基于工程教育认证的电路设计...仿真技术课程教学设计与实践_李精华.pdf

基于工程教育认证的电路设计与仿真技术课程教学设计与实践李精华（桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西桂林 ）摘要：基于工程教育认证和桂林航天工业学院测控技术与仪器专业的人才培养方案的毕业要求，对照“电路设计与仿真技术”教学大纲的课程目标，以八路抢答器实验项目为例对该课程的教学内容进行了项目开发与实践的教学尝试，阐述了该课程培养学生电路设计和软件操作能力形成过程及其评价过程，从教学形式和教学内容规范了基于工程教育认证的“电路设计与仿真技术”课程教学模式，使该课程教学的能力形成过程落实到具体的教学环节。为该课程的能力形成过程提供参考依据。关键词：工程教育认证；电路设计；仿真中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）工程教育认证是一种以培养目标和毕业要求为导向的合格性评价，工程教育专业认证要求专业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开。工程教育认证主要是评价教育教学的产品 学生通过大学四年的学习所具备的专业能力。从宏观上看就是大学使命愿景，表现在微观上则是所学课程及课程单元的学习成果。“电路设计与仿真技术”是桂林航天工业学院测控技术与仪器专业大二学生必修的专业基础课，在课程教学与实验环节中训练学生运用常用的电路设计软件完成典型电路原理图设计与仿真及 设计，让学生熟悉电子产品的电路板设计过程，能够独立完成电子产品的电路原理图设计和制作电路板，具备设计仪器设备中的电路原理图和 图能力。“电路设计与仿真技术”课程目标与毕业要求对应关系按照工程教育认证的要求，制定如表所示的“电路设计与仿真技术”的课程教学目标与桂林航天工业学院测控技术与仪器专业的人才培养方案中的毕业要求的支撑关系。表课程目标及其对毕业要求的支撑关系课程教学目标支撑毕业要求的指标点目标：能 够 运 用 电 路 设 计 软件进行电路原理图绘制和 绘 制，具 有 运 用 设 计 软 件（、等）绘制电路原理图和 图的能力。指标：能针对电子测量或无损检测的复杂工程开发选择恰当的技术、资源、现代工具。目标：能够运用数电、模电和单片机等相关知识进行电路原理图设计并进行仿真，通过对仿真结果的分析来评价原理图设计的合理性。指标：能使用 、等工具对测控系统及部件进行建模、分析、计算及必要的仿真验证。目标：具 备 完 成 电 子 产 品 电路原 理 图 和 设 计 能 力。能 够 运 用 电 路 仿 真 软 件（、等）对复杂电路进行模拟仿真，并通过分析仿真结果来理解仿真软件的局限性，能够应用各种测量仪器对所设计和制作的电子产品 进行试验与调试。指标：能使用合适的现代工具对相关复杂工程问题进行模拟和预测，并能够理解所使用的现代工具的局限性。年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 高等教育研究基金项目：广西高等教育本科教学改革工程重点项目“新工科视域下无损检测工程人才培养径研究与实践”（）；桂林航天工业学院教学团队建设项目“自动化与仪器类专业群教学团队”（）。作者简介：李精华，男，湖南永州人。教授。研究方向：设计。“电路设计与仿真技术”课程教学内容及教学方法开发基于工程教育认证的“电路设计与仿真技术”课程实验项目，应具有以下三个特征：）项目的真实性，项目所涉及的问题是真实存在的科学或技术问题，而不是主观想象的模拟问题。）项目能达到课程教学目标，能支撑毕业要求的指标点。）具有可评价性，项目实施的可评价性是保障项目实施的重要手段，通过有效的评价能及时地纠正学生的学习偏差，做到奖罚分明，评价有依据。根据“电路设计与仿真技术”的课时和教学目标，“电路设计与仿真技术”教学内容主要有简单电路的原理图设计与仿真分析、经典模拟电路的原理图设计与仿真分析、经典数字电路的原理图设计与仿真分析、基于单片机电路原理图设计与仿真、原理图库的制作、封装库的制作、典型电路的多种电路板（单面板、双面板和多层电路板）设计以及八路抢答器原理设计与制作等实验项目。由于“电路设计与仿真技术”课程要求学生运用设计软件完成电路设计与仿真，因此“电路设计与仿真技术”课程是实验室完成，学生人手一台电脑，电脑安装 、常用设计软件，个课时完成一个实验项目。每个实验项目均为必做实验，要求学生能够依据实验项目指导书要求独立完成每个项目并形成实验报告。课堂教学过程中，主要是采取教师先讲解，学生根据设计任务练习，老师再点评学生设计的方式进行教学。在设计中常引入实物模型和工程实用案例的方式，加深学生对知识点的理解，提高授课效果。通过实验项目训练，使学生具有绘制原理图元件和 元件封装的能力，能根据任务指标设计中等难度 的 电 路 原理 图，能绘 制电路 原 理 图设计 和 （单面板、双面板和多层板）设计，具备设计仪器设备中的电路原理图和 图能力。“电路设计与仿真技术”课程考核方式及成绩构成课程考核是课程目标达成度的检验手段，进而评价学生学习成果的达成度。“电路设计与仿真技术”课程考核方式为考查，课程的总成绩由实验、实验报告、作品验收三项构成。各考核环节所占分值比例及考核细则如表所示。表课程考核细则考核环节所占分值考核内容与评价细则课程目标实验成绩 简单电路的原理图设计与仿真分析、经典模拟电路的原理图设计与仿真分析、经典数字电路的原理图设计与仿真分析、基于单片机电路原理图设计与仿真、原理图库的制作、封装库的制作、典型电路的多种电路板（单面板、双面板和多层电路板）设计以及八路抢答器原理设计与制作。检查每个实验项目的全部内容进行考察，依据评分标准答案给出成绩。然后按照每个实验项目得分求和，按权值求平均。课程目标、实验报告成绩 上交实验报告，并由实验指导教师依据评分标准给出实验成绩，主要评分依据：实验报告是否完整、数据分析是否正确。然后按照每个实验报告得分求和，按权值求平均。课程目标、作品验收 根据设计指标，检查学生作品所能实现的功能，检查作品的焊接工艺，并就设计中所涉及的相关知识随机向学生提问。课程目标“电路设计与仿真技术”课程目标达成度评价方法“电路设计与仿真技术”课程目标达成度评价包括课程分目标达成度和课程总目标达成度评价，计算方法如表所示。年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 李精华 文表达成度计算方法对应课程目标考核环节所占分值学生平均得分达成度计算结果课程目标实验成绩 实验报告成绩 课程目标实验成绩 实验报告成绩 课程目标实验成绩 实验报告成绩 成品验收 课程总目标总评成绩 “电路设计与仿真技术”实验项目教学设计“电路设计与仿真技术”的实验项目设计目的是检测学生对本课程所要求的能力达成程度，要求学生能根据设计任务要求完成方案设计、电路分析与仿真以及实物制作等工作，考查学生的方案设计、电路原理图设计与仿真、图设计、软件的使用和系统调试等能力。“电路设计与仿真技术”课程设计了个实验教学项目，八路抢答器实验项目是其中的一个，下面以八路抢答器实验项目为例对“电路设计与仿真技术”的实验项目设计进行分析。八路抢答器实验项目的评价方式采用定量标价，主要包括实验报告评价、实验功能评价和作品验收与答辩评价三部分组成，每部分的总分都为 分，然后根据表达成度计算比例折算成课程成绩。八路抢答器实验项目设计要求抢答器的功能和种类有很多，综合大二第二学期学生所掌握的专业知识，对抢答器的功能和技术要求不能太高，因此要求学生设计的八路抢答器具有以下几个技术指标：）八路抢答器能公平地实现第一抢答信号鉴别和锁存功能。第一个抢答按钮按下后，抢答器系统封锁其他各组抢答信号，其他各路抢答信号都不能实现抢答。）八路抢答器电路具有复位功能。）八路抢答器在抢答时，蜂鸣器发出报警，数码管显示对应抢答者序号，注意八个抢答者的编号为、序号，而不是、。学生的八路抢答器作品首先要完成指标，同时教师需检查学生设计过程中的方案设计分析、电路原理图设计与仿真、图设计以及装配调试，注重学生能力形成过程，即实现对课程教学目标的达成度考查，从而实现对毕业要求的达成。八路抢答器实验报告评价根据八路抢答器的技术指标，实验报告的内容应包括八路抢答器的方案分析、抢答输入、编码、译码和显示等内容，各考核环节所占分值比例及考核细则如表所示。表八路抢答器实验报告考核细则考核环节所占分值考核内容与评价细则课程目标八路 抢 答 器 方案分析 根据设计要求，绘制八路抢答器功能框图，并对各功能框图进行说明。课程目标八路 抢 答 器 输入及编码分析 有八路抢答器输入及编码单元电路的仿真原理图，并包含编码的仿真原理及功能分析内容。课程目标、年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 李精华 文表（续）考核环节所占分值考核内容与评价细则课程目标八路 抢 答 器 译码和显示分析 有八路抢答器的译码和显示单元电路的仿真原理图，包含译码和显示的仿真原理及功能分析内容。课程目标、八路 抢 答 器 完整电路图分析 有八路抢答器的整体原理图、双面板电路图、抢答器使用说明、本次含设计总结。课程目标、八路抢答器实验过程的能力形成评价根据八路抢答器的技术指标，要求学生在实验过程中完成八路抢答输入及编码单元电路的仿真原理图、译码和显示单元电路的仿真原理图、八路抢答器完整电路图检查，各考核环节所占分值比例及考核细则如表所示。表八路抢答器实验过程的能力形成考核细则考核环节所占分值考核内容与评价细则课程目标八路抢答器输入及编码电路原理图 选择合适的软件绘制八路抢答器输入及编码单元电路的仿真原理图，并能对编码功能进行仿真。课程目标、八路抢答器译码和显示电路原理图 选择合适的软件绘制八路抢答器的译码和显示单元电路的仿真原理图，能对译码和显示功能进行仿真分析，并能说明功能仿真的局限性。课程目标、八路抢答器完整电路原理图和双面 图 选择合适的软件绘制八路抢答器的整体原理图、双面板电路图。课程目标、基于 的八路抢答器编码与译码电路设计与仿真表为八路抢答信号的编码关系表，根据表的编码关系写出输入与输出的逻辑关系见式（）。表八路抢答信号编码关系表序号输入输出 注释 号抢答 号抢答 号抢答 号抢答 号抢答 号抢答 号抢答 号抢答（）根据式（）在 仿真软件中绘制如图所示的编码电路原理图。年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 李精华 文图基于 的八路抢答器编码仿真电路指导教师在课堂检查学生的八路抢答器编码仿真电路及编码功能，并给出实验成绩。设计内容符合工程教育认证毕业要求的第条“使用现代工具：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟”。在 软件中绘制如图所示的译码和显示电路，在图中的、和与图中的、和相连，是抢答器按键的编码信号。图基于 的八路抢答器译码、显示及报警电路指导教师在课堂检查学生八路抢答器译码及显示仿真电路功能，并给出实验成绩。在检查过程中，特别要检查抢答器锁存状态的仿真分析，当、和 出现一个“”时，的输出端 、至少有一个引脚输出为高电平，经二极管 或 反馈到 ，使 的 引脚维持为高电平，从而实现当前输出值的锁定，此时输入值应该发生变化，但输出值保持不变，使用 制作实物，调试的时候就是这样的状态。比如 ，的输出为“”，按理 引脚的值变为“”，可以实现对输出值进行锁定，但是由于 软 件 中 没有 元件，使用 代替 ，仿真时 输出的电压（）不够高，经过 或 二极管后，电压降变为 ，达不到高电平的值，不能使 芯片 引脚变为高电平，不能实现锁定功能，这也是本次仿真的不足。因此在实物制作的时候，提高电源的电压值，从而提高 输出的电压，就可以实现 的 引脚发生电压跳变。八路抢答器的译码与显示设计分析过程，设计内容符合工程教育认证毕业要求的第五条“使用现代工具”，特别值得强调的是让学生“能够理解现代工具的局限性”，从而不能过于依赖现代工具。八路抢答器的整体原理图及 设计根据图和图的仿真分析，完成如图所示的八路抢答器原理图设计 。教师在检查图时，需提问图与图、图之间的关系以及图中元器件封装知识。由图所示的原理图完成如图所示的 设计。教师要求检查图的元件封装、电路板的尺寸大小、布线规则、线宽等知识点。根据学生完成图和图以及相关知识点的回答给出该部 年第期（总第 期）桂林航天