基于EDA的“电路分析实验”远程教学实践

谷良田，李派霞，席红霞，王 瑛

（北部湾大学，广西 钦州 535011）

0 引言

远程教学注重个性化和社会需求[1]。受新冠肺炎疫情的影响，“停课不停学”的需求进一步突出了远程教育的重要性。本文基于“电路分析实验”课程的特点，立足教学目标对学生能力的要求，重构教学内容，基于EDA软件，对远程开展“电路分析实验”课进行了研究和实践，并通过设计相应的考核办法对教学效果进行了检验，结果达到教学要求，为远程开展此类实验课程提供一些借鉴。

1 课程特点及开展远程教学的难点

1.1 “电路分析实验”课程特点

“电路分析实验”是一门基础实验课程，课程内容主要是验证欧姆定律、基尔霍夫定律、叠加原理、互易定理、戴维南定理、诺顿定理等基础电学理论。在这些验证实验的基础上可设计综合、复杂的实验项目，培养学生电学实验操作习惯与思维，提高学生动手能力。这门课程一般安排在学习电路分析理论基础之后、开设所有专业课之前，是一门专业基础性的实践课程。该阶段的学生还未做过类似的实验，对电学实验的基本方法、操作规范、基本的仪器仪表使用等都不甚了解。因此，该实验课程不仅对“电路分析”课程所涉及的重要理论进行验证，还是引导学生电学实验入门的重要课程，起到培养学生建立基本的电学实验思维的作用。

1.2 电路分析实验课远程开展的难点

通常此类实验在专门实验室使用专用实验设备开展。这种方式虽然能让学生接触到实验设备锻炼动手能力，但实验设备面板上安装了多个实验项目所需的线路与元器件，单个实验仅仅用到其中某些部分，再加上设备上许多电学标号是在理论课中没有涉及的，这给初学者带来很大困扰。另外，设备出厂时已设定实验项目，可调整范围小，且需要学生实地上课，不能灵活开展。

常见的具有电路仿真功能的软件有Proteus、Multisim、Altium Designer等[2]，通过电路仿真软件可以克服硬件条件的束缚，但仅通过仿真软件无法替代上机操作实验[3]。主要原因：大多仿真软件为国外软件，需要付费才能获得使用授权许可；部分仿真软件功能丰富，使用繁琐，无法在有限的学习时间内掌握；部分仿真软件难以接近实际环境，学生获得直观感受的程度小。

2 解决方案及实施流程解析

在疫情时期，为了使学生既能在远程熟练运用实验理论，又能从实际操作中得到锻炼，提升实验动手能力，培养电学实验思维，本文基于EDA软件实现线上仿真。EDA软件简单易学，可线上定制印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）；通过线上商城购买元器件，线下邮寄至学生手中；教师使用远程视频会议软件指导学生完成线下实验操作。远程开展线上线下电路分析实验课程的流程如图1所示。

图1 远程开展线上线下电路分析实验流程

2.1 线上仿真及设计电路PCB

教师线上注册并创建EDA班级，将学生的账号加入班级学习群，进行班级工程组管理，能随时查看学生线上仿真实验项目的进度。用EDA软件进行仿真实验流程如图2所示，主要步骤：从仿真模式下的元件库里选取仿真模型添加到编辑区，按实验电路将已添加的仿真元件进行连接；在仿真电路中添加需要的仿真仪器仪表、激励源；设置各元件、仪器仪表和激励源的参数使其符合实验条件，最后设置仿真软件环境的参数即可运行仿真[4-5]。仿真运行后，观察仪器仪表的现象并记录相应数值，如果需要改变条件重复实验，可通过改变元件参数或改变仪器仪表测试对象来实现。

图2 仿真实验流程

通过仿真实验的电路可进行PCB设计。其设计主要流程如图3所示，包括在元件库中选取元件、在原理图编辑窗口中设计电路原理图、为每一个元件添加PCB封装、将原理图设计的电路信息导入到PCB设计编辑文件、在PCB文件中进行元件布局和布线、不断优化完成PCB设计等步骤。值得注意的是，设计PCB时需要考虑实验操作的便捷性，如预留好各种接线端子；为了测量方便，还需要在必要的支路上留有短接和断路端子；对于需要在实验时更换的元件预留插座替代等。PCB设计完成后，教师对PCB设计文件进行审核，确保学生所设计的PCB工艺可实现、功能满足实验要求，然后再指导学生购买相应的元器件和工具。以上工作完成后学生即可开展线下实验。

图3 PCB设计流程

2.2 线下实验操作指导

实验项目的原理图和PCB设计完成后，发送至PCB工厂进行样板加工。经过线上仿真实验和PCB设计，学生已具备一定的知识储备，线下较易装接PCB实验电路。教师确认学生都获得PCB、相关元器件及必要的焊接、测量工具后，远程指导学生装接实验电路板。远程指导包括以下几个步骤：

1）以群直播或其他会议视频方式指导全体学生检查元器件和工具，熟悉必要的装接工艺和知识。

2）指导学生装接电路。

3）指导学生进行电路板关键测试点测试，以确定装接质量；针对个别未能完成任务的学生进一步指导。

4）指导学生远程开展线下电路分析实验项目操作，观察学生操作步骤和过程，引导学生注意对比理论、仿真、实操的区别和联系。

5）针对具体实验项目进行举一反三训练，着重培养学生知识迁移和运用能力。在教学实施过程中，引导学生将知识迁移到实际应用的例子，例如练习“电路中电位”这一实验时，与测量家用三孔插座的火线、零线、地线电位进行类比。远程指导线下使用PCB实体开展实验时，通过远程视频软件展示实验室设备对应的功能模块，分析实验电路元件在PCB板和设备上的表示形式以及对应关系，介绍两种形式实验的等价处理方法。如图4所示为“电路中电位”实验所用PCB与实验室设备功能模块的对比。

图4 “电路中电位”实验电路对比

6）批阅学生实验报告，重点关注学生对实验结果的分析。

3 教学效果检验与分析

3.1 教学效果检验设计

本文通过对照法进行教学效果检验。将历届在实验室设备上完成电路分析实验学习和上机考核的学生作为对照组，远程线上线下开展电路分析实验的学生作为实验组。因疫情原因，实验组学生仅能接受远程线上线下实验课程，即本文检验的自变量为开展实验形式，其取值为“接受实验室设备上完成电路分析实验学习”和“接受远程线上线下完成电路分析实验学习”这两种情况。

对照组考核采取抽取题库题目进行上机操作的形式，题库中的实验项目为与已学实验项目难度相似的实验。因疫情好转，实验组学生回到学校后仅需1个小时的实验室适应和检查时间，在没有用实验设备开展具体实验项目练习的前提下，按照对照组考核方式和要求进行考核。采取与对照组统一标准进行考核评分，对比两组学生考核成绩即可反应两种方式的教学效果。实验组虽然线上仿真可进行多种实验，但在线下自行练习时因实验成本的限制，不能配备示波器、函数信号源、功率因数表等设备，因此考核避开了少部分需要此类设备的考题。为实现数据可比性，仅挑选抽中与实验组考题类似的学生数据作为参照。

3.2 检验结果与分析

经筛选往届3个年级11个班中307名学生的实验项目，考核题目符合对照要求,将其数据进行统计，同时对本次实施远程教学模式的所有学生（共86人）的数据进行统计。整理出实验组和对照组的数据，学生考核成绩分布如图5所示。

经统计分析，实验组学生成绩的方差为211.08，总体标准偏差为14.44；对照组学生成绩的方差为230.15，总体标准偏差为15.15。根据图5可知，两者分布规律相似。因此，远程线上线下电路分析实验的教学效果接近在实验室训练的教学效果。

4 结语

本文根据“电路分析实验”课程的特点，利用EDA作为核心软件工具，远程开展线上线下实验教学，解决了疫情期间学生不能到校使用实验设备开展电路分析实验的问题。这种实验教学方式具有不需要建设实验室、不受地域约束、灵活、学生易于上手且便于掌握实验原理等优点；但实验平均成本高,受成本限制无法开展一些需要费用较高仪器（如示波器、函数信号发生器、功率因数表等）的实验项目。因此，这种方式并不能完全取代在实验室集中开展实验，它可作为一种辅助手段对电路分析实验教学进行补充，也可为“电路分析实验”课程重构、线上线下课程改革等带来新的思考。