《汽车电路CAD》课程的项目式教学方法

王吉华　曲金玉　刘秀清

【摘 要】根据《汽车电路CAD》课程教学大纲和各部分内容的紧密关系，基于Protel 99se软件，将一个项目作为例子，阐述课程的项目式教学方法。根据课堂实践，能较好地将教学大纲内容融合到项目实践中，完成教学任务，使学生在兴趣驱动下，提高了学生的实践和创新能力，改善了教学效果。

【关键词】教学；项目式方法；实践；融合；Protel 99se软件

0 引言

项目式教学是在教学过程中，根据课程教学大纲目的和任务，教师为学生选择合适项目，学生在教师引导下，通过完成项目来达到课程教学和学生学习的目的[1]。项目式教学可让学生在项目中充分掌握基本概念和主要知识点，能较大程度地提高学生学习兴趣和积极性，并发挥主观能动性[2]。

根据《汽车电路CAD》（Computer Aided Design，，CAD）课程教学大纲要求，课程主要包括原理图、原理图库元件、印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）、PCB库元件等四个模块的内容，而且四个模块内容是紧密相关的一个整体，原理图库元件为原理图设计服务，PCB库元件为PCB设计服务，而原理图设计又是为PCB设计服务，最终目的是完成电路原理图和PCB的设计[3]。因此，不论在内容上还是在学习的先后顺序上，《汽车电路CAD》课程均适合应用项目式教学方法。将利用一个项目作为例子，使其贯穿于整个课程，介绍项目式教学方法的实行过程；教师在项目的各个阶段作适当引导[4]，并根据需要调整阶段性任务；学生通过实践项目，完成课程学习，带着探索精神和浓厚兴趣，对整个课程形成一个完整的知识体系，达到较好的教学效果。

1 项目基本任务、要求和参考

项目式教学首先是项目内容要覆盖大纲要求的各部分，其次是内容编排要适合教材内容的顺序，便于学生学习和完成项目，实现教学目标。《汽车电路CAD》课程是结合汽车电路进行CAD，结合这个特点，举出一个具体项目来阐述项目式教学方法。

在汽车上常使用各种光报警装置，项目基本任务是设计一个由单片机控制一个双色发光二极管进行闪光报警的光报警电路，具体要求是：1）绘制出电路图；2）打印出元件列表；3）生成网络表；4）设计PCB。提供参考的电路图如图1，包含四个虚线框，各自对应项目的四个功能模块，分别是单片机、单片机复位电路、单片机晶体振荡电路（简称晶振电路）和双色发光二极管等。

原理图中包含的元件信息如表1。表中列出了原理图中所需的单片机、双色放光二极管、电阻、电解电容、双极性电容、晶振和按钮等七类元件，包含其名称、原理图库中的名称（简称SCH名）和PCB库中的名称（即封装名，简称PCB名）。其中，在Protel99 se软件自带的库中没有双色二极管的原理图元件和PCB元件，需要自行设计，而教材和大纲要求的先后学习顺序是先原理图后原理图库元件设计和先PCB后PCB库元件設计，所以在项目进行的各个阶段，根据项目总内容和要求，教师需适当调整各阶段具体要求和任务，并作出引导，以保证项目的顺利进行。

2 项目各阶段实现

2.1 原理图设计

学生刚接触这门课程，第一次课的教师引导作用尤为重要。首先，需介绍本课程作用和地位、Protel软件的发展、课程学习内容和方法、Protel 99se软件安装和打开方法、文件组织管理以及课程包含的四个模块内容的相互衔接关系等；其次，介绍四个模块的内容所对应文件建立方法；最后落实到项目上，介绍原理图编辑界面组成、功能、主要菜单和工具条的使用，分析项目要求和原理图1的功能，解释表1中元件、SCH名和PCB名的含义。

由于Protel自带库中无双色发光二极管元件，本阶段用两个放光二极管D1和D2来代替，如图2，其SCH名为LED，封装可以用PCB名为AXIAL-0.3的元件来代替；

图2 两个发光二极管替代一个双色发光二极管

教师引导时，可使用Protel 99se软件边操作边讲解，学生打开电脑跟着老师操作，这样在项目的最初始阶段，学生能在理解课程和项目任务的基础上，较好地熟悉原理图文件建立方法以及编辑器菜单和工具条的使用，便于本阶段项目原理图设计。

在原理图设计阶段的项目要求下，学生根据SCH名查找元件，添加必要的原理图库，放置原理图元件和进行元件属性设置，并进行原理图布局和布线。放置的元件除了表1列出的7类元件外，还包含电源、接地和网络标号等对象，并进行网络标号名称和电源式样的设置。元件属性中，要设置元件的设计序号、封装；有的要设置名称，例如8051A，有的要设置属性值，例如电阻值、电容值和晶振频率等。

完成电路图设计后，根据菜单生成电路图的网络表和元件列表清单，并可连接打印机打印。本阶段项目设计内容，基本覆盖了大纲要求的内容，学生在项目设计过程中需参考教材，实时向老师提问，锻炼了学生的自学和创新能力。

2.2 层次电路图设计

进行大项目开发时，电路的功能复杂，元件数目较大，利用层次电路图可使设计条理清晰，模块化程度增加。这个阶段要求将图1中的四个虚线框分别作为四个子电路，设计图1电路的层次电路图。

在2.1中原理图设计的基础上，教师介绍层次电路图的子电路和主电路文件组织；分析主电路中各子电路的连接关系，以单片机和晶振两个子电路为例，如图3所示，在主电路中，二者的方块电路之间是靠方块电路端口X1、X2和GND进行连接，在各自对应的子电路文件单片机.sch和晶振电路.sch中是依据同名的电路端口进行连接；最后介绍自上而下和自下而上两种设计方法的步骤。

学生参考图1中四个子电路的划分，分析各子电路的连接关系，设计相应子电路端口或方块电路端口，进行自上而下或自下而上的层次电路图设计，并利用文件管理器或菜单来切换和浏览主电路和子电路。

2.3 原理图库元件设计

前两阶段中，虽然完成了基本原理图设计，但还没有真正完成项目所要求的前三项内容，因为图1和表1中双色发光二极管库元件及其封装都是暂时替代元件，而没有自行设计，本阶段将先进行双色发光二极管的原理图库元件设计，封装暂时换成DIP-4来代替，其实际封装需在后面的PCB库元件阶段设计完成。

教师分析原理图库元件的外形、引脚和属性三部分功能和作用，强调唯有引脚具有电气连接特性；介绍外形绘制方法和引脚属性设置；分析复合元件原理和绘制方法。双色放光二极管可作为由两个发光二极管组成的复合元件，可制作成如图1中DL1的整体形式或两个LED元件的独立形式。介绍复合元件由各部分元件独立组成的原理和利用New Part菜单设计的方法。

学生充分理解和掌握了以上基本知识后，可自行设计双色发光二极管的原理图库元件，并将库元件所在数据库加载，然后在原理图中放置该元件并将其属性中的封装修改为DIP-4，替代图2中的两个放光二极管，并重新生成网络表和元件清单列表。

2.4 PCB设计

以上完成了双色发光二极管原理图库元件设计并添加到项目原理图中，但其封装仍是替代元件DIP-4，本阶段利用已设计的原理图和网络表来初步完成项目的PCB设计。

教师介绍电路板的种类和概念、层的概念和作用、电路板的常用对象、PCB编辑器常用菜单和工具栏使用；分析电路板设计步骤、网络表和元件加载方法、元件布局方法、自动布线和手动布线的方法和区别；手动和利用向导新建PCB文件和完成电路板规划方法。

学生选择相应方法生成PCB文件和规划电路板；加载2.3中生成的原理图网络表和元件，若有错误需进行电路图修改，并重新生成和加载网络表，直到没有错误后执行加载；进行元件布局和自动布线以及手工布线调整；覆铜和补泪滴，初步完成项目的PCB设计。

2.5 PCB库元件设计

以上PCB设计时，双色发光二极管封装仍是暂时替代元件DIP-4，本阶段将自行设计，并修改PCB，最终完成项目任务。双色发光二极管的封装如图4，PCB名为DUALLED，四个引脚的中心点构成边长为100mil的正方形，外形为200mil的正方形，+号和1、2引脚的方形焊盘均为内部两个LED阳极标志，3、4引脚为圆形焊盘，四个引脚的孔直径均为35mil，方形焊盘边长和圆形焊盘直径均为62mil。

教师介绍PCB库元件设计编辑器、库元件设计方法和步骤、外形绘制以及焊盘添加及其属性设置；分析图1中双色发光二极管的SCH元件和图4中PCB元件的引脚对应关系，使学生深入理解实际电路中元件外形和引脚与电路原理图元件的内在联系和区别。

学生在PCB设计阶段对层概念理解的基础上，在PCB编辑器中新建一个元件并命名为DUALLED，选择顶层丝印层和综合层分别绘制要求的外形和焊盘。

重新打开2.3中修改后的原理图，在双色发光二极管的属性中将封装改为DUALLED，重新生成网络表。接下来是彻底完成项目的任务，有两种方法，一是，按2.4中的方法重新设计项目的PCB；另一种方法是修改2.4中设计的PCB，打开这个PCB的文件，删除覆铜和发光二极管的替代封装DIP-4，加载图4库元件所在的数据库，加载重新生成的网络表，由于网络表中仅将双色发光二极管封装DIP-4改为DUALLED并对其进行了连接，所以加载网络表后，PCB中其它元件的原始布线不会改变，只需将图4的封装移到合适位置，并手动调整和修改导线的连接，从而完成项目任务。

3 总结

使用项目式教学方法，将一个项目贯穿于课程教学的各个环节。教师在项目设计的各个阶段作必要引导，根据大纲和教材内容及编排顺序，适当调整项目要求，学生依次完成项目各阶段任务，最终完成项目设计。通过项目实践，完成了课程教学任务，提高了学生的创新能力，达到较好的教学效果。

【参考文献】

[1]龙菡.大学英语项目式翻转课堂教学设计及实证研究[J].中国教育学刊，2015（S2）：229-230.

[2]黄秀珍，陈淑玉.《网络系统集成实践》项目式教学改革和探索[J].科技资讯，2015（22）：145-146.

[3]王吉华，葛文庆，刘秀清，等.基于Protel的《汽車电路CAD》教学内容设计[J].科技视界，2015（4）：22-23.

[4]仲瑶.项目式教学的实施过程研究[J].科技视界，2015（36）：219，216.

[责任编辑：田吉捷]