以工作過程為導向的電子CAD課程教學實例

劉昆山

（江西省冶金技師學院，江西 新余 338015）

0 引言

傳統的電子CAD課程教學模式存在將理論課和上機操作課分開組織教學，即在理論課堂上用多媒體演示教學的重點、軟件的操作步驟和易錯環節，再在上機操作教學環節進行演練，學生的學習效率低下，雖然能掌握軟件的簡單使用方法，但是難以培養學生的關鍵能力，特別是電子產品的開發能力[1]。

工作過程是指為完成一項工作任務并獲得工作成果而進行的一個完整的工作程序[2]。以工作過程為導向的教學模式是指模擬工作過程進行教學過程設計的一種新的教學模式，這種教學模式不僅能幫助學生掌握專業知識和專業技能，更能有效地培養學生的關鍵崗位能力。通過這種教學模式培養起來的關鍵能力可移植性好，使得學生具有寬廣的視野和獨立成熟的人格，為其將來從事其他崗位打下堅實的基礎。

1 以工作過程為導向的教學模式應用概述

筆者嘗試在《電子CAD》課程教學中，采用以工作過程為導向的教學模式，以紅外感應電路設計與裝配為教學任務，將整個教學任務按工作過程設計成繪制元器件符號庫、繪制電路原理圖、繪制元器件封裝庫、繪制PCB電路板圖、紅外感應電路裝配與調試等五個教學項目，這個五個教學項目對應了紅外感應電路設計與制作的五個工作程序，使得整個教學過程是在模擬真實的電子產品設計與制作的工作過程中進行。

2 以工作過程為導向的教學模式應用過程闡述

2.1 繪制元器件符號庫

教學活動1：繪制紅外感應電路元件符號庫參數表。任課教師應根據教學目標，課前收集并提供紅外感應電路原理圖、元器件清單等資料和元器件實物等材料，課堂上組織學生學習討論這些工作任務過程中必須掌握的理論知識，然后完成紅外感應電路元器件符號庫參數表，表中最少應該包括的元器件的中文名稱、英文名稱、位置代號、封裝名稱等參數，具體如下：

表1 紅外感應電路元器件符號庫參數表Tab.1 Parameter table of symbol library of components of infrared induction circuit

教學活動2：創建紅外感應電路文件管理系統。任課教師采用多媒體教學設備現場演示Protel99se軟件的獲取與安裝，重點根據紅外感應電路文件管理步驟（見圖1）進行教學演示，教師演示后立刻安排適當的時間要求學生進行針對性訓練，確保操作規范、正確，樹立“零缺陷”的產品設計理念，這是培養學生關鍵職業能力的重要手段，讓學生在實踐操作中學習理論知識，培養學生嚴謹、認真的工作作風[3]。

教學活動3：創建紅外感應電路的元件符號庫。為了提高學生采用國家標準（GB4728）繪制電路原理圖的能力，在教學過程中，不采用系統自帶的元器件符號庫，而是創建紅外感應電路的元器件符號庫。在創建元器件符號庫的過程中，能讓學生對元器件符號更熟悉。學生繪制電路原理圖時，將變得像小孩子玩“搭積木”游戲一樣簡單易學。為了簡化操作步驟，提高學習效率，筆者在教學中設計了元器件符號庫六步繪制法（見圖2），這種以流程框圖引導操作步驟的教學方法非常適合軟件類的教學[4]。

圖2 元器件符號庫六步繪制法框圖Fig.2 Schematic diagram of six step drawing of component symbol library

任課教師采用多媒體教學設備，根據元器件符號庫六步繪制法的操作步驟，以繪制電阻符號庫為例進行現場演示2、3遍后，立刻安排適當的時間要求學生參考元器件符號庫六步繪制法的操作步驟繪制電阻符號庫，然后再根據《紅外感應電路元件符號庫參數表》的提供的信息，將表格內的10種元器件符號庫全部繪制一遍，繪制完成后交給任課老師，作為教學評價的主要依據。

在實際教學中，嚴格按照上面提到的三個教學活動安排教學，教學過程中需要注意這三個教學活動的上下銜接的關系，不要顛倒教學活動順序。在學生強化訓練前，要為學生提供國家標準（GB4728）的元器件符號圖形給學生。在組織教學活動前，通過微信公眾號發布了相關的元器件符號圖形給學生。（微信搜索公眾號：電工電子技術，培訓課程＞電子CAD培訓＞第六課：六十個常見的元件符號庫，在這篇文章里全面介紹了教學所需的元器件符號圖，后面的教學過程中也會使用到該微信公眾號的內容進行輔助教學。）

在正確的理論指導下，采用互聯網輔助教學的方式，要求學生強化訓練，學生操作的積極性大大提高，學習效果明顯。實踐證明這種教學方法非常適合電子CAD入門者學習。

2.2 繪制電路原理圖

電路原理圖設計是整個PCB設計的基礎，它決定了后續工作程序的進展。為了降低學習難度，筆者在教學過程中，將繪制電路原理圖的基本步驟設計為六步繪制法（見圖3）。

教學活動1：現場演示紅外感應電路原理圖的繪制。任課教師采用多媒體教學設備，根據電路原理圖六步繪制法的操作步驟，現場演示紅外感應電路原理圖的繪制，演示過程中，必須采用前面繪制的元器件符號庫[5]。教學實踐證明，這種類似小孩子玩積木游戲的電路原理圖六步繪制法，能讓學生在不知不覺中就掌握了電路原理圖的繪制方法和技巧。

圖3 電路原理圖六步繪制法框圖Fig.3 Schematic diagram of six-step drawing method of circuit

教學活動2：學生強化訓練電路原理圖的繪制。

任課教師現場演示完畢后立刻安排適當的時間要求學生參考紅外感應電路原理圖（見圖4），根據電路原理圖六步繪制法的操作步驟，完成紅外感應電路原理圖的繪制，對于完成比較好、比較快的學生，可以適當增加其他的電路原理圖讓其訓練，或者安排該學生輔導其他還沒有完全領悟的學生，這樣能增加該學生的滿足感和成就感，使得教學進度能更好地協調一致，穩步推進。

圖4 紅外感應電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of IR induction circuit

2.3 繪制元器件封裝庫

繪制元器件封裝庫的目的之一就是繪制PCB板，很多學生對PCB板的了解不夠，所以在教學過程中必須講授PCB的相關理論知識。

教學活動1：學習討論元器件封裝知識要點。第一，任課教師采用講授法，講解元器件封裝知識，指出元器件封裝是指元器件焊接到電路板時所指示的外觀和焊盤位置；第二，任課教師現場提供一塊真實的PCB板，指出PCB板上的外形像電阻，兩頭有兩個焊盤，旁邊標志了R1和10K字樣的元器件封裝，就是電阻的封裝；第三，任課教師拿一個真實的電阻，剛好能安裝到PCB板的封裝上去，通過這樣形象生動的講解，學生一般都能理解什么是元器件的封裝；第四，當學生對封裝的基本知識消化吸收后，任課教師設置問題，讓學生開展討論，重點回答繪制元器件封裝的關鍵是什么和如何確定焊盤與焊盤之間的距離等問題；第五，當學生明白了繪制元器件封裝的關鍵是元器件的形狀、焊盤與焊盤之間的距離必須和實際的元器件的尺寸一樣、元器件封裝的形狀通常是采用投影法得到的等元器件封裝相關的知識要點后，任課教師需要教授學生采用游標卡尺實際測量元器件外形尺寸和引腳之間的距離等參數，并記錄在案，為下一個教學活動做好準備[6]。

教學活動2：現場演示、講解元器件封裝庫的繪制。繪制元器件封裝庫是一件與實踐聯系非常緊密的教學活動，在教學過程中，為了降低學習難度，筆者設計了元器件封裝庫六步繪制法（見圖5），要求任課教師按照元器件封裝庫六步繪制法的操作步驟，以電阻封裝為例逐條現場演示、講解操作過程。在這個教學過程要滲透講解PCB層的知識要點和設置焊盤屬性等知識點，使得學生在不知不覺中學習和掌握了PCB層的概念及相關設置[7]。

圖5 元器件封裝庫六步繪制法框圖Fig.5 Block diagram of six steps drawing for component packaging Library

教學活動3：學生強化訓練元器件封裝庫的繪制。

在任課教師現場演示后立刻安排適當的時間要求學生參考元器件封裝庫六步繪制法繪制完成紅外感應電路元件符號庫參數表中的所有封裝。在學生強化訓練前，為學生提供元件封裝的基本外形圖，可以參考微信公眾號：電工電子技術，培訓課程＞電子CAD培訓＞第11課：三十五個常見的元器件封裝這文章進行輔助教學,降低學習難度。

教學實踐說明，學生進行強化訓練手工繪制元器件封裝的教學活動，能有效地提高學習效果，增加學習體驗。

2.4 繪制PCB電路板

通過前面的教學過程，學生已經掌握了元器件符號的繪制，電路原理圖的繪制，元器件封裝的繪制等PCB繪制的關鍵技術。

教學活動1：學習PCB繪制必須掌握的基本理論知識。任課教師采用教授法，系統講授PCB板層的概念，包括單層板、雙層板的基本概念和頂層、底層等基本知識，這是PCB繪制的必須掌握的基本理論知識，不講明白這個理論知識，會影響后續的教學活動的進行。

教學活動2：現場演示、講解紅外感應電路PCB的繪制。在教學實踐中，為了降低學習難度，筆者采用的是PCB十步繪制法（見圖6）進行教學，這是簡化的教學步驟，目的是為了讓學生快速掌握PCB設計的基本步驟。

圖6 PCB十步繪制法框圖Fig.6 Diagram of 10 step drawing method of PCB

任課教師采用多媒體教學設備，根據PCB十步繪制法的操作步驟，現場演示紅外感應電路PCB的繪制方法，因為操作步驟增加到了十步，難度加大了，所以在教學過程中，一定要適當控制教學速度，每完成一個步驟，都要詢問學生是否理解和掌握，在得到學生肯定回答后才繼續現場演示、講解，筆者在實踐教學過程中，一般都要現場演示、講解兩遍紅外感應電路PCB的繪制過程。然后立刻安排適當的時間要求學生繪制紅外感應電路PCB圖三遍以上，學生繪制完成后要提交PCB文件給任課教師，作為教學評價的主要依據，下圖是一名學生設計的紅外感應電路PCB圖(見圖7)，PCB底部進行了鋪銅操作[8]。

圖7 紅外感應電路PCB圖Fig.7 PCB diagram of IR induction circuit

2.5 紅外感應電路裝配與調試

部分國內的大中專院校的《電子CAD》課程教學內容一般停留在PCB板的繪制上，很少將PCB設計文件制作成實物PCB板，再進行裝配與調試，這種教學安排不符合以工作過程為導向的教學模式，因為學生還沒有真正完成產品的設計與制作，“工作成果”的體驗不深。為了彌補這個教學設計上的不足，筆者在《電子CAD》課程教學過程中，以工作過程為導向，增加了紅外感應電路裝配與調試的教學內容。

教學活動1：紅外感應電路PCB板的生產。PCB板的生產由專門的廠家可以完成，首先任課教師對學生提交的PCB設計文件進行逐一檢查、修改。檢查的重點是繪制的電路原理圖及PCB設計文件，不能出一點點錯誤，否則廠家生產出來的就可能是廢板，浪費了時間和資金。修改的重點是PCB板子的大小，這直接關系到生產費用問題，在繪制PCB板布局合理的情況下盡量使PCB板最小化。然后任課教師應該和學生共同將設計好的PCB板文件打包發送給PCB板的生產廠家，等待三到五天后便可收到與學生設計的PCB文件一致的PCB板實物（見圖8），這一教學活動能增強學生“工作成果”的體驗。

圖8 紅外感應電路PCB板實物Fig.8 Infrared Inductive circuit PCB board material

教學活動2：紅外感應電路裝配及調試。從PCB廠家拿到生產好的PCB板實物和任課教師準備好的元器件實物，就可以進行紅外感應電路的裝配及調試。裝配過程中最容易犯的錯誤就是把元器件放錯位置，這也有可能導致產品裝配失敗，所以要求任課教師的教學重點應該放在裝配步驟上，要求學生必須小心謹慎完成這個教學活動。在進行紅外感應電路裝配及調試的教學過程中，任課教師要幫助學生復習電子元器件的識別、檢測與應用能力，進一步講解電子產品裝配、調試、檢修的方法[9]。當學生親手安裝調試完成紅外感應電路實物（見圖9），能進一步提高學生“工作成果”的體驗。

圖9 紅外感應電路實物Fig.9 Object of infrared induction circuit

3 結論

把紅外感應電路設計與裝配的工作過程作為一個整體，將專業理論知識和實踐操作技能相結合，為學生創設真實的“工作環境”，每個工作環境對應一個教學項目，每個教學項目由若干個教學活動組成，學生通過完成教學活動掌握專業知識并提高實踐技能[10]。這種教學模式有效地激發了學生的學習興趣，提高了學生設計、制作、安裝、調試電子產品的技能，有效提高了學生的崗位關鍵能力，開創了PCB設計人才培養新模式。