基于EDA仿真的非电类专业大学生创新能力培养方法

王文东　袁小庆　张鹏　史仪凯

摘  要：在创新教育改革背景下，科技竞赛是学生提升创新能力的有效途径。随着智能制造、互联网+和人工智能等的出现，创新教育对电类专业知识技能的要求越来越高。因传统教学模式的弊端，非电类专业学生在学习电类知识技能过程中面临一系列的问题。文章提出了基于EDA仿真的非电类专业学生创新能力培养方法，结合具体案例深入探讨了该方法在教育改革中的具体作用。通过搭建基于Multisim平台的功率因数提高方法的仿真模型，验证了所提出的方法在教学过程中的可行性，可以作为深化高等学校创新教育改革的一种途径。

关键词：EDA仿真;创新能力培养;非电类专业;Multisim

中图分类号：G640       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）10-0046-04

Abstract： Under the background of innovation education reformation， technical contest is the effective method to improve the innovation ability of undergraduates. With the development of intelligent manufacturing， Internet+， and artificial intelligence， it requires more electrical knowledge and skills of undergraduates. Currently， the non-electrical undergraduates face some problems Due to the disadvantages of traditional teaching activities. The innovation ability cultivation method based on EDA simulation is proposed to solve the existing problems， and the functions of the proposed method was discussed in teaching reformation with specific example. The feasibility of the proposed method is verified by building the simulation case of power factor improvement on Multisim. The results show it's effective as the solution of innovation teaching reformation.

Keywords： EDA simulation; innovation cultivation; non-electrical graduates; Multisim

一、概述

2015年5月，国务院办公厅印发《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，对高等学校创新创业教育改革进行了全面部署[1，2]。大学生科技竞赛是一项集创新性、协作性、实践性、应用性为一体的活动，是学生提升创新能力、挖掘潜在创业机会的有效途径[3]。近几年，大学生科技创新竞赛如雨后春笋般蓬勃发展，有的学科专业性非常强，比如全国三维数字化创新设计大赛、全國大学生机械设计创新大赛等;有的学科综合性较强，比如“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等[4，5]。

“互联网+”大学生创新创业大赛是为了贯彻落实有关文件精神，由教育部联合有关部门共同举办，其目的是深化高等教育综合改革，激发大学生的创造力，培养“大众创业、万众创新”的生力军;以创新引领创业、创业带动就业，推动高校毕业生更高质量创业就业[6，7]。参赛项目将移动互联网、人工智能、云计算、大数据物联网等新一代信息技术与社会经济相关领域紧密结合，有助于推动互联网与教育、医疗、金融、交通、消费生活等深度融合，并促进制造业、农业、能源等产业转型升级。

在创新创业教育改革背景下，尤其是随着人工智能热潮的出现，科技竞赛所体现的学科交叉特点日趋明显[8]。越来越多的科技竞赛活动需要更加综合的专业知识与技能，比如电子信息、自动化、计算机科学、软件工程、电气工程等电类专业，这些专业的学生接触新兴前沿科技的机会越来越多。相对而言，非电类专业学生在这样的教育与科技背景下，则需要加强电类专业知识与技能的学习。

二、非电类专业学生面临的问题

非电类专业学生，尤其是机械、材料、航空宇航、能源、兵器、船舶、动力、制造等领域的工程专业，因受传统培养方案的限制，学生能接触到电类课程非常少，最为常见的课程是电工电子技术（也通常叫做电工学）及其实验课程[9]。但该课程内容多、范围广，涉及电路分析、电机与电气控制、模拟电子技术和数字电子技术四大模块，相当于电类专业的四门课程，但是学时少。在创新创业教育改革、互联网+、智能制造和人工智能大背景下，非电类专业学生目前普遍面临以下问题[10]：（1）时间和场地有限，很难完成规定的实验内容;（2）实验内容固定，多为重复验证性实验，难以调动学生的积极性;（3）理论与实践有脱节，理论知识基本为公式推导模式，学生无法体验理论应用到时间的妙处;（4）综合创新实验条件不足，不利于培养学生的创新能力。上述问题的存在，将导致电类知识技能少的学生在就业和创业时的竞争力较弱。为解决上述问题，本文提出基于EDA仿真的非电类专业学生电类专业技能培养的方法。

三、EDA仿真在非电类专业教育改革中的作用

随着计算机技术的快速发展，计算机仿真方法已成为现代工程设计中非常有效的方法，有助于解决非电类专业面临的问题。EDA（Electronic Design Automation）即电子设计自动化，基于计算机和仿真软件完成电子电路的设计、调试、分析以及优化等功能。国内高校越来越重视EDA技术的应用，逐渐建立独立的EDA仿真实验室，并开设相关的EDA课程。将EDA仿真用于非电类专业教学具有以下几点优势。

（一）加强理论知识的理解，激发学习兴趣

对于机械、能源、材料等非电类专业学生，电类课程通常作为专业基础课，理论性、实践性强，课程内容多，知识面广，理论抽象。传统的教学模式理不利于学生真正掌握理论知识，学以致用，难以调动学生的积极性。将EDA仿真技术融入课堂教学，将抽象的原理电路与理论分析，通过仿真的方法得以验证，使理论学习变得生动形象，激发学生学习的兴趣。

（二）缓解学时少与内容多的矛盾，增加课堂信息量

随着新技术、新器件的不断出现，非电类专业的电类技术基础课程的内容越来越多，与现有课时规定之间的矛盾日趋凸显。教学过程中大量的公式推导、图表、曲线等占用大量的课堂时间，学生也会觉得枯燥。采用EDA仿真方法，不仅可以节省大量的抽象的课堂讲解，还可以在相同时间内增加信息量的传授。学生根据课堂知识内容，可以自行搭建电路验证结果，不必担心实验的危险，降低实验成本，获得学习的成就感，培养自主学习的能力。

（三）突破课堂时间与地点的限制，创建开放实验室

电类课程教学要求学生熟练掌握常见仪器仪表的使用方法和电路调试方法，受客观条件限制，通常很难满足学生实时操作和充分发挥设计能力的要求。EDA仿真实验室可以使学生不受空间、时间和指导老师的约束，自由安排时间设计电路进行仿真操作。有条件的学生，可以在自己的电脑上开展EDA设计、仿真等操作，可以突破传统实验室的限制。另外，仿真内容也不受传统实验的限制，学生可以及时将自己的创新想法通过仿真进行验证，增加自信心，有助于培养创新能力。

（四）增强学生的实践技能和创新精神

仿真技术不仅是一种有效的教学手段，也是信息时代、计算机时代的工科学生应该掌握的一种基本技能。仿真技术作为工程实践过程中分析问题、解决问题一种重要手段，是工程类学生必须掌握的基本技能和方法。在创新创业背景下，很多学生有相当新颖的设计与方法，但缺乏经验和有效的指导，最终未能实现。EAD仿真方法的限制条件非常低，只需掌握软件的操作方法，学生就可以随时随地验证自己的设计，根据仿真结果探索解决问题的方法，对学生实践技能和创新精神的培养有很好的促进作用。

常见的EDA仿真工具有Multisim、PSPICE、Labview、Proteus、Matlab等，每个软件都有各自的优点，在不同学科专业发挥作用不同，可以根据教学要求或者学科专业内容选择。

四、EDA仿真案例

Multisim是美国国家仪器（NI）公司推出的仿真工具，包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，是一款典型的EDA仿真软件。本文基于Multisim 14.0，通过功率因数提高方法案例验证EDA在非电类专业教学中的作用，其方法流程如图1所示。

（一）内容分析

功率因数的提高是电工学课程中非常重要的知识点之一，也是理论知识与实践应用结合的典型案例之一。在理论学习过程中，学生知道了功率因数低的原因是用电设备中多数为感性的，比如日光灯、电动机，通常采用提高功率因数的方法为在感性负载两端并联电容。在课堂内容中要对相关的原理方法进行推导与分析，比如为什么并联电容可以提高功率因数，并联电容值是否越大越好，以及过补偿和欠补偿等概念。虽然这些理论知识与实践应用关系非常密切，但是对大多数学生来说比较抽象，很难学以致用。因此，本案例非常适合采用EAD仿真的方法进行讲授。

（二）方案设计

为了在一个实验中完成功率因数提高方法、欠补偿、过補偿等理论知识的验证，搭建如图2所示的分析电路。仿真分为四个部分测量，分别为：（1）未并联电容时的功率因数;（2）并联656uF电容时的功率因数;（3）在（2）的基础上继续并联213uF电容时的功率因数;（4）在（3）的基础上继续并联213uF电容时的功率因数。

（三）仿真结果

根据相应的测量内容，完成有关仿真，得到仿真结果图3所示。由图3仿真结果可知，并联电容前，功率因数约为0.598;并联656uF电容后功率因数提高到0.948;继续并联213uF电容，功率因数进一步被提高到0.999;在图3（c）的基础上，继续并联213uF电容，功率因数反而降低了，变为0.953。

对照图3（b）和（c）可知，图3（b）称之为欠补偿状态，因为继续并联电容，功率因数可以进一步提高。对照图3（c）和（d）可知，图3（d）称之为过补偿状态，因为继续并联电容出现了功率因数降低的现象。几种结果对照可得结论，并联电容可以提高功率因数，但是并不是并联电容值越大越好，在工程应用的时候应当综合考虑经济性、实用性等因素选择适当的电容值。

（四）功能分析

在传统的教学中，主要是靠介绍概念、推导公式的方式进行授课，学生的积极性不高，概念与应用不能很好的贯通，教学效果不理想。通过EDA仿真结果图，对照讲解欠补偿和过补偿概念，将抽象的概念变得形象易懂，在好奇心的驱动下，学生会自行搭建仿真电路验证有关方法，进而可以激发学习兴趣。因而，体现了第三节中的作用（一）。通过EDA原理电路图（图2）描述功率因数提高的方法——并联电容，直观简单，减少了很多抽象的文字描述，同时电路原理图反映的信息量更大。因此，体现了第三节中的作用（二）。很多高校建设有独立的EDA仿真实验室，配备有满足要求的电脑和仿真软件。功率因数提高的仿真实验电路相对比较简单，学生只需具备基本的软件操作技能，即可在EDA实验室独立完成，无需专业老师指导。另外，有条件的学生亦可以在私人电脑上完成该仿真实验，不受实验室开放时间和地点的限制。因此，体现了第三节的作用（三）。在课堂教学过程中，任课教师肯定会引导学生思考其他提高功率因数的方法。思想活跃的同学会想到串联电容的方法是否也能提高功率因数呢？基于这样的思考，学生可以自行搭建串联电容仿真电路，并验证结论，对结论中出现的问题进行思考，联系实践应用，考虑其结果的可行性，有助于增强学生的实践应用能力和创新精神。因此，体现了第三节中的作用（四）。

五、结束语

本文针对创新创业教育改革背景下，尤其是受互联网+、人工智能等大环境的影响，分析了非电类专业学生面临的问题。提出EDA仿真方法在非电类专业学生电类专业知识培养中的四点主要作用。最后，结合电工学课程中功率因数提高的知识点，用仿真的方法验证了本文提出的四点作用的可行性。因此，基于EDA仿真的教学改革模式适用于非电类专业学生电类知识技能的培养，可以作为深化高等学校创新创业教育改革的一种途径。

参考文献：

[1]吴爱华，侯永峰，郝杰，等.以“互联网+”双创大赛为载体深化高校创新创业教育改革[J].中国大学教学，2017（01）：23-27.

[2]王创.扎实推进高校创新创业教育改革[J].高教探索，2016（10）：5-7.

[3]毛江华，戴鑫.工科学生参与科技竞赛的影响因素及机制研究[J].高等工程教育研究，2019（03）：52-56.

[4]张大良.谱写“互联网+教育”新篇章共同开创亚洲高等教育美好未来[J].中国大学教学，2018（10）：7-8.

[5]杨珏，张文明.以科技竞赛为载体提升大学生创新实践能力[J].中国高等教育，2014（20）：30-32.

[6]徐小洲，倪好.面向2050：创新创业教育生态系统建设的愿景与策略[J].中国高教研究，2018（01）：53-56+103.

[7]徐向民，李正，韦岗，等.创新引领战略下的电子信息类专业创新创业人才培养[J].高等工程教育研究，2018（02）：153-164.

[8]陈孟威，陈兴明.非正式跨学科融合：大学生创新创业团队范式探析[J].江苏高教，2019（03）：80-85.

[9]宋国义，黄金侠，张玉峰.电工电子技术教学与实践中培养创新型人才的探究[J].中国电力教育，2014（15）：42-43.

[10]王文东，袁小庆，史仪凯，等.新工科人才培养中基础实验教学改革的探索[J].大学教育，2019（07）：30-32+43.

基金项目：本文系教育部产学合作协同育人项目“基于机器人的《电工电子系统创新设计与实践》创新创业课程建设”（编号：201802038032）;西北工业大学教育教学改革项目“《电工学》课程混合式教学模式的探索与实践”（编号：2018JGY02）的成果之一

作者简介：王文东（1984-），男，汉族，山东嘉祥人，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向：智能机器人，电工学系列课程与实验教学研究;袁小庆（1979-），男，汉族，河南确山人，博士，副教授，硕士研究生导师，宝钢教学名师，陕西省电工学研究会副理事长，研究方向：智能机器人，电工学系列课程与实验教学研究;张鹏（1987-），男，汉族，陕西西安人，博士，助理研究员，研究方向：智能机器人，工程实践教育研究;史仪凯（1952-），男，汉族，陕西兴平人，本科，教授，博士研究生导师，第四届高等学校教学名师奖获得者，中国电工学研究会副理事长，研究方向：电气工程，電工学系列课程与实验教学研究。