1、浅析中职电子专业教学中常用 CAD 软件及其应用 叶绿 集美工业学校 摘 要： 文章对电子专业常用的 CAD 软件的特点进行介绍及比较, 并以电子技能课程教学为例子, 选取两个班级采用不同的教学方式, 介绍了 CAD 软件在教学中的应用, 对比分析 CAD 软件应用在该项目教学中的利弊。提出:教学过程中不应过度使用 CAD 软件, 而应以实际操作为主、CAD 软件为辅, 方能相得益彰, 提高学生的理论及技能水平。关键词： 中职电子专业教学; CAD 软件; 教学环节 CAD 软件的应用; 作者简介：叶绿 (1979-) , 福建漳州人, 中级讲师, 主要研究方向:教育教学信息化。收稿日期：20
2、17-08-02Received： 2017-08-021 中职电子专业教学中常用的 CAD 软件在中职电子专业的教学中, Proteus 及 Altium Designer 是使用较多的 CAD 软件。1.1 Proteus 软件Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件, 可完成从原理图布图、PCB 设计、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真, 真正实现了从概念到产品的完整设计, 是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台, 其处理器模型支持8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086
3、 和 MSP430 等, 2010 年又增加了 Cortex 和DSP 系列处理器, 并持续增加其他系列处理器模型1。如图 1 所示, Proteus 软件是最近几年较为流行仿真软件, 在教学上首先是较多地应用于电子专业单片机课程的教学中, 由于 Proteus 可以和编程软件如Keil 等软件进行联合调试, 在程序修改调试的过程中即可在 Proteus 仿真软件中见到电路仿真的效果, 因此十分适合用于单片机芯片及其外围电路的仿真。随着信息化教学的发展及教学的深入, 尤其是随着 Proteus 器件库中元件的不断完善, 仿真模型的不断增加, Proteus 渐渐的开始用于模拟电路、数字电路等课
4、程的教学。同时, 与教学中较为流行的 Proteldxp 软件相似, Proteus 也可以完成原理图及 PCB 的设计。图 1 Proteus 8.0 软件界面 下载原图1.2 Altium Designer (Proteldxp) 软件图 2 Altium Designer 软件界面 下载原图如图 2 所示, Altium Designer 是原 Protel 软件开发商 Altium 公司推出的一体化的电子产品开发系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB 绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合, 为设计者提供了全新的设计解决方案, 使设计者可以轻松进
5、行设计。熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。图 3 Altium Designer 原理图输入错误信息标注 下载原图Altium Designer 是 Proteldxp 的升级版本, 其加入了嵌入式、可编程器件设计等新的元素, 使其能够更好的适应企业及设计公司的需要。从较早期的版本Protel 99SE 开始, 各个版本的 Protel 软件就广泛的应用于电子专业的教学中, 一般电子专业的教学中都开设了Proteldxp 电路设计等相关的课程。Altium Designer 或者 Proteldxp 在教学中的应用主要是在电路原理图的输入/PCB 设计制造等环节。1.3 Pr
6、oteus 与 Altium Designer 在电子专业教学上应用的比较与 Proteus 软件相比较, Altium Designer (Proteldxp) 软件在原理图输入的完整性及正确性的检查上, 设计了较为完备且灵活的规则, 同时在错误的标注上做到了直观、易查, 如图 3 为 Altium Designer 标注的原理图输入的错误及警告信息。另一方面, Altium Designer 在 PCB 设计环节中, 所支持的器件封装的多样性、设计规则的完整性及灵活性、PCB 设计完成后电路板与设计规则的匹配性、信号完整性的检查上, 相比 Proteus 有较大的优势。Altium Des
7、igner 软件在仿真功能上, 主要注重于模拟电路、数字电路的仿真, 而不具备单片机电路的仿真功能。从仿真数据的呈现方式上来看, Altium Designer 只能以图表的方式呈现仿真数据及结果, 而 Proteus 软件在仿真数据、结果的呈现方式上, 除了具备Altium Designer 的图表呈现方式外, 还具有动态的呈现方式即交互式仿真功能。如图 4 所示, 可以在仿真的过程中动态的呈现出波形的变化过程, 同时Proteus 具有动态元件库, 在仿真过程中可以动态的调节元件的参数, 元件参数变化对电路波形的影响可以在仿真波形上进行“实时”地呈现。图 4 Proteus 动态仿真 下载
8、原图表 1 Proteus 与 Altium Designer 特点比较表 下载原表 综上所述, 如表 1 所示, 在原理图及 PCB 的设计中 Altium Designer 具有优势, 而在仿真功能、仿真结果的呈现方式、趣味性方面 Proteus 具有较大优势。2 中职电子专业传统教学和 CAD 软件进行辅助教学比较在中职电子专业的教学中, 各门课程具有各自的特点, 在分析 CAD 软件的应用时, 我选取的是电子技能课程中的基本放大电路的制作项目为例进行分析。原因有如下 2 点:首先, 电子技能课程的教学过程基本涵盖了电路原理的讲解、电路板的设计与制作、元件的检测、电路板的焊接、电路的调试
9、等大部分电子专业的教学内容, 具有一定的代表性。其次, 基本放大电路的制作在中职的电子技能教学中具有典型的代表性, 电路结构及制作过程较为简单, 调试步骤明确, 电路的制作基本能够代表课程对中职学生的理论及技能要求水平。选取了 2 个电子专业班级的学生, 在同一个教学项目的教学中, 一个班采用传统教学方式, 另外一个班应用 CAD 软件进行辅助教学, 然后就这两种不同的教学方式进行比对。2.1 电子技能课程的传统教学环节如图 5 所示, 在传统的电子技能课程的教学过程中, 通常包括以下 5 个环节:图 5 电子技能的传统教学环节 下载原图(1) 电路原理讲解:在电路原理讲解过程中, 教师使用黑
10、板或者 PPT 进行电路原理的讲解, 学生被动的进行听讲, 做笔记。(2) PCB 设计:学生在教师的口头指导或者 PPT 示例图的指导下, 使用笔纸直尺等工具进行PCB 的设计, 出现错误需要耗费较大的时间和精力进行修改。(3) PCB 制作:在电路板上使用油性笔直尺进行描绘, 或者采用热转印的方式将电路图转印纸电路板上, 再对电路板进行腐蚀, 费时耗力。(4) 电路板焊接:使用电烙铁等工具在教师指导下进行焊接。(5) 电路板调试:凭借电路原理讲解环节中所学到的知识, 在教师及任务书的指导下进行电路调试。2.2 使用 CAD 软件进行辅助教学的电子技能课程的教学环节如图 6 所示, 应用 C
11、AD 软件进行教学时, 教学过程通常包括以下 7 个环节:(1) 电路原理图输入:如图 7 所示, 学生在教师指导下使用 CAD 软件进行电路原理图的输入, 在输入过程中, 对电路结构、电路参数有了初步的了解。图 6 CAD 辅助电子技能教学环节 下载原图图 7 电路原理图输入 下载原图(2) 电路原理学习及电路仿真:如图 8 所示, 在电路原理学习的过程中, 教师进行电路原理教学的过程中, 学生使用 CAD 软件对电路进行仿真, 电路原理学习环节和电路仿真环节形成闭环, 由电路原理指导电路仿真的进行, 电路仿真的结果与电路原理进行相互印证, 这个过程可以循环进行。图 8 电路仿真 下载原图(
12、3) PCB 设计:学生使用 CAD 软件, 从输入的原理图中导出 PCB 设计所需要的网络图在 CAD 软件上进行 PCB 的设计, PCB 所需的封装, 元件的位置、元件的放置等可以方便快速的进行, 如图 9 所示。图 9 PCB 设计 下载原图(4) PCB 制作:在使用 CAD 软件完成 PCB 的设计并进行设计规则、信号完整性检查后, 可以从CAD 软件中导出标准的 PCB 制作文件, 在运用 PCB 制板机进行制作。学生在教师的指导下了解自动制板过程, 对现代 PCB 板的制作过程有个初步的认识。(5) 电路板焊接:从 CAD 软件中导出标准的 PCB 装配图及元器件清单, 进行电
13、路板的焊接。(6) 电路板调试:如图 6 所示, 电路仿真环节及电路板调试环节也构成一个闭环, 即在电路仿真环节, 学生可以事先了解对应测试点的波形, 电压等电路信息, 从而明确调试的步骤和重点, 在电路板调试过程中, 将实际测得的波形和电压等信息与仿真结果进行验证, 虚的软件仿真与实的实际电路板调试结合进行相互比对。3 浅析 CAD 软件应用的利3.1 由教学环节实施效果角度分析如表 2 所示, 使用了 CAD 软件进行教学和传统的不使用 CAD 软件进行教学两种教学方式共有的教学环节的实施方式和效果的角度进行比对, 可以看出, 应用CAD 软件进行教学的方式, 在提高学生积极性、突破电路原
14、理学习的重难点、PCB 设计的效率、PCB 制作的效率、PCB 的“成品率”、电路的调试的效率、学生自主探究的积极性等方面, 具有较大的优势。表 2 教学方式、效果对照表 下载原表 表 3 教学工作量对照表 下载原表 3.2 由教学的工作量角度分析如表 3 所示, 在教学工作量方面, 应用 CAD 软件进行教学的方式与传统教学方式比较, 课时量似乎相差不大, 需要注意的是, 应用 CAD 软件进行教学的方式比传统教学方式多了电路仿真环节看似在此增加了工作量, 然而, 在电路调试环节, 由于借助电路仿真和实际的电路调试相互印证比较, 应用 CAD 软件可以在电路调试环节减少教学的工作量, 同时提
15、高教学的效率。而且, 随着教学的深入, 电路复杂性的提高, 可以预见的是, 在相同教学效果的前提下, 应用CAD 软件进行教学的教学工作量相对于传统教学方式将进一步减少;或者也可以说在相同教学课时的情况下, 应用 CAD 软件进行教学将达到更好的教学效果。4 浅析 CAD 软件应用的弊端及建议通过上述分析, 虽然显示使用 CAD 软件进行教学从学生的学习积极性、教学工作量、教学的有效性上都具有很大优势, 但是事物都具有两面性, 在笔者的教学实践过程中发现, CAD 软件无法解决教学过程中的所有问题, CAD 软件辅助教学的过程中应该注意防止以下弊端:4.1 以仿真代替实训, 只见虚不见实, 为
16、了仿真而仿真CAD 软件的运行环境简单, 只需要一台电脑, 安装上相应的 CAD 软件, 就可以运行。同一个教学项目, 如果采用仿真或部分采用仿真而不是全部进行实际动手操作的话, 学生操作简单易上手, 教师教学负担减轻, 因此, 省时省力的CAD 软件在某种程度对教师和学生具有天然的“吸引力”。完全用仿真或者过度的使用仿真代替实际的动手实训带来的问题显而易见:学生的动手能力下降, 遇到实际电路板的问题茫然无措。仿真会“过滤”掉实际操作中的许多细节问题, 例如, 在基本三极管放大电路中的波形测试, 在仿真中只需要使用鼠标点击虚拟仪器完成连线, 点击仿真按钮, 做适当的调节等波形就会显示。而在实际
17、的电路板的示波器使用中, 电源的开启, 波形的校准、调节、触发源的选择甚至探针倍率的选择都会影响最终的测量结果, 而学生正是需要在解决这些细节问题的过程中, 才能实质的提高自己的动手实操技能。因此, 在有实训条件的情况下, 尽量不要采用仿真, 或者仿真应该作为实践动手操作的补充。4.2 使用 CAD 软件可能影响学生学习专注力使用运行在电脑上的 CAD 软件进行辅助教学时, 一个不可避免的问题在于, 学生学习的专注力会受到影响。在笔者的教学实践中, 当学生在接触到 CAD 软件时, 兴趣浓厚、积极性高、学习专注力强。然而, 随着学习进程的深入, 当学生熟悉了 CAD 软件后, 不可避免的出现了
18、兴趣下降、学习的主动性降低等问题, 甚至, 少数同学出现了使用电脑玩游戏的情况。这在传统的教学课堂上是不可想象的。面对这样的问题, 教师应该加强课堂管理, 采用相应的评价、技术手段来确保学生的学习注意力。5 结语综上所述, 信息化的浪潮不可阻挡, CAD 软件在电子专业教学中的使用可以提高教学的有效性, 提高学生的学习积极性及主动性, 从这方面来看意义重大。然而, 教师在实际的教学实践过程中, 需要注意切忌过度使用 CAD 软件, 应以实际操作为主, CAD 软件为辅, 如此才能相得益彰, 切实的提供学生的理论及技能水平, 满足实际岗位需求。参考文献12489343.Proteus 简介EB/OL (2013-01-28) 2017-7-15.http:/ Jl50kc Ruiko5c E8Oi W8INz CUv0Yc Jbw_d GHMn Gbznei Mg42JPcbuyp Zmq6ary CSU7l MDNn_sp1BPD0S2jGs9qWptO4tECjSrEcI23.
