电子设计竞赛视角下“电子线路板设计与制作”课程改革实践与研究

施纪红

摘   要：文章通过对电子设计竞赛对高职学生电子线路板设计能力培养要求的剖析，找到传统教学与竞赛要求的差距，指出应从电子设计竞赛的视角对“电子线路板设计与制作”课程进行改革和实践。文章提出了依托慕课平台的项目化教学法，以达到“以赛促教、以教促赛”的目的，进而提高学生的工程实践能力与创新能力。

关键词：电子设计竞赛;电子线路板设计与制作;慕课;项目化教学法

各类电子设计竞赛不仅能激发学生的兴趣和潜能、提高学生的创新和实践能力、培养学生的团队协作意识，还可以帮助学生更好地将理论和实践相结合，从而提高学生的职业技能和职业素质。电子设计竞赛不仅能够考察学生理论知识学习的效果，更能检验学生对电子产品的实际制作能力。开展电子设计竞赛，能够实现高职学生从课堂学习到课外实践、从理论知识到动手实践的跨越[1]。

通过对10年来电子设计竞赛题目的分析，笔者发现竞赛主要涉及以下3大部分：模拟与数字电路分析，控制器编程、电子图的绘制以及印刷线路板（Printed Circuit Board，PCB）的设计。将PCB设计作为竞赛的重要组成部分，是由PCB设计在企业电子产品设计中的重要地位决定的。

近年来，全国及江苏省高职电子设计竞赛的题目均由高校、行业和企业的专家团集体研讨而来，具有较强的实用性和较高的前瞻性。依托对电子设计竞赛的要求分析，对“电子线路板设计与制作”课程进行教学改革是一个非常好的着手点。本文从电子设计竞赛视角对“电子线路板设计与制作”教学进行改革，期望达到“以赛促教、以教促赛”的目的，从而提高学生的工程实践能力与创新能力[2]。

1    竞赛与课堂教学的差距

通过对电子设计竞赛PCB部分的得分情况及和参赛同学的沟通分析，发现传统教学主要有以下问题：（1）绘图制版软件和企业使用软件存在差距。（2）绘图速度达不到竞赛的要求。（3）搜索、阅读能力不足，导致无法正确应用元器件。（4）实战经验不足，纸上谈兵，设计的PCB无法正常工作。

2    改革与实践

2.1  更新实验设备及软件，缩小和企业之间的软硬件差距

电子设计竞赛紧跟企业最新设计要求，使用当前最新的软件。学校只有紧跟企业标准、更换软件，才能保证学生毕业后实现零距离就业。本团队在2009年淘汰了PROTEL软件，开始讲授“Altium Designer Summe 09”软件，在2017年更新了计算机配置，将该软件的版本提高到了15版，满足了学生竞赛和就业的需求。

2.2  分层教学

利用慕课平台和课后时间加大练习力度，提高绘图速度。传统教学是教师上课时通过广播系统控制学生的电脑演示软件的操作，由于学生学习能力不一致，项目完成时间也不一致。有的学生阅读能力强，对照教程就可完成任务;有的学生在老师演示一遍后也能掌握相应的操作要点;但还有小部分学生由于记忆力、理解力和注意力的欠缺，同样看完一次演示后，不是错误不断，就是干脆无法下手。于是老师上课时需要单独辅导或者有选择地演示多次，导致课堂效率不高，课程内容只能偏重基础的软件操作。

为了提高教学效率和学生的绘图速度，本项目在两方面进行了改革：（1）利用超星慕课平台，针对每个知识点上传软件操作的小视频。学生可以根据自己的学习情况，提前学、选择性学、重复学。慕课平台的使用实现了个性化教学，上课时老师只需要解决难点和重点，提高了上课的效率。（2）将每次课程的教学任务分成课前预习任务、课上练习任务和课后拓展任务3个部分。预习和练习任务是全部同学都要完成的，拓展任务是提供给学有余力和希望有更大发展的同学的。这种模式帮助学生根据自己的能力和发展方向确定自己的学习目标，变被动学习为主动学习。

2.3  对课程进行项目化教学改革

借鉴竞赛培训的经验，分析竞赛试题，对课程进行项目化教学改革，培养学生的实践创新能力。在PCB设计中，同种芯片有直插和贴片两种封装;同样阻值的电阻电容，由于功率不一样，封装大小也不一样;由于功率不同、散热要求不同，器件在PCB上的安装方式也不相同。这些知识点在传统教学中，老师会将它们揉碎细化，然后手把手地交给学生。学生是老师让怎么画就怎么画、让怎么装就怎么装，只要按部就班地模仿，不需要独立地思考，学生对芯片的选择、安装工艺基本不关心，导致学生不会阅读元器件及电路说明书，如果遇到未见过的元器件，就不懂管脚关系、不会接线、不会制作封装，最终设计的PCB板不能使用。针对这些问题，对历年的竞赛题目进行分析、提炼，设计成适合高职学生学习能力的项目化教学任务。在教学中，老师不直接提供结论，而是提供相应的项目背景、电路资料、芯片说明书等，培养学生阅读资料，获取信息的能力。学生自己去分析器件的结构图、电气功能、安装工艺，最终设计合理的封装。在部分扩展项目中，老师只提供资料搜索的方法和线索，具体项目的实现均由学生自己完成。

本课程主要内容包括原理图绘制、PCB设计和线路板制作3大部分，也是PCB岗位的工作流程。原理图绘制中主要涉及简单、复杂和层次电路原理图绘制3个层次，PCB设计主要包含单面、双面和多层PCB板设计3个层次，电路板制作主要包括手工制版和外包企業制版两种。根据从简单到复杂、从单一到综合的学习认知规律，将学习项目分为模块项目和综合项目两大类。前期模块项目，学生绘制简单电路图，设计单面PCB板，手工制版。后期综合项目绘制复杂电路图，设计双面板，外发制版[3]。

模块项目是将竞赛的一个完整项目，根据功能划分成输入、输出、电源、控制等模块。每个模块制作完成后也可以组合成一个综合项目。模块项目和综合项目的教学过程基本一致，都是绘图、设计、制版。项目的难度和复杂性不一样，综合项目比模块项目的电路复杂度、制版要求均有逐步提升。通过一个个项目的完成，学生的工程实践能力与创新能力不断得到提升。

2.4  通過PCB实物分析和PCB制作，提高学生的实战能力

近年的电子设计竞赛利用了快速制版技术，能够将学生在竞赛中设计的线路板在设计完成后4个小时内直接成板，通过实物检验设计的良好性，不仅要求学生具备熟练的PCB设计能力，更要具备丰富的PCB设计经验。在传统教学中，由于受到课时限制、学生学习能力参差不齐的影响，教学重点一般放在原理图绘制上，而对PCB设计规则的讲解时间不足。同时由于耗材经费的限制，大部分的PCB设计并不进行实物制版，导致学生对元器件实物封装的匹配度、对安装器件后的实际电路使用效果不重视。学生认为是模拟设计，设计态度不认真，导致学生在大赛中设计出来的PCB版无法使用。

本项目进行了两种改革方案：（1）收集错误案例，将设计规则形象化。去合作企业、电子社团、电子课题项目组收集设计有缺陷的线路板实物，同时也在网站、BBS论坛收集PCB设计的错误案例图片。上课的时候通过实物电路故障分析、错误设计图片论坛分析，解读PCB设计规范，加深学生对规则的理解，丰富学生的设计经验。（2）参照竞赛命题，购买实物元器件。对每个教学项目选出一定数量的PCB设计文件进行制版、安装，检验学生的设计效果，端正学生的设计态度。在整个教学过程中，尽力将电子产品制造工艺要求贯穿整个设计，以此加深学生对PCB设计的实用性和可制造性的理解[4]。通过引导，学生开始了解电子产品制造工艺特点和电子产品组装技术，关注知名企业的PCB设计规范，学生的制版成功率、工程实践能力有了极大的提高。

3    结语

基于电子竞赛的“电子线路板设计与制作”课程改革实现了以下两大转变：变以培养软件操作能力为中心，为以培养学生工程设计能力为中心;变以教师教为中心，为以学生学为中心。该项目教学法的推进，对培养学生工程应用实践能力与创新能力具有重要的现实和指导意义。

[参考文献]

[1]阳明霞.电子设计竞赛推进高职学生创新能力的培养[J].教育教学论坛，2019（6）：264.

[2]吴和静，田崇瑞.电子设计竞赛视角下“模拟电子技术”课程教学改革与实践[J].电子测试，2019（8）：129-130.

[3]黄权.高职《电子线路板设计与制作》课程学习项目的设计[J].科技视界，2016（2）：218.

[4]彭远芳，张静.电子线路板设计实训课程教学改革实践[J].教育现代化，2016（4）：10-11.

Abstract：In this paper， the gap between traditional teaching and competition requirements is found， through the analysis of the students PCB “Design and Fabrication of Printed Circuit Board” course. And this paper puts forward a project-based teaching method based on the platform of MOOCs， in order to achieve the purpose of “promoting teaching by competition” and “promoting teaching reform with skill contest”， and then improving students engineering practice ability and innovation ability.

Key words：electronic design competition; design and fabrication of printed circuit board; massive open online course; project-based teaching method