基于PROTEUS在硬件电路一体化教学中的研究与实践

王史春

摘 要： 文章针对高职学生的特点，根据多年的教学实践和高职院校的具体情况，提出以PROTEUS软件为核心的一体化教学：整体方案的设计、原理图仿真、PCB板制作、焊接调试、形成实用产品，体现学中做、做中学，发挥学生的主观能动性、创造性。

关键词： PROTEUS 原理图仿真 一体化教學

1.引言

一体化教学就是将学、做、教进行融合，营造集教学与实践于一体的教学环境，通过项目的实施，让学生在做中学、学中做、做中教、教中做，改变原来教、学、做分离的现象。构建一体化教室，提供必要的资源，包括硬件设备，供学生实践；网络资源，供学生查阅资料；计算机及EDA工具，供学生仿真设计；多媒体设备，供教师理论教学和实践指导。总之，一体化教学是系统工程，改变传统的教师教、学生学的模式，是集教、学、做于一体的教学模式，以学生为主体，充分发挥学生的创造性、主动性，提高学生的职业能力、人文素质等各方面的能力，提高职业教育质量。

教育部在“关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见”中明确提出“课程建设与改革是提高教学质量的核心，也是教学改革的重点和难点”，并且进一步明确高职院校要积极探索工学交替、任务驱动、项目导向等有利于增强学生能力的教学模式。当前，课程建设与课程改革已成为高职院校工作的重中之重。要以校企合作体制机制创新为突破口，深化改革、推进合作、提升质量，实现学校对接地方、专业对接产业、课程对接工艺，使学生员工身份合一、学做合一、课堂车间合一，不断提高人才培养质量，发挥示范引领作用[1]。笔者根据工学结合、校企合作、一体化教学的理念[2]，提出具体的做法，符合职业教育的发展趋势。

2.PROTEUS仿真软件

对于大多数高职院校，由于资金等各方面的原因，往往设备投入不足或设备老化，不能适应快速发展的硬件设备，学生还在用几年之前或更早的设备，根本不能适应企业发展的需要，学生毕业之后难以达到企业的要求。针对以上情况，笔者探索用PROTEUS作为仿真软件，构建一体化教学理念。PROTEUS是Labcenter electronics公司开发的EDA工具软件，除具有EDA工具绘制原理图、PCB自动布线和人工布线及电路仿真功能外，还有一个重要的功能是电路仿真是互动的，针对微处理器的应用还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，实现软件源码级的实时调试。

3.课程教学设计理念与做法

3.1一体化教学设计

硬件电路知识抽象，学生难懂，教师讲得吃力，但达不到应有的效果。首先，在专业调研及实践专家访谈的基础上，对职业能力和课程的关系作了分析，认为本课程分为以下几个部分：电路原理图的绘制与仿真、PCB制作、样机调试、产品剖析与设计和硬件故障排除。根据这些岗位确定教学目标：能对常用电子元器件测试和识别、用常用电子测量仪器对电路测试和故障排除、设计电路原理图并仿真及PCB板[4]制作、电子硬件产品生产过程和制作。然后进行课程整体设计，创设相应的学习情境，以行动为导向，以项目为载体，以任务为驱动，做中学，学中做，通过工作进行学习。具体实施过程：项目的选取（来自企业）—确定设计方案—原理图设计—PCB板制作—焊接——调试——形成产品。此过程从项目的选取到产品的形成，是体现一体化教学的思路，学生主动学习，体现一种全新的职业教学理念。

3.2具体案例

通过实践专家访谈和企业的调研，本课程确定的几个典型项目，笔者以“音频放大器”为例说明如何进行一体化教学设计。

图1 项目流程图

3.2.1方案设计

通过企业调研，用户使用的调查和资料查阅，确定产品的功能和参数，项目总体设计方案[5]。

图2 项目整体设计

3.2.2原理图设计

通过对项目的整体设计，然后进行项目分解，从信号输入级开始，逐级地通过原理图的仿真，根据方案设计要求达到参数指标，反复地修改电路参数，达到所需的技术指标，这在PROTEUS中能实时地仿真，并通过小组讨论分析确定原理图的设计。例如：电压放大级，通过以下电路反复地调试达到电压放大倍数等数据要求，先从单级放大电路开始，然后再讨论、调试。学生在电压放大倍数不够的情况下，引入两级放大，再通过电路的电压放大倍数、失真情况及示波器或万用表直接读出，非常方便。

图3 电路仿真

3.2.3PCB设计及Gerber文件输出

通过对原理图的调试，直到符合设计要求，这个过程完全通过PROTEUS软件实现，在此基础上通过PROTEUS ARES软件制作PCB，这个过程也是通过PROTEUS实现的。PCB板设计完成后，输出Gerber文件，生成PCB板有关文件[6]。

3.2.4焊接与调试

由班长担任项目经理，各小组领取元器件先到项目经理那里签字，然后到指定地方（仓库）领取元器件。经小组长安排，按任务要求，分派两位学生检测元器件，在检测中学习元器件知识；另外两位学生进行焊接，通过指导老师的指导和资料的查阅，学习并实践焊接技术；另两位学生对焊接的电路进行检测，是否符合指标要求。然后再改换角度进行，通过反复的实践，学生在做中学、学中做，指导老师及时把理论知识渗透其中。

3.2.5产品的形成和实践报告书写

从方案设计、原理图绘制与仿真、PCB板的输出到焊接，最终形成可应用于实际的产品。当然，对于学生制作完成的板子，还需要各方面的完善，包括某些属于非专业知识的领域，比如外壳的设计，需要做模型。这就要求学生发挥想象或跟机电系学生合作制作外壳，形成实用的产品。电路板完成之后，每个小组在充分讨论的基础上，对自己的产品进行汇报，汇报设计思路、产品功能、技术参数，同时对存在的问题进行汇报。对于此项目，就要求用自己制作的扩音机进行汇报，这可以直接对自己的产品进行检验。通过自评和互评，以及指导老师打分，形成一个比较合理的分数。教师及时进行点评和理论指导，使学生在讨论中学习、在讨论中提高。

最后，要针对自己的产品写一份实践报告，阐述产品功能、技术指标、使用说明、注意事项；同时形成一份有技术含量的报告，不能空讲，首先对自己的设计思路、如何实现过程进行详细描述，甚至每一个模块的理论计算、推理过程都要作详细的描述；在设计过程中遇到的问题，如何解决的，以及在哪些方面还存在问题，对电子元器件的选用，如何测试，电路图。

4.结语

硬件电路发展非常快，学校设备往往比较落后，如果以传统方式教学和做实验，学生只能对原理性的知识进行验证，而不能发挥学生的主观能动性、创造性，导致大部分学生失去学习兴趣，小部分学生理解书本知识、无实践能力和动手能力，这与我国倡导高职学生应以就业为导向，以职业为载体的培养人的全面发展是不相符合的。笔者提出以项目为载体，以行动为导向，以任务为驱动，营造一体化教学环境，让学生做中学、学中做，真正发挥学生主观能动性、创造性。以PORTEUS等软件为辅助教学软件，能实现仿真设计、PCB板制作，为后面的硬件电路板制作创造条件，开展一体化教学。

参考文献：

[1]刘明新.高职资讯第十期.高等职业教育研究所.2011.6.

[2]李娜，张惠峰.一体化教学在高等职业教育中的应用初探[J].大家，2011.

[3]周润景.PROTEUS入门实用教程.北京机械工业出版社，2007.

[4]周灵彬，任开杰.基于PROTEUS的电路与PCB设计.电子工业出版社，2010.

[5]李中发.电子技术基础.中国水利水电出版社，2008：47-52.

[6]张文涛.PROTEUS仿真软件应用.华中科技大学出版社，2010：58-72.