EDA在电气控制类专业实验实践教学中的应用

解兆延 潘为刚 李小伟 刘广敏 王雪娟

摘要：电气控制类专业课程体系中包含课程实验和实践课程等大量的实践性内容，对培养学生工程实践和创新能力起着关键性作用。本文将嘉立创EDA软件引入实验实践教学环节，以“电路原理”和“电子工艺实习”两门课程为例，展现了EDA软件在实验实践教学中的应用流程。通过EDA软件让学生理解了电路仿真、原理图绘制、PCB设计厦工艺和焊接调试等内容。该软件的应用切实增进了学生对电子产品设计及制造过程的理解，在实际教学中得到了较好的实践反馈。

关键词：嘉立创EDA；EDA技术；实践实验教学

EDA工具是电子设计自动化（ElectroIuc Deswl Automation）的简称，EDA技术是电子设计自动化技术，将计算机作为重要的工作平台，发挥硬件描述语言的作用，针对系统逻辑进行全面细致的描述和说明，并通过一系列的程序，更好地完成编程下载等工作。EDA技术是现代科学技术不断更新和优化的重要产物，其中，主要是电路设计、系统仿真与系统分析这三个部分的内容能够充分有效推进电子信息专业教学活动的顺利开展，全面提升整体的教学水平。

新工科背景下，国家对I科电气控制类专业提出了更高的要求，尤其是更加重视实验和实践教学。电气控制类专业涉及较多方面的教学内容，同时需要采用较多的教具，将EDA技术积极应用在该项课程教学活动中，能够起到良好的效果。首先，EDA技术的应用多是采用了计算机这种教具，推进电路的设计和演示活动顺利开展，不需要购买更多的演示教具，促进教学成本得到良好的节约，节省了较多教学资源；其次，EDA技术充分发挥了现代教学优势，能够以更为直观和形象的教学手段展现出丰富的教学内容，这在激发学生学习兴趣方面发挥着积极作用。在教学过程中，通过引入EDA技术，一方面学生可以在直观性的学习过程中，更为全面细致地观察到专业知识和内容；另一方面教师通过EDA技术，可以更为科学合理地设计教学内容，提升教学活动的趣味性，吸引学生的主动性。因此，在教学过程中，教师将EDA技术应用到专业课程教学中，对提高学生学习的积极性和提升教学质量有很好的效果。

1 嘉立创EDA简介

嘉立创EDA是一款基于浏览器的EDA设计工具，用户使用时无需安装，直接通过浏览器就可以使用，同时也提供了桌面客户端供用户安装使用，支持Windows、Linux和Mac三大主流操作系统。同时，该EDA软件拥有超过100多万在线免费元件库，并实时更新，可在设计过程中检查元器件库存、价格和立即下单购买，缩短设计周期。

嘉立创EDA软件目前有两个版本，分别为EDA专业版和EDA标准版。标准版面向学生、教育功能和使用上更简单；专业版面向企业、团队，功能更加强大，约束性也更高。下面将从实验教学和实践教学两个方面，详细介绍EDA软件的标准版在电气控制类专业实验实践教学中的应用。

2 实验教学应用探究

该EDA软件标准版在仿真模式下，具有电路仿真功能，方便用户对实验电路的验证和调试。实验教学方面，以“电路原理”课程“基尔霍夫定律验证性实验”为例，首先制订了一套“理论分析－电路仿真－实验验证”式的实验指导方案，将嘉立创EDA标准版软件的仿真功能有机地融合到课程实验教学中，具体实施过程如图1所示。

本实验以两节课170分钟时长为例，包括课堂部分85分钟和课下部分85分钟，涵盖基尔霍夫定律验证的理论分析、电路仿真和实验验证三部分内容，按照课前预习、课中验证、课后总结的实施路径开展教学。

2.1课前预习环节

课前，教师通过雨课堂发布相关实验电路的预习任务，要求学生利用所学知识对电路进行理论分析。学生在实验前利用所学电路知识和分析方法，对实验电路进行理论计算。

2.2课堂教学环节

2.2.1知识回顾

回顾基尔霍夫定律的主要内容。通过雨课堂随机点名，让学生对课前预习任务的电路分析结果进行基尔霍夫定律验证，小组讨论、分析电路的分析结果是否正确，

2.2.2电路仿真

教师布置基尔霍夫电压定律验证电路仿真实验任务。学生利用EDA软件搭建仿真电路，完成仿真实验。教师引导学生进行理论计算数据和电路仿真数据的对照分析，进一步验证理论计算是否正确。同时在教学过程中结合EDA仿真实验内容，补充我国EDA软件技术及产业发展情况，适时引入思政元素，激励青年学生科技报国，肩负起发展和振兴技术产业重任。

2.2.3實验验证

教师布置基尔霍夫电压定律验证实验任务。学生使用电路原理实验箱的基尔霍夫定律功能模块，完成基尔霍夫定律的验证，并记录实验结果。通过帮助实验存在问题的学生分析实验结果不理想的原因，培养了学生的自主探究能力、动手能力、思考分析问题能力、创新能力及团队合作能力，同时培养学生实事求是、客观、严谨的科学态度。

2.2.4分组讨论

教师引导学生对理论计算、电路仿真和电路实验的数据进行分析，思考数据出现误差的原因。通过该部分实验课程，让学生对比理论计算、电路仿真和实物验证实验结果，对误差原因进行分析，引导学生在今后的学习过程中要理论联系实际，养成知行合一的习惯。

2.2.5总结归纳

教师进行答疑，帮助学生分析、总结、归纳实验结果。学生整理实验数据，撰写实验报告。

2.3小结

近三年，在线下的课内实验实施过程中，教师通过引入国产EDA仿真软件，替代原有国外的电路仿真软件作为线下实验电路仿真环节的软件工具，潜移默化地引导学生接受并习惯和喜欢去使用国产软件。

此外，在线上线下结合的授课过程中，也可以将EDA软件的云端共享工段引入日常的教学中，利用软件的在线仿真和网络共享功能，通过线上的形式较好完成了授课过程中在线仿真实验的开展，取得了良好的效果。

3 实践教学应用探究

本环节以“电子工艺实习”课程为例，详细介绍了应用该EDA软件的教育版开展教学实施的情况。与以往的电子工艺实习实施过程不同，本次实习采用电子设计制作全流程融入教学的方式开展具体的实施过程，如图4所示。同时在教学过程中，通过该EDA软件的教育版的引入，充分发挥该软件教育版针对教学的一些功能，简化整个实习过程中的任务下达、团队管理与成果验收等流程。

3.1原理圖设计

以“音乐律动LED”项目为例，整个项目设计难度逐渐增加，学生完成从模仿到创新的整个设计过程。首先，学生根据教师发布的参考图纸，将原理图所需元器件通过原理图库查找，调取相应元器件符号后放置于图纸中；其次，学生通过编辑元器件符号名称、编号和元件的PCB封装，放置完成后，再将元件通过导线和网络标签完成连接；最后，对设计电路进行ERC校验，完成作品原理图的绘制。设计完成后的原理图如图5所示。

3.2PCB设计

项目原理图绘制完成之后，选择“菜单栏－设计－PCB”将原理图中的元器件按照选定的封装导入PCB图纸，然后设定好项目PCB的尺寸，再设置PCB走线宽度、元器件安全间距和过孔内外径尺寸等设计规则。设置完成后，按照元件的电气连接关系，进行PCB的绘制。设计完成的PCB如图6所示。

3.3PCB制作

通过嘉立创下单助手，制作PCB样板。PCB样板具体参数如右表所示，下单参数选择如图7所示。

3.4焊接调试

在PCB制作完成后，学生在教师指导下根据电路原理图、PCB图装配图导出材料清单表，采购对应的元器件，然后在学校实训场地将元件有序地安装、焊接到PCB板上，教师在学生调试焊接调试过程中给予充分指导，引导学生积极思考，解决在调试过程中遇到的各种问题。

最终，所有学生都会完成原理图和PCB的设计工作，并将PCB制作出来。在后续的焊接调试过程中，90%以上的学生能够完成作品成品调试工作。同时，在项目调试过程中，学生也会针对出现的问题重新修正设计，最终完成项目整个过程。

3.5应用小结

本节将EDA软件教育版本引入电气控制类的实践教学环节，旨在提升实训效率和质量，通过电路设计和实物制作让学生们能从实训项目中体会理论与实际的结合，提升学生的动手能力、设计能力及工程能力。整个EDA软件将元器件选型、PCB生产制造、SMT焊接有机结合起来，使得项目的需求、设计、采购、生产制造和焊接设计流程有效衔接，让学生从单一的电路板设计逐渐向完整的产品设计、生产制造流程体系进阶，从而提高学生工程能力和实践水平。

4 思政元素

在课程实验和实践教学过程中，教学团队重点介绍了EDA行业背景知识，通过对比几款主流的EDA电路仿真软件的优缺点，使学生清醒认识到我国与其他国家在EDA电路仿真和设计软件方面的技术差距和国产化的替代难度，激发学生科技创新的决心；通过讲述国内EDA设计软件开发团队的拼搏奋斗史，教育学生要“敢闯敢干”，把小我融入大我，将个人发展与国家命运相结合，在传授知识的同时激发学生家国情怀，牢记科技报国和交通强国的使命担当。

结语

新工科背景下，通过引入国产EDA软件——嘉立创EDA，采用新方法、新理念融人课程的实验实践教学，将EDA工具和实验实践教学相结合，不断尝试提升整体学生实践水平和动手能力，更好地发挥学生主观能动性，对培养学生解决实际问题、培养学生的创新思维、提高创新能力、形成科学合理的产品设计思路和理念具有一定实际意义。

作者简介：解兆延（1981-），男，硕士，副教授，研究方向：电路原理、EDA电路设计、单片机技术厦其应用。