应用型本科电子通信专业EDA 课程教学改革探索

卢巍，宋月亭

(昆明文理学院信息工程学院，云南昆明，650222)

0 引言

随着智能科学的发展，现代电子产品的智能化越来越强、集成度越来越高，未来电子电路的设计复杂程度将会空前提高，呈现多学科多行业融合趋势。［1］工作人员只有对电子线路进行良好的设计，才能保证电子产品的安全性和可靠性，才有可能真正提高企业在市场当中的竞争力。［2］国内大学本科阶段的EDA 教学呈现两个趋势，一个是以硬件描述VHDL为主的EDA 技术，强调VHDL 语言的学习和数字器件中的VHDL 设计以及应用。[3]此方向的教学往往按照知识体系系统学习课程，实现逻辑编程、逻辑综合优化，其虚拟的编译环境，又可以运用于逻辑布局布线、逻辑仿真设计。另一趋势是电子电路设计的虚拟仿真，以电子电路设计软件Multisim 和protel 为代表的印制电路板设计。电路设计注重原理分析、电路设计以及虚拟仿真各个环节的配合，可以在设计成果实体化之前进行逻辑检测，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。这样的设计过程，大大降低了设计风险，同时提高设计可行性，成为现代电子电路设计的基础［4］。

我国应用型高等学校电子通信类专业学生，特别是独立院校，一种就业定位是立足当地的中小型企业和公司技术骨干人才。［5］学习EDA 技术，可以改变传统电子电路相关课程教学模式中理论加实验的教学模式，以电子产品设计为驱动，配合适合的教学方法，不论是以VHDL 为主还是以印制电路板设计为主，笔者往期研究中发现，加入EDA 教学，形成理论到EDA 设计再到实验的教学模式，可以有效提高学生对专业主线知识的掌握程度，同时，这种以产品设计为出发点的教学，还可以极大的结合学生未来就业方向，使知识与就业结合。这样可以极大的发挥学生的主观能动性，将学生的设计思路付诸于实践。

将EDA 技术在课程设计和毕业设计中应用。课程设计和毕业设计也是电子技术课程教学的一个重要环节。[6]在当前严峻的就业形势下，学生在毕业设计中通过对EDA 技术的运用，能明显增强竞争力。因为目前课程设计和毕业设计工程应用类题目不少，在毕业设计中引用EDA 技术，要求学生对所设计的电路进行模拟仿真调试、验证，在答辩时候进行实际演示，可以大大提高学生动手能力和开发设计能力。[7]

1 教学设计

笔者团队在往期研究中发现，应用型本科特别是独立院校的EDA 教学，应该结合地方特色和学校定位，重点改变传统的“说教”式教学，或者单纯的电子电路设计实验式教学。不能使EDA 课程变成课本电子线路的验证。针对以上教学方式，笔者在前期研究中提出以目的驱动的综合式电子电路设计教学。在学生EDA 课程中，花费少量时间熟悉电子电路设计后，以学科毕业设计，大学生电子设计竞赛，热点小型电子产品，当地特色电子行业简单产品为设计目标驱动，提出具有一定使用价值的设计问题，让学生边学习边解决设计问题，最终完成设计的教学模式。通过在学校教学过程中实践表明，这样的教学模式改革，可以有效调动学生积极性和探索能力，学生会从要我学习到我要学习进行转变。但同时也发现，这种教学模式缺乏最终导向和评价标准。

在得到学校相关资金支持下，以学校电子信息工程专业EDA 教学为研究对象，通过2014 级到2017 级三个年级的EDA课程教学，探索改变传统的验证式教学为目的导向式教学，重点在于改变传统的教师在EDA 教学过程中多以‘说教’式为主的教学方式，配以使用多年未改变的数模电实验指导书，通信原理实验指导书等一系列教材，使EDA 教学变成课本电子线路的验证，无法突出EDA 设计自身优点，还使学生缺少独立思考和个人见解能力，容易形成模式化教学的局面。

在研究中，首先运用信息工程学院电子信息工程专业的专业选修课程《课程项目设计》和《电路仿真技术》两门课程，探索运用EDA 技术中的Multisim 电路仿真软件，改变传统实验课按照实验课本直接搭建电路验证实验结果的教学模式，将电子电路设计的最新设计理念引入教学，强调仿真设计在电子通信系统设计中的运用，从实际设计问题出发，研究学生面对实际设计问题进行从理论设计到仿真设计再到实际设计的教学模式，探索将EDA 技术直接加入通信专业专业设计，以提高教学效果的教学模式。研究过程如下：

（1）运用数、模电中的基本电路培养学生Multisim 电路仿真软件的使用能力。在前期研究中发现，独立学院学生知识结构普片薄弱，知识体系不完善。所以必要的数、模电基本电路仿真可以以实验验证的方法提升学生对基础知识的掌握，同时，也可以使没有接触过EDA 电子电路设计的学生认识并学习相关技术。

（2）提出简单的通信电路设计问题，学生运用Multisim电路仿真软件模拟设计电路，培养设计思维，解决设计问题。这个过程很重要，通信电路中的基础问题，比如调制与解调，最佳接收，加密与解密的基础研究，可以激发学生积极性，同时初步培养学生目的驱动式学习。培养学生学习能力，在这个环节中，教学的重点是以学科基础问题设计为出发点，引导学生将学科中的多个知识融合，构建完成通信系统，并结合实际通信系统，尝试用所构建系统分析和模拟实际通信系统问题。

（3）运用PCB 开发板，结合数、模电中的基本电路培养学生搭建实际电路，解决实际问题的能力。研究的最终期望是进行作品转化，此环节可以有效培养学生实际制作能力。

（4）提出实际电路设计，让学生遵循现行电子通信系统设计师设计系统的一般设计过程设计实际电子通信系统。有了上述三个环节的培养，学生可以掌握电子电路设计的基本步骤和基础过程，同时思想上也会主动和实际电子产品结合，思考将设计和实用性较强的系统做对比分析。

（5）实用电路设计和目的驱动。此环节是教学中心环节，教学要提出具有实用价值的电子系统设计，可以从简单的，学生身边经常使用的电子产品入手，提出基本设计目标与设计要求，同时增加可实现的多个不同层次设计目标与设计要求。然后重点在于提出一个或者多个明确可实现的设计目的。在实践中，团队提出目的主要有以下几个:

考核目的,明确实物设计在设计考核中所占比例，鼓励最终实物完成，并在教学小组中加入竞争机制。同时推进竞争机制和设计目标结合，根据层次不同的设计作品实施教学评价。同时将总体教学评价分解到每一个设计中，根据设计的不同要求、设计难度和设计实现单独制定教学评价。

转化目的，教学最终的设计目的是作品转化，所以在申请必要资金支持的情况下，以现在学校大学生创新创业和各种各类电子通信类大学生设计比赛为引导，运用平行的三到五个设计题目，引导学生设计小组以完成这类目的探索完成一个完整系统设计。

毕业目的，在研究实践中发现，转化目的不是每个学生设计小组都可以完成，原因在于每个设计小组在基础知识、能力和兴趣爱好上的差异使之出现设计能力上有一定差异，如果一味追求每个设计小组实现作品转化，既不现实，同时还会降低部分小组的学习和设计积极性。这时，毕业设计就是一个可用工具，对于部分设计无法向转化目的要求中完成转化的设计，引导学生以毕业设计为目的进行作品转化。

（6）记录并总结研究过程中产生的各种问题和解决方法，探索将EDA 技术运用到电子通信相关专业实验课中的新的教学模式。

根据上述研究过程，笔者探索改变教学模式为图1 所示。

图1 EDA 课程教学设计图

在这个教学中，坚持以目的驱动为出发点，提出可行设计产品，设计产品要具有一定难度，给予一定规定时间，让学生一人通过学习可以实现，但不足以完全实现或者感觉设计时间不足，这时引导学生组建设计团队，将整个班级组建为一定数目设计团队，重点在引入团队竞争机制，在引入过程中可以适当加入课程思政元素。通过教师设计方向性指导，引导各团队完成仿真测试与实现，对仿真测试与实现进行教学评价。通过教学评价中发现可以进行实物转化的作品，以毕业设计，专业比赛或者产品转化为最终导向，引导学生进行设计转化，完成实物产品设计。

2 教学过程实例

以手机充电器设计为例，说明教学过程。手机充电器从电路设计角度，是将220V，50HZ 的市电转换成5V 直流电的装置，要求转换功率高，易实现，体积小，转换得到的电压稳定，误差小。他由变压、整流和稳压几个基本设计环节构成。变压器把220V 交流电变成交流5V 参考值，然后通过全桥整流把交流电变成直流电，最后通过电容作信号的低频滤波实现稳压。

整个设计包含最基本设计过程如下所示：

（1）采用电源变压器将生活用电电压降低获得所需要的交流电压。

（2）用桥式整流电路将降压后的5v 交流电转为直流电。

（3）通过一个电容来实现信号的低频滤波来实现稳压。

这几个模块的设计，均可以用学生在前驱课程中所学知识和技能实现基本的Multisim 电路仿真，但是基础仿真不足以构造电子产品。此时，教学中提出完成以上三个模块设计为设计考核基础目标，在学生小组完成基础考核目标后，学生对手机充电器的设计有一定设计体验，此时，给学生讲解充电型电子产品的一些行业设计标准和设计安全，同时，运用现实中手机充电器和学生设计电路能实现功能做功能对比，引导学生确立产品转化方向，在教学过程中发现，大多数小组学生首先会想到设计安全，并尝试修改设计解决。学生通过问题分析和研究，提出利用LM7805 芯片输出稳定的5v电压，也起到保护电路稳压作用，同时加入自动恢复短路保护实现更接近实物的稳压和电路保护效果。

在目的驱动上，选取此设计是团队从设计实用性，设计可行性，设计难度、学科知识运用和作品转化几个维度分析的结果，此设计作为课程早期设计。以日常生活中手机使用为切入点，提出设计实现一款属于自己的手机充电器为目标。引导学生查阅相关资料进入设计，学生在查阅相关资料后能很快发现各模块电路，同时根据学习知识经验愿意尝试设计，觉得可以完成。团队建设在以前简单项目中已经完成。在团队设计开始前，提出转换精度、转换效率和作品实物转化三个测试指标。通过课程考核成绩中的过程性考核评价进行考核。激励学生设计。学生设计得到基本电路如图2 所示。

图2 手机充电器基础实现仿真图

设计出基础电路后，引导学生发现作为应用型的充电器产品，此设计不能直接使用，因为缺少电路保护，在短路或过载的情况下，容易把手机等充电设备烧毁损坏。故在此电路的基础上加上了一个保护电路完善设计。

通过以上引导，学生经过分析和查阅相关资料发现可以利用继电器来实现电路断开，来保护充电设备。继电器简单来看就是一种开关，是一种由电来驱动的开关，动力来源是内部带线圈的电磁铁，线圈通电，磁性吸合衔铁，衔铁与电磁铁触点使得开关导通；当线圈失电，磁铁失去磁性，丧失吸力，由弹簧把衔铁弹开，触点断开。

最终学生设计出的充电电路如图3 所示。

图3 手机充电器仿真图

在正常情况，由两个通路实现对负载的供电，（vcc 过可变电容对负载供电，vcc 过三极管发射极过R3 对负载供电），当短路或者过载时，三极管被击穿，使得发射极-基极不能导通，电流从发射极流过集电极，使得线圈产生磁性，电容断开，自此两个通路断开，负载失去供电。当短路或过载消除时，三极管发射极-基极继续导通，可变电容接通，两个通路继续为负载供电。

在这里对学生设计报告进行过程性考核评价，但留下评价空间。同时引导并鼓励学生购买配件，在学校实验室中进行成品制作。最终，大部分学生都会尝试成品制作，并有一部分学生能完成作品成品转化，在转化过程中，学生也会重新修正设计。

教学最终结果，如表1 所示。

表1 教学结果统计表

从教学结果统计表中可以看出，学生对基础电路仿真完成度100%，说明学生通过钻研和设计，可以在专业知识范围内完成电子电路设计。在设计过程中引导学生和实际产品对比，找出不足，有大部分组的学生能将基础设计向实际电子产品靠拢。最终一部分学生能完成成品制作。当然，在产品转化过程中，研究团队也发现，学生基础的不足和独立学院一部分学生所特有的解决问题态度和持之以恒精神的问题在产品转化中产生很大障碍，并最终阻碍了30%的产品转化，这个问题将会在团队后续研究中尝试解决。

在项目得到学校资金支持的情况下，从教学效果看，以目的驱动的EDA 教学可以有效调动学生主观能动性，自主解决设计过程中的实际问题，学生学习积极性较高，相比于传统教学方式，可以更好的提升学生电子产品的设计能力，提升就业竞争力。

3 结论

应用型本科，特别是独立学院电子通信相关专业EDA 教学中，改变传统验证式EDA 教学为目的导向式教学，同时分组引入竞争机制，可以更好的发挥学生主观能动性，对培养学生解决实际问题，形成合理的电子产品设计思路具有一定意义。