肖怀宝、李晓茹、史萍

    （中国传媒大学信息工程学院通信工程系）

    摘要：本文从P Spice软件及电子线路课程的特点出发，以教育教学理论为基础，论述了电子线路课程教学中引入P Spice软件的必要性、可行性及良好的实施结果。

    关键词：电子线路、P Spice软件、课程、教学

    一、前言

    电子线路课程（线性电子线路与非线性电子线路）是电子工程类、信息工程类、通信工程类、电子技术类、自动控制类、电气工程类、机电工程类、计算机科学类等工科电类及其他相关专业本科生的专业技术基础课，是学生学习后续专业课程及今后从事相关工作的重要基石。尤其是随着信息社会的发展，电子线路课程的重要性也日益凸显，每两年举行的全国大学生电子设计竞赛及北京地区大学生电子竞赛就是很好的体现。因此，研究如何改革和加强电子线路课程的教学具有重要的实际意义。但需要说明的是，这里讨论的电子线路课程重点在模拟电子线路，而不包括数字电路，因为P Spice软件虽然也能对数字电路进行仿真，但在技术上对比其他专门数字电路仿真软件并无突出优势。

    二、电子线路课程引入P Spice仿真软件的必要性

    此前，电子线路与P Spice软件属于两门课程，而且后者属于选修课程。电子线路主要包括理论教学和实验教学，而P Spice软件的教学主要强调软件的熟悉与运用。由此所带来的问题主要表现在以下几个方面：

    第一，电子线路课程尤其是线性电子线路课程，主要讲授晶体管特性及各种放大电路，涉及管子的内部结构及由此得出的管子参数、管子参数对电路功能的影响、环境温度等对电路功能的影响等等。在以前的教学过程中，教师往往通过语言描述等手段来讲解这些内容，学生对此普遍反映内容抽象、难以接受，而且往往一听而过，很难留下深刻的印象。虽然采用传统的硬件实验方法可以求出放大电路静态工作点、增益、频率响应等，但在元件参数的改变以及温度变化对电路性能的影响等方面实现起来则较为困难，教学效果不是很理想。而采用P Spice仿真软件能够很方便地对上述问题进行仿真，因为它不需要任何实际的元器件和测量仪器，所以易于突破实际实验手段的某些限制，而且分析过程形象直观，有利于加深对电子电路基本概念、基本特性的理解，也有利于解决教学过程中的难点和疑点。

    第二，传统纸质教材难以展现的理论知识的探究过程可以通过计算机等进行模拟，进而可以在课堂上进行展示。在过去电子线路课程的教学中，由于课时等方面的限制及缺乏表现过程的手段和方法，对过程的教学相对较少，因此学生在学习过程中也往往局限于记住结论，缺乏对过程的理解，从而导致对学生创新思维培养不够。因为过程教育是研究型教学方式的主要特征，它强调科学原理的形成过程，强调教学内容的呈现方式要面向过程，将学科概念等得以产生的起因和发展过程展示给学生，让学生在这个过程中产生发散思维、提出疑问，从而激发学生自主学习和探究的动机，增强学生自身参与知识建构的主动性，在过程中培养学生的创新能力。

    第三，电子线路是工程性很强的课程，其所涉及的理论知识在实际电路设计中有着广泛的应用。如果不使用相关的仿真软件，很难在课堂上讲解一些应用实例，也很难要求学生运用所学的理论知识去分析解决实际问题，由此造成理论和实践脱节。另一方面，随着集成电路技术的高度发展和计算机技术深入到各个领域，以计算机辅助设计为基础的电子设计自动化技术已渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节，并已发展成为电子学领域的重要分支。它引发了电子电路分析与设计方法的重大变革，使得传统的人工设计方法越来越不适用。所以，在电子线路中引入P Spice仿真软件的相关内容，对培养学生的仿真意识具有重要作用。

    三、P Spice仿真软件的特点

    为了解决上述问题，国外很多大学已将P Spice仿真软件引入到电路系列课程中，作为教学内容的一个重要组成部分。

    P Spice软件使用自由格式语言，计算仿真快速准确。它相当于一个电路模拟实验台，能够代替面板、示波器等整个电子实验室的功能，使用它可以做各种各样的电路实验和测试，也可以进行参数优化设计与分析。它以电路理论、数值计算方法、计算机技术为基础而实现仿真，不仅支持文本输入，而且还支持图形输入。它拥有庞大的、高精度的元器件模型库、种类齐全的测试仪器仪表等，具有激励信号编辑功能。它具有D/A接口的I/O电路，可以进行多种电路的仿真分析，以及数字电路和数模混合电路的分析。它具有Probe曲线后处理程序，可以协助用户快速精确地观察电路曲线，并具有软件测量功能，可以测量各种各样的基本电路特性。它还可以定义多重窗口，在不同窗口显示不同信息，以利于电路特性的比较，使用户能够轻松地判断电路是否合乎要求。它采用模块化和层次化设计，具备良好的人机界面和控制方式，以下拉式菜单的方式操作，为输入文件建立、结果显示、出错提示、信息查询、状态设置、参数修改以及文件存取等提供了方便的工具。正是由于P Spice具有这些特点，使其无论在教学中还是在工程实践中，都是一个得力的工具。

    四、利用P Spice仿真软件加强电子线路课程教学

    在电子线路课程中引入P Spice仿真软件后，可采用更为先进的教学模式，将理论分析和计算机仿真实验结合在一起，加强理论知识与实际应用的联系。但是，不论是电子线路的理论部分，还是P Spice软件知识，都包含很丰富的内容，那么如何对内容进行调整和取舍、如何在有限的课时之内将理论知识的讲解与仿真工具的利用有机地结合起来，这些都是值得研究的问题。课题组深入研究了信号系列课程的教学规律和内容体系，充分调研了其他高校应用P Spice的经验，在此基础上，提出以下几个方面的建议：

    1.利用P Spice软件加强学生对电子线路课程中管子特性和功能电路的理解和掌握电子线路课程涉及多种晶体管、功能电路，在介绍这些内容时，学生容易感到枯燥难懂。授课过程中，可采用理论讲解与软件仿真相结合的方式。在理论讲解的同时，使用软件仿真管子的特性曲线及电路在实现功能时的信号变化。这样既可以使学生对所学的知识有感性认识，同时又可以巩固和加深对管子特性的理解及掌握。

    可以利用P Spice软件提供的元件库提取不同型号的管子，利用Parts模块来观察不同管子的特性曲线（需要注意的是，如果使用的是P Spice 8.0评估版，则只能观察晶体二极管的特性曲线）。由于传统的教学方式对管子特性的分析很难采取直观的讲解，所以常采取“管为路用”（管子的特性是为了实现具体的功能电路）的策略，只要求学生掌握晶体管的几个常用参数及其外部特性的近似数学表达式，而对管子的其他重要参数的变化对管子性能的影响往往采取回避或者一带而过的处理办法。采用P Spice软件后，这些问题将迎刃而解。因为P Spice软件有强大的参数扫描功能，能把管子参数变化对电路的影响用曲线精确地描绘出来。

    2.利用P Spice软件培养学生分析问题、解决问题的能力

    在电子线路课程中，为了巩固课堂上的教学效果，通常要求学生课下完成一定数量的作业。但在传统的教学方式下，考虑到计算量和复杂度，作业往往是经过专门设计的一些简单的验证性、推理性习题，缺乏综合性尤其是设计性，因此难以培养学生的创新思维，不利于提高学生运用所学理论知识分析问题、解决问题的能力。在引入P Spice软件后，则可以让学生尝试进行电路的设计分析，对于复杂的数学计算交由计算机去解决，而只要学生探究元件参数对电路性能的影响，从而选择合适的工作点，以确保设计的电路符合实际需要，让学生在设计过程中运用所学知识解决所遇到的问题。

    3.利用P Spice软件培养学生的仿真意识

    如前所述，电子线路是工程性很强的课程，因而，在教学过程中就应该有意识地去培养学生的工程素质。虽然在以往的教学过程中，也意识到培养学生工程素质的重要性，如培养学生的工程估算能力等等。但是，在现代信息社会中，随着电子技术的发展，电子产品设计生产的周期越来越短，如果用传统的搭硬件电路———测试———再修改设计———再测试的方法来设计电子产品，从时间与成本来说显然是不符合市场经济发展规律的。

    所以，需要在基础课的教学中注意培养学生的仿真意识。以前的教学对此强调不够，学生在毕业设计（包括研究生毕业设计）中往往不进行仿真就搭电路，搭完电路测试时才发现原来的设计不符合要求，于是推倒重来，这样既浪费时间又浪费经费。

    所以，我们希望通过电子线路课程与P Spice软件的结合，用一些设计性的例题及习题来有意识地培养学生的仿真意识。

    五、结论

    电子线路课程是电气信息类专业中不可缺少的专业基础课程，加强该系列课程的教学对于学生后续课程的学习以及将来的就业都有着极其重要的意义。P Spice软件是目前在电路仿真软件方面最精确、最流行的仿真工具之一，广泛应用于科学研究和工程实践中。在电子线路课程中引入P Spice后，可采用更先进的教学模式和更科学的课程内容体系，有助于提高教学水平，推动教学方法和教学手段的改革。更重要的是，P Spice软件内容的引入，可使理论教学与实际应用联系得更加紧密，同时还能帮助学生加强对基本概念、原理、方法的理解以及对主要教学内容的掌握，提高学生的学习兴趣、培养学生的创新思维和仿真意识，为后续课程的学习打下坚实的基础。除此之外，还可使学生在学习专业基础课的同时，逐步掌握在教学、科研等方面都有着广泛应用的P Spice仿真软件，为今后的实际工作打下一定的基础。尤其值得一提的是，经过线性电子线路课程两轮的教学实践表明，在该课程中引入软件教学，把原来的线性电子线路与电子线路CAD两门课程整合在一起，减少了1个课时，但综合教学效果却更好，这是本次教改最大的成果。

    参考文献

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