EDA在专业基础实验教学中的应用

郭艳清

（中原工学院 电子信息学院，河南 郑州450007）

科学实验是现代科学技术赖以发展的重要实践环节，而高等学校中的实验教学则是以教学形式培养科学技术后备力量的重要途径。深化实验教学改革，在加速高等教育从应试教育向素质教育转化，提高教育的质量和效益方面起着重要作用。

电子设计自动化EDA是以计算机和软件为工具，完成各类电路从系统级到物理级的设计、仿真分析、电路综合的新型电子设计技术手段，其发展与应用正引发着一场电子产业和电子设计领域的技术革命。软件仿真是EDA工具最具魅力的功能之一，在专业基础实验教学中引入EDA仿真技术，强化学生对基础知识和基本理论的掌握程度，可以扩大课堂信息量。

1 EDA仿真实验

仿真在电知识的教学中有着独特而特殊的作用，在“电路”、“电工学”及“电子技术”的各门专业基础课实验教学中引入EDA仿真技术，对学生掌握基础知识和基本理论有重要的作用。

目前用于电路仿真的EDA软件主要有，PSpice，EWB，Multism，Matlab，Systim＿VIEW 等.其中Multisim是一种具有电路仿真、印制板设计和VHDL／Verilog仿真与合成的集成化EDA软件。其操作简单，易学易用，非常适合于开发“电路”、“电工学”、“模拟电路”和“数字电路”等仿真实验。

EWB软件是Multisim的早期版本，功能虽没有Multism那样强大，但却更适于初学者掌握。尤其我们的教学对象是刚上大二的学生，电脑知识比较欠缺，要在较短的学时间掌握Multism有一定难度。而我们认为EWB更适合教学。EWB软件是一个非常优秀的电子技术实验训练工具，因为电子技术类课程是实践性很强的课程，将EWB作为该类课程的辅助教学和实验训练手段，不仅可以弥补经费不足带来的实验仪器和元器件缺乏，而且排除了原材料损耗和仪器损坏等因素，可以帮助学生更快更好地掌握课堂讲授的内容，加深对概念和原理的理解，弥补课堂理论教学的不足。通过仿真，还可以熟悉常用电子仪器的使用方法和测量方法，进一步培养学生综合分析问题的能力、排除故障的能力和开发创新的能力。

综合设计型实验的一部分用EWB软件来做，既克服了实验台上电路元件不够和设备不全等不足，又便于学生组成各种不同方案进行虚拟实验。在学生初步掌握了软件的应用后，指导教师给予正确引导，贯穿启发式教学；引导学生发现问题和分析问题，树立不断探索问题的信心和创造性思维的意识。同时注重培养研究兴趣和自信心，只要发现学生有新的思路和见解，即使实验没有完全成功，也给予肯定和鼓励，并及时向学生建议解决问题的参考思路，逐步引导学生手脑并用，寓培养学生的智能于实验全过程中。

《EDA在电工基础实验教学中的应用开发》是笔者主持的教改项目，主要任务就是引入EDA设计手段，从应用EWB软件入手，研究和开发设计性、综合性实验，使之应用于电路、电工学、电子技术的各门专业基础课实验教学，从而探讨新的教学模式，切实起到提高学生综合能力的作用。《EDA在电工基础实验教学中的应用开发》教改项目，早在我院2005年11月通过教育部的教学水平评估中，就成为实验教改支撑材料之一。2007年1月该项目顺利通过我院组织的教学成果鉴定。该项目自2005年以来，其教学成果已在五届学生中应用于教学，并不断加以完善。收到良好效果。在我校的实践教学中起到了一定的示范作用。。

2 实施过程

2.1 编写实验指导书

完善的实验必须有切合实际的相关实验指导书，实验指导书应具备如下一些共有的特点。

（1）参照国内不同版本的教材，并依据课程教学基本要求进行内容选取，可以配合不同的教材使用。

（2）在每一个实验当中，都包含有实验预习要求，使得学生能够充分复习相关知识，能够有一定针对性的进行复习，以便于确保实验的顺利进行；在每一个实验的最后，又安排了数量不等的复习思考题，一方面可以让学生巩固实验当中所学到的知识，另一方面也可以扩展学生的思路。

（3）实验题目的选取本着“由浅入深、循序渐进”的原则，同时也照顾课程的进度排列顺序。

（4）在保证正常教学基本要求的前提下，为了满足不同层次、不同水平学生的需要，适当增加了部分内容的深度和难度，同时扩充了部分内容。

实验指导书力求做到内容丰富、取材得当、题目典型、通俗易懂。可以作为课程的配套实验指导书，也可供其它专业学生学习相关知识的参考资料。无论是从学术的角度，还是从使用的角度，实验指导书都是具有一定参考价值的。

2.2 开发综合、设计性实验

在综合设计型实验中，教师的主要职责是指引学生合理选取、择优组合已掌握的理论知识，指导、启发学生把注意力集中于解决问题上。鼓励学生大胆实践、培养善于解决实际问题的思路和能力。这种以学习为中心的实践教学方式，使学生成为一种积极、主动及灵活的学习过程，使实验教学变成建立在学生兴趣与自学性上的实践活动。综合设计型实验要求学生独立完成，促使学生积极思考、反复实践，加深了对电路理论知识的掌握，为发挥创造精神开辟了天地。

《EDA在电工基础实验教学中的应用开发》教改项目从软件仿真和硬件实施两方面具体开发研究出《串联谐振》、《波形发生电路》、《7人智力抢答器》等7个综合、设计性实验。

我们以串联谐振为例，说明仿真实验的重要性。串联谐振实验要求学生至少观察不同参数下的电阻、电容、电感端波形6幅。以下仅仅是其中的一幅。

图1 串联谐振电路电阻端幅频特性曲线

从仿真实验图形中可以清晰确定串联谐振所要掌握的一些重要概念及数据关系，如谐振时电源电压等于电阻上电压，电感和电容电压是电源电压的Q倍，以及实际实验和理论分析中的一些区别，电感线圈有电阻，仿真数据10与9.74误差的形成等。

其他一些实验如方波—三角波发生器，则使学生对运算放大器的综合应用有了直观的理解，非常有益于课堂教学。智力抢答器实验体现数字电子和模拟电子技术的综合应用，且有趣味性。对提高非电学生的学习兴趣非常有效。

2.3 实验教学改革

多少年来，人们把实验教学看成课堂教学的辅助和补充。在重视素质教育的今天，我们发现实验教学才是培养学生实验动手能力和创新能力的最重要环节。教学实验室是学生的自主学习环境，也是学生的个性化培养环境［2］。

2004年开始，我校电类专业学生做实验实施一人一组。电气自动化学生的数字电子实验，实行实验室开放。由于是开放式教学，学生可以根据个人情况自己安排实验时间，选修实验。实验主要由学生独立完成，教师检查预习情况，适当辅导，并验收。我们还为科技制作的学生提供场地，开放了部分实验室，实验室教师兼做学生指导，这些都为学生顺利完成个人设计提供极大的帮助。

3 实施效果

在大二年级学生中实施该项目对培养学生创新意识起积极作用。实践证明很多高年级参与各种竞赛及制作的学生的基础均源于此。项目所研究的设计性、综合性实验已经实施教学多年，从学生的报告可以反映出，综合设计性实验对于学生的科技制作起到很好的培训目的，对学生的综合素质培养更显著。我们在电类和非电类的18个专业，5届学生中实施了相应的教改成果，收到了较好的效果。电工学课程于2006年评为河南省精品课程。学生通过综合设计性实验从中得到锻炼，提高了他们的综合素质，使许多学生在各类科技活动中获得多项奖励。以全国电子设计大赛为例，2007年我校有13个队分别获得全国二等奖4项，河南赛区奖9项的好成绩。2009年全国电子设计大赛，我校又获得全国一等奖1项，二等奖4项。14个队获河南赛区奖。我院的电气信息基础实验中心2008年也被评为河南省高校实验示范中心。

对实验指导书，我们在使用中还在不断完善，2008年重印时，进行了修改。综合、设计性实验的实施，更是对学生起到了很好的激励作用。引发了实验教学创新。在设计谐振电路时，学生运用学习过的知识充分发挥个性，设计出不同的实验线路。从与众不同的设计线路、测量方法中我们看到了实验的创新带来了学生创新的“火花”。通过实验教学创新所引发的实验教学改革使实验教学方法和手段趋向多元化，使教师和学生关系更加融洽。实验教学创新有利于培养学生的创新精神和提高学生的创新能力，增强学生创新意识。使培养出来的人才既有扎实的基础理论知识，又能较好地掌握现代科学技术；既具有解决实际问题的能力，又具有创新的意识；使学生将来走上社会更具竞争力。

《EDA在电工基础实验教学中的应用开发》教改项目引入EDA设计手段，在设计性、综合性实验中应用EWB软件，广泛应用于电工基础实验教学，探讨新的教学模式，切实起到提高学生综合能力的作用。主要创新点：① 优秀的指导文件；② 完善的实验环境；③ 实用的平台软件；④ 合理的实验模式；⑤ 严格的管理体制。

传统实验继续进行的同时，仿真实验作为一种新型的实验类型，具有比传统实验更为灵活多样的表现形式，仿真实验的开设是对传统实验的一个有力补充，实验的不断改革、完善对科研和教学必将发挥越来越大的作用。

4 结论

在“电路”、“电工学”和“电子技术”的各门专业基础课实验教学中，引入电子设计自动化设计手段，从应用EWB软件入手，研究开发设计性和综合性实验，使之应用于专业基础实验教学，探讨了新的教学模式。仿真实验这种新的教学模式的主体，对更新教学观念，改善实验管理，提高学生的创新能力等起到积极作用。仿真方法用于科研和教学必将提高学生的综合素质，满足学生开展课外科技创新实践活动的需要。

［1］ 殷瑞祥 樊利民 金春英 我国电工学课程教学内容与方法的回顾、思考与展望［J］电子电气课程报告论坛论文集2008，北京高等教育出版社，2008

［2］ 王香婷，等.电工技术与电子技术实验教学的改革与探索［J］.电气与电子教学学报，2000，21（2）

［3］ 王延才.电工电子技术EDA仿真实验［M］.北京：机械工业出版社，2004

［4］ 秦曾煌.电工学［M］.北京：高教出版社，2007