工程教育专业认证指导下的电子线路CAD教学实践

张晓青

摘要：为了达成我校“测控技术与仪器”专业的毕业要求通用标准第4项（具备设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析），课程“电子线路CAD”旨在培养学生掌握先进软件进行电子线路分析与设计的能力，在课程中融合Multisim和Altium Designer两个软件，除课堂演示教学外，配合课程实验和上机考试环节，通过大量实际操作使学生进行电路仿真分析并设计印刷电路板，锻炼学生的电子线路分析和设计能力，为后续专业课程、大学生科技创新活动、学科竞赛等环节打下坚实的基础。

关键词：电子线路;计算机辅助设计;仿真软件;印制电路板

中图分类号：TP319     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）23-0142-02

目前在我国开展的工程教育专业认证是国际认证，是高等学校工程教育改革的国际化趋势，也是高校进一步发展的契机。我校测控技术与仪器专业已于2014年通过普通高等学校工程教育认证，为专业和学科的建设和发展赢得了新的机遇。工程教育认证通用标准中对毕业要求有明确定义，本专业认证过程中对毕业要求也进行了相应的细化，“电子线路CAD（Computer Aided Design）”课程对于通用标准第4项（具备设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析）具有有效的达成度和支撑作用。该课程是电子电气类、自动控制类、机电类、信息类、计算机类等专业都需要掌握的重要课程，教学内容涉及在硬件设计领域中实用的电子线路设计和仿真软件的应用[1]，实践性、应用性很强。测控技术与仪器是以光、机、电、计算机为学科基础的宽口径专业，具有多学科交叉特点，借助计算机完成电子电路的仿真设计和制板，是本专业学生的基本功。通过本课程的学习，可使学生正确掌握电子线路的计算机辅助设计基础知识、基本理论和基本设计方法，包括电子线路原理图绘制、电路性能仿真、印刷电路板绘制的基本知识，掌握绘制电路原理图和印刷电路板设计的操作技能，培养电子线路的实际问题时具备分析和解决问题的技能，并具有独立设计电子线路图和制板的工作能力。

一、教学软件的确定

在电子线路CAD技术涉及到的软件中，我们选用使用广泛、认可度高的Multisim和Altium Designer作为教学工具。二者各有特点[2，3]，Multisim主要用于模拟/数字电路的精确仿真，Protel主要用于电路板PCB设计。Mulitisim是一款专业的计算机仿真软件，数据模型丰富，运算能力强大，仿真结果稳定，包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，主要用来进行交互式的电路教学、电路图设计以及仿真分析。其元件库包含实际元器件和虚拟元器件两种模型，实际元器件的型号、参数值以及封装都对应于市场上已有的元器件，可使设计仿真与实际情况有良好的对应性，而虚拟元器件专门用于电路的设计与更为精确的仿真分析[4]。本课程选用了在国内高校普遍使用的、性能稳定的Multisim10作为教学工具。Altium Designer是一款杰出的设计制作电路板的工具软件，是业界第一款也是唯一完整的板级设计解决方案，将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能[5]。Altium Designer主要用来输入原理图及设计PCB板，相比其他电路板设计软件，它更适用于生产，在国内流行最早、应用面最宽，相关资料也很丰富。但其仿真元器件模型库较为简单，设置参数较为困难，因此其仿真功能被较少使用。本课程选用了成熟稳定的Altium Designer10作为教学工具。

二、课程实验设计

1.制定课程实验的目标。本课程“电子线路CAD”讲解的是在硬件设计领域中实用的电子线路设计和仿真软件，授课总学时为24，其中讲课为12学时，实验为12学时。讲课12学时主要是进行软件操作的课堂演示以及讲解重要的知识点，实验12学时主要是训练学生操作和使用两个软件的能力。因此实验内容包括了软件操作的基本技能以及核心运用能力，强调实用性，加深学生对电子线路CAD软件应用的理解，正确掌握电子线路原理图设计与绘制、电路性能仿真、印刷电路板设计与绘制的基本知识和操作技能，达到遇到问题及时上手、能够合理完成设计任务的目的，为将来从事电子线路设计工作打下坚实的基础。

2.设置实验项目。在本课程的实验项目中设置了12学时必开实验，包括验证型实验和设计型实验。主要目标概括为以下四点：（1）掌握电路性能仿真方法，提高对电路的设计、分析、调试、故障排除的能力。（2）掌握虚拟仪器仪表的使用方法。（3）掌握电子线路原理图设计的过程、方法及技巧。（4）掌握印刷电路板图设计的过程、方法和技巧，训练电路设计方面的综合工程素质。具体项目设置为：Multisim10界面设置及原理图绘制（2学时验证型）、Multisim10虚拟仪器仪表使用（2学时验证型）、Multisim10分析功能及电路特性仿真（2学时设计型）、Altium Designer原理图设计（2学时设计型）、Altium Designer PCB步线练习（4学时设计型）。

3.考核方式。考核内容为学生实验完成情况和实验报告两项。关于实验完成情况，考核学生是否参加实验、实验过程中是否认真、是否完成（独立完成）并得到正确结果;关于实验报告，考核学生的实验报告是否正确、完整、无误，实验报告的内容应包括实验目的、实验内容、实验中遇到的问题及解决办法，并附实验结果及分析，最后在实验报告上给出考核分数。对实验完成情况记实验成绩分，对实验报告记实验报告分。两项成绩之和为实验课成绩，占课程总成绩的50%。

三、上机考试设计

1.考试方法。配合本课程的教学目标，期末考试采用上机操作考试，开卷，一人一机，上交电子答卷word文件。老师对电子答卷进行评阅，记录成绩。考试题目类型为综合型大题，考查软件操作、模拟/数字电路分析与仿真、常用仪器仪表使用、元器件辨识、原理图和PCB图绘制的基本技能，考核范围全面，难度中等偏上，符合教学大纲的要求。endprint

2.考试内容。试卷一般包括三道大题，覆盖了本课程两个电子线路CAD教学软件的主要内容，包括基础部分和应用部分，考查了学生的基本操作技能和虚拟设计及测量的工程素质。第一大题为Multisim模拟电路操作题，主要考察软件Multisim的基本概念学习情况及模拟电路的仿真与分析能力，包括一些基本物理单位的使用、基本虚拟测量仪器仪表的使用等，例如：绘制单管放大电路、对电路输出变量进行测量以及电路频率特性测量等内容;第二大题是Multisim数字电路操作题，考察软件Multisim的使用情况，包括数字电路的元器件、常用虚拟仪器仪表及常用分析和仿真方法等，例如：按要求绘制异步预置计数器电路图、电路元件设置、添加逻辑分析仪进行波形测量等内容;第三大题是Altium Designer上机操作题，主要考察软件Altium Designer的学习应用情况，包括原理图输入、元器件库使用、PCB板绘制的基本规则和方法等，例如：计数显示电路原理图绘制、PCB图绘制、PCB板参数设置等内容。

四、结论

目前该教学模式已实行两年，效果显著，课堂演示、实验操作的出勤率接近100%，实验报告上交接近100%，多数学生成绩优良。从上机考试答题情况看，学生对基础知识点的掌握情况较好，按要求绘制电路原理图的操作技能达到了熟练的程度。对于“电子线路CAD”这门实践性和应用性很强的课程，我们在教学中选用Multisim和Altium Designer两个流行软件作为教学工具，完全符合时代科技发展要求。另外，加强课程实验和采用上机考试都强调了工程实践能力的培养需求，对学生动手能力的锻炼起到重要作用，这种工程能力在后续课程中得到了充分的应用和实践，包括：课程学习实验、课程设计（综合测控实践）、毕业设计、电子设计竞赛、大学生创新科技活动等环节。随着工程教育专业的建设与发展，对于各门专业核心课程的教学改革与探索始终是非常重要的。

参考文献：

[1]张文博，包振山，方娟.“电子线路计算机辅助设计”本科教学研究[J].计算机教育，2012，（22）：49-52.

[2]郑富龙，连桂仁.Multisim10和Protel DXP软件在电子产品研发中的应用[J].电子科技，2010，23（11）：19-21.

[3]王艳红，孔亮，李杨，等.计算机仿真软件在电路课程中的应用与比较[J].实验室研究与探索，2012，31（7）：88-91.

[4]张志友.Multisim在电工电子课程教学中的典型应用[J].实验技术与管理，2012，29（4）：108-111.

[5]谢龙汉，鲁力，张桂东.Altium Designer原理图与PCB设计及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.endprint