，传统实践教学模式培养的学生作为对比组.试验结果表明，两组学生的毕业论文优秀率有比较明显的差别，项目组学生毕业论文优秀率可达80%，而对比组学生的优秀率只有大概20%，项目组的成员有全国大学生电子设计赛广东赛区二等奖的获得者、实用新型专利的申请人和科技论文作者等，这些都是对比组有所不及的.

基于Proteus软件的电子基础课程实践教学模式改革，可使一些验证性为主的实验通过仿真的手段虚拟化，节省经费，优化实验资源的配置；在大幅提高学生综合性、设计性实验学时数的同时，大大降低实验成本；仿真设计取消了例如场地、时间、仪器和元器件等因素的限制，极大地提高了设计的自由度和设计效率；打破课程间条框的综合设计训练，有效提高学生对所学知识的整合能力，这些对进一步提高学生的设计能力、创新能力和专业综合素质有十分重要的意义.

〔1〕刘映群,孙兵,陈涛,等.Proteus与 Keil在单片机教学中的应用[J].中国现代教育装备，2010(11).

〔2〕陈骏莲.PROTEUS7.1在电子技术综合实验中的应用[J].实验科学与技术,2009(03).

〔3〕张毅刚,胡瑞强.基于Proteus的单片机课程的教学改革与实践能力培养[J].教育教学论坛,2012(05).

〔4〕周润景,张丽娜,丁莉.基于 PROTEUS 的电路及单片机设计与仿真（第二版）[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

〔5〕张毅刚,杨智明,付宁.基于 Proteus的单片机课程的基础实验与课程设计[M].北京:人民邮电出版社,2012.