以工作过程为导向的电子CAD课程教学实例

刘昆山

（江西省冶金技师学院，江西 新余 338015）

0 引言

传统的电子CAD课程教学模式存在将理论课和上机操作课分开组织教学，即在理论课堂上用多媒体演示教学的重点、软件的操作步骤和易错环节，再在上机操作教学环节进行演练，学生的学习效率低下，虽然能掌握软件的简单使用方法，但是难以培养学生的关键能力，特别是电子产品的开发能力[1]。

工作过程是指为完成一项工作任务并获得工作成果而进行的一个完整的工作程序[2]。以工作过程为导向的教学模式是指模拟工作过程进行教学过程设计的一种新的教学模式，这种教学模式不仅能帮助学生掌握专业知识和专业技能，更能有效地培养学生的关键岗位能力。通过这种教学模式培养起来的关键能力可移植性好，使得学生具有宽广的视野和独立成熟的人格，为其将来从事其他岗位打下坚实的基础。

1 以工作过程为导向的教学模式应用概述

笔者尝试在《电子CAD》课程教学中，采用以工作过程为导向的教学模式，以红外感应电路设计与装配为教学任务，将整个教学任务按工作过程设计成绘制元器件符号库、绘制电路原理图、绘制元器件封装库、绘制PCB电路板图、红外感应电路装配与调试等五个教学项目，这个五个教学项目对应了红外感应电路设计与制作的五个工作程序，使得整个教学过程是在模拟真实的电子产品设计与制作的工作过程中进行。

2 以工作过程为导向的教学模式应用过程阐述

2.1 绘制元器件符号库

教学活动1：绘制红外感应电路元件符号库参数表。任课教师应根据教学目标，课前收集并提供红外感应电路原理图、元器件清单等资料和元器件实物等材料，课堂上组织学生学习讨论这些工作任务过程中必须掌握的理论知识，然后完成红外感应电路元器件符号库参数表，表中最少应该包括的元器件的中文名称、英文名称、位置代号、封装名称等参数，具体如下：

表1 红外感应电路元器件符号库参数表Tab.1 Parameter table of symbol library of components of infrared induction circuit

教学活动2：创建红外感应电路文件管理系统。任课教师采用多媒体教学设备现场演示Protel99se软件的获取与安装，重点根据红外感应电路文件管理步骤（见图1）进行教学演示，教师演示后立刻安排适当的时间要求学生进行针对性训练，确保操作规范、正确，树立“零缺陷”的产品设计理念，这是培养学生关键职业能力的重要手段，让学生在实践操作中学习理论知识，培养学生严谨、认真的工作作风[3]。

教学活动3：创建红外感应电路的元件符号库。为了提高学生采用国家标准（GB4728）绘制电路原理图的能力，在教学过程中，不采用系统自带的元器件符号库，而是创建红外感应电路的元器件符号库。在创建元器件符号库的过程中，能让学生对元器件符号更熟悉。学生绘制电路原理图时，将变得像小孩子玩“搭积木”游戏一样简单易学。为了简化操作步骤，提高学习效率，笔者在教学中设计了元器件符号库六步绘制法（见图2），这种以流程框图引导操作步骤的教学方法非常适合软件类的教学[4]。

图2 元器件符号库六步绘制法框图Fig.2 Schematic diagram of six step drawing of component symbol library

任课教师采用多媒体教学设备，根据元器件符号库六步绘制法的操作步骤，以绘制电阻符号库为例进行现场演示2、3遍后，立刻安排适当的时间要求学生参考元器件符号库六步绘制法的操作步骤绘制电阻符号库，然后再根据《红外感应电路元件符号库参数表》的提供的信息，将表格内的10种元器件符号库全部绘制一遍，绘制完成后交给任课老师，作为教学评价的主要依据。

在实际教学中，严格按照上面提到的三个教学活动安排教学，教学过程中需要注意这三个教学活动的上下衔接的关系，不要颠倒教学活动顺序。在学生强化训练前，要为学生提供国家标准（GB4728）的元器件符号图形给学生。在组织教学活动前，通过微信公众号发布了相关的元器件符号图形给学生。（微信搜索公众号：电工电子技术，培训课程＞电子CAD培训＞第六课：六十个常见的元件符号库，在这篇文章里全面介绍了教学所需的元器件符号图，后面的教学过程中也会使用到该微信公众号的内容进行辅助教学。）

在正确的理论指导下，采用互联网辅助教学的方式，要求学生强化训练，学生操作的积极性大大提高，学习效果明显。实践证明这种教学方法非常适合电子CAD入门者学习。

2.2 绘制电路原理图

电路原理图设计是整个PCB设计的基础，它决定了后续工作程序的进展。为了降低学习难度，笔者在教学过程中，将绘制电路原理图的基本步骤设计为六步绘制法（见图3）。

教学活动1：现场演示红外感应电路原理图的绘制。任课教师采用多媒体教学设备，根据电路原理图六步绘制法的操作步骤，现场演示红外感应电路原理图的绘制，演示过程中，必须采用前面绘制的元器件符号库[5]。教学实践证明，这种类似小孩子玩积木游戏的电路原理图六步绘制法，能让学生在不知不觉中就掌握了电路原理图的绘制方法和技巧。

图3 电路原理图六步绘制法框图Fig.3 Schematic diagram of six-step drawing method of circuit

教学活动2：学生强化训练电路原理图的绘制。

任课教师现场演示完毕后立刻安排适当的时间要求学生参考红外感应电路原理图（见图4），根据电路原理图六步绘制法的操作步骤，完成红外感应电路原理图的绘制，对于完成比较好、比较快的学生，可以适当增加其他的电路原理图让其训练，或者安排该学生辅导其他还没有完全领悟的学生，这样能增加该学生的满足感和成就感，使得教学进度能更好地协调一致，稳步推进。

图4 红外感应电路原理图Fig.4 Schematic diagram of IR induction circuit

2.3 绘制元器件封装库

绘制元器件封装库的目的之一就是绘制PCB板，很多学生对PCB板的了解不够，所以在教学过程中必须讲授PCB的相关理论知识。

教学活动1：学习讨论元器件封装知识要点。第一，任课教师采用讲授法，讲解元器件封装知识，指出元器件封装是指元器件焊接到电路板时所指示的外观和焊盘位置；第二，任课教师现场提供一块真实的PCB板，指出PCB板上的外形像电阻，两头有两个焊盘，旁边标志了R1和10K字样的元器件封装，就是电阻的封装；第三，任课教师拿一个真实的电阻，刚好能安装到PCB板的封装上去，通过这样形象生动的讲解，学生一般都能理解什么是元器件的封装；第四，当学生对封装的基本知识消化吸收后，任课教师设置问题，让学生开展讨论，重点回答绘制元器件封装的关键是什么和如何确定焊盘与焊盘之间的距离等问题；第五，当学生明白了绘制元器件封装的关键是元器件的形状、焊盘与焊盘之间的距离必须和实际的元器件的尺寸一样、元器件封装的形状通常是采用投影法得到的等元器件封装相关的知识要点后，任课教师需要教授学生采用游标卡尺实际测量元器件外形尺寸和引脚之间的距离等参数，并记录在案，为下一个教学活动做好准备[6]。

教学活动2：现场演示、讲解元器件封装库的绘制。绘制元器件封装库是一件与实践联系非常紧密的教学活动，在教学过程中，为了降低学习难度，笔者设计了元器件封装库六步绘制法（见图5），要求任课教师按照元器件封装库六步绘制法的操作步骤，以电阻封装为例逐条现场演示、讲解操作过程。在这个教学过程要渗透讲解PCB层的知识要点和设置焊盘属性等知识点，使得学生在不知不觉中学习和掌握了PCB层的概念及相关设置[7]。

图5 元器件封装库六步绘制法框图Fig.5 Block diagram of six steps drawing for component packaging Library

教学活动3：学生强化训练元器件封装库的绘制。

在任课教师现场演示后立刻安排适当的时间要求学生参考元器件封装库六步绘制法绘制完成红外感应电路元件符号库参数表中的所有封装。在学生强化训练前，为学生提供元件封装的基本外形图，可以参考微信公众号：电工电子技术，培训课程＞电子CAD培训＞第11课：三十五个常见的元器件封装这文章进行辅助教学,降低学习难度。

教学实践说明，学生进行强化训练手工绘制元器件封装的教学活动，能有效地提高学习效果，增加学习体验。

2.4 绘制PCB电路板

通过前面的教学过程，学生已经掌握了元器件符号的绘制，电路原理图的绘制，元器件封装的绘制等PCB绘制的关键技术。

教学活动1：学习PCB绘制必须掌握的基本理论知识。任课教师采用教授法，系统讲授PCB板层的概念，包括单层板、双层板的基本概念和顶层、底层等基本知识，这是PCB绘制的必须掌握的基本理论知识，不讲明白这个理论知识，会影响后续的教学活动的进行。

教学活动2：现场演示、讲解红外感应电路PCB的绘制。在教学实践中，为了降低学习难度，笔者采用的是PCB十步绘制法（见图6）进行教学，这是简化的教学步骤，目的是为了让学生快速掌握PCB设计的基本步骤。

图6 PCB十步绘制法框图Fig.6 Diagram of 10 step drawing method of PCB

任课教师采用多媒体教学设备，根据PCB十步绘制法的操作步骤，现场演示红外感应电路PCB的绘制方法，因为操作步骤增加到了十步，难度加大了，所以在教学过程中，一定要适当控制教学速度，每完成一个步骤，都要询问学生是否理解和掌握，在得到学生肯定回答后才继续现场演示、讲解，笔者在实践教学过程中，一般都要现场演示、讲解两遍红外感应电路PCB的绘制过程。然后立刻安排适当的时间要求学生绘制红外感应电路PCB图三遍以上，学生绘制完成后要提交PCB文件给任课教师，作为教学评价的主要依据，下图是一名学生设计的红外感应电路PCB图(见图7)，PCB底部进行了铺铜操作[8]。

图7 红外感应电路PCB图Fig.7 PCB diagram of IR induction circuit

2.5 红外感应电路装配与调试

部分国内的大中专院校的《电子CAD》课程教学内容一般停留在PCB板的绘制上，很少将PCB设计文件制作成实物PCB板，再进行装配与调试，这种教学安排不符合以工作过程为导向的教学模式，因为学生还没有真正完成产品的设计与制作，“工作成果”的体验不深。为了弥补这个教学设计上的不足，笔者在《电子CAD》课程教学过程中，以工作过程为导向，增加了红外感应电路装配与调试的教学内容。

教学活动1：红外感应电路PCB板的生产。PCB板的生产由专门的厂家可以完成，首先任课教师对学生提交的PCB设计文件进行逐一检查、修改。检查的重点是绘制的电路原理图及PCB设计文件，不能出一点点错误，否则厂家生产出来的就可能是废板，浪费了时间和资金。修改的重点是PCB板子的大小，这直接关系到生产费用问题，在绘制PCB板布局合理的情况下尽量使PCB板最小化。然后任课教师应该和学生共同将设计好的PCB板文件打包发送给PCB板的生产厂家，等待三到五天后便可收到与学生设计的PCB文件一致的PCB板实物（见图8），这一教学活动能增强学生“工作成果”的体验。

图8 红外感应电路PCB板实物Fig.8 Infrared Inductive circuit PCB board material

教学活动2：红外感应电路装配及调试。从PCB厂家拿到生产好的PCB板实物和任课教师准备好的元器件实物，就可以进行红外感应电路的装配及调试。装配过程中最容易犯的错误就是把元器件放错位置，这也有可能导致产品装配失败，所以要求任课教师的教学重点应该放在装配步骤上，要求学生必须小心谨慎完成这个教学活动。在进行红外感应电路装配及调试的教学过程中，任课教师要帮助学生复习电子元器件的识别、检测与应用能力，进一步讲解电子产品装配、调试、检修的方法[9]。当学生亲手安装调试完成红外感应电路实物（见图9），能进一步提高学生“工作成果”的体验。

图9 红外感应电路实物Fig.9 Object of infrared induction circuit

3 结论

把红外感应电路设计与装配的工作过程作为一个整体，将专业理论知识和实践操作技能相结合，为学生创设真实的“工作环境”，每个工作环境对应一个教学项目，每个教学项目由若干个教学活动组成，学生通过完成教学活动掌握专业知识并提高实践技能[10]。这种教学模式有效地激发了学生的学习兴趣，提高了学生设计、制作、安装、调试电子产品的技能，有效提高了学生的岗位关键能力，开创了PCB设计人才培养新模式。