在线开源仿真软件在“电路分析基础”课程中的教学探讨

李悦丽 谢晓霞 田瑞琦

摘 要：电路仿真软件已广泛应用于电子电路相关课程的课堂与实验教学，但由于软件版权、入门门槛和对电脑安装资源的要求等因素，限制了其在课程教学中的应用。以CircuitJS1为首的在线开源仿真软件，具有电路实例丰富、易于上手、演示便捷直观等优点，故探讨在“电路分析基础”课程中采用这类软件帮助学生建立概念、夯实基础、提高教学成效的途径。

关键词：电路分析基础;在线开源;电路仿真;CircuitJS1

中图分类号：G64          文献标识码：A          文章编号：1673-9132（2022）15-0006-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.15.002

在线开放课程是信息技术与教育结合的一种重要形式，对高校课程教学改革及内涵式发展起到了重要的推动作用，以计算机语言教学为代表的在线程序教学推动了在线信息技术教学范式的发展[1]，也对其他工程学科的教学方式产生了深远的影响。以EDA技术为例，该技术在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用，在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA教学课程。传统的电子电路仿真软件Pspice、Multisim以及Matlab等，不仅用于电路设计，也广泛用于辅助课堂理论教学[2～4]。这些软件历史悠久、功能强大，但作为专业软件，在安装时需占用本地电脑的大量存储空间，入门门槛较高，且存在版权约束。

近年來，在线电路仿真工具给课程教学和学生学习提供了一种新的资源，如Autodesk circuits、Partsim和EveryCircuit等软件[5]。从软件的开放性来看，CircuitJS1作为一种在线开源仿真软件，具有明显的优势，该软件具有电路实例丰富、易于上手、演示直观的优点，非常适合教师在课堂上演示电路现象、阐述概念，也支持学生同步在手机、电脑上开展电路设计和仿真验证。因此，特探讨基于CircuitJS1在线开源仿真软件开展“电路分析基础”课程教学的途径。

一、开展EDA软件辅助教学的优势

在电子专业基础课教学中，除理论教学外，还把 EDA 技术引入课程的教学中，使得学生对当代工程设计及实践过程有一定的了解，是当前课程教学改革中的普遍趋势，由于技术进步和学科发展，很多理工科高校都在压缩专业基础课程的课堂教学时间，这对课堂教学的效率提出了更高的要求。“电路分析基础”是电子信息相关专业的基础课程，一般在大一开设，学生需要具备大学物理和高等数学等相关课程基础，本门课程虽然具有理论性强的特点，但是相较于前序课程，还具有较强的工程特征，对理论分析能力和工程实践能力都提出了高的要求。

二、EDA软件辅助教学的现状和存在的问题

由于电子类专业课程具有信息量大、知识点多、实践性强的特点，采用EDA软件进行辅助教学的重要性不言而喻，近年来很多研究都探索了在电子类课程中结合EDA技术开展教学的方法，但是教学实践中仍存在一些问题，阻碍了EDA软件辅助教学的发展。

1.针对课程开发的实例少，与教学内容结合不紧密。专业的EDA软件主要是作为工程实践工具使用的，因此很少针对课程内容开发专门的教学实例，教师进行教学必须亲自开发仿真案例，虽然已有一些教师取得了大量成果，但是因缺乏畅通的分享渠道和激励机制，绝大部分教师都需重头开发自己的教学实例，大大降低了教师在理论课堂上采用EDA软件进行辅助教学的积极性。

2.EDA软件的运行平台限制了学生参与课堂，降低了教学效率。现有的专业EDA软件都是在电脑上运行的，要求的存储空间大，学生需预先安装配置好软件。教师如果要求学生携带电脑进入课堂进行仿真，往往会因为个人电脑系统差异和软件配置不同造成的各种问题降低课堂效率，也影响了教学效果。因此目前基于EDA技术的课堂辅助教学，主要是以教师为中心，而很少以学生为中心。

3.用户体验感比较差，无法吸引学生自主开展实验探究。在电子信息学科，常用的专业EDA软件有Multisim、Matlab等，这些软件的学习需要具备一定的基础，也需要花费较长的时间入门，对电路现象的展现更多地通过虚拟仪器实现。尽管专业EDA软件具有强大的功能，但是学生课堂需要使用的部分往往非常浅显，复杂的软件界面和平庸的可视化效果使得学生受到挫折后很容易放弃。

三、基于CircuitJS1软件实施教学的方法

CircuitJS1电路仿真实验室是一种基于HTML5（HyperText Markup Language 5）的网页版电路仿真软件，无须下载或在本地安装软件包，通过访问页面可以在线进行电路仿真，与传统的HTML技术相比，HTML5的语法特征更加明显，并且结合了SVG的内容，能够适配多种平台，还可以很方便地进行交互动画设计。CircuitJS1软件最早是由美国学者Paul Falstad开发，是一个基于Java语言编写的小应用程序，可以直接嵌入在网页中，后来Iain Sharp基于GWT（Google Web Toolkit）对软件进行了改写，使得该程序可以在浏览器上直接运行，整个软件项目在Github上开源，一直处于迭代更新中，目前在Gitee上也分享了该软件的开源代码供下载，利用该软件可以直接在网页上进行仿真或进行教学，软件是完全免费的。该软件与常规仿真软件一样可以在页面上搭建电路，但是对电流和电压波形的可视化效果比大多数软件都好。目前，除常规电路分析所需的基本元件，该软件还提供了典型的模拟器件和数字器件，以及大量电路实例。国内有公众号上也建立了这个开源软件的镜像链接，并将其部分界面汉化。因此，用户既可以通过手机微信的公众号直接访问电路仿真界面，选择实例电路的仿真实验，运行后观察波形，也可以通过电脑登录网址链接，自行搭建电路，开展电路设计仿真实验。

该软件的一个可使用网址https：//www.eetree.cn/war/circuitjs.html？lang=cn。https：//www.eetree.cn/war/circuitjs.html？lang=cn。登录界面后，软件菜单栏包括6个子菜单，分别提供文件处理、编辑操作、电路绘制、波形框设置、显示选项设置和典型电路仿真实例。其中“绘制”菜单提供了导线、无源器件、有源器件、独立源、逻辑门、数字芯片以及数模混合芯片等10类元器件模型;“电路仿真”菜单则提供了基本电路、A/C电路、无源滤波器、其他无源电路、二极管、运算放大器、晶体管、MOS管、555定时器、有源滤波器、逻辑门系列、组合逻辑、时序逻辑、模拟/数字，锁相环PLL，传输线、其他器件等17类电路仿真实例，基本覆盖了电路分析、模拟电路、数字电路以及高频小信号放大电路等课程的教学内容。软件界面正中为图形窗口，提供电路绘制功能，界面右侧为复位、运行/停止功能键，并提供用于控制电路仿真的速度、导线中电流速度的滑动控件，可以调整电路仿真的时序间隔以及导线中电流的速度，且软件采用粒子流的方式直观展示了频率变化对电流速度的影响。界面下方为示波器区域，用于观察感兴趣元件上的电压、电流、瞬时功率的波形和频谱等。

下面介绍在课程中结合该软件开展教学的三种途径。

首先，教师可充分利用该软件提供的丰富的电路实例开展课堂教学。与Multisim等专业仿真软件相比，在课堂教学中结合CircuitJS1开源软件的电路实例开展基本概念教学更为灵活便捷。以“电路分析基础”课程为例，软件提供了电源、电阻并联、串联、三角形—星形连接，单口网络、戴维南等效电路等基本电路结构的仿真实例。在课堂上，结合软件开展仿真实验的方法包括如下方面。

1.在预习阶段，首先让学生通过简单的实例观察物理现象，熟悉电流、电压波形，初步了解基本电路结构和功能，厘清一些概念，例如电路中“直流偏置”的概念，许多学生未看到现象时很难理解，但是在电路仿真中，采用一个直流一个交流源在负载上形成激励，可以直接看到这一现象，并进一步强化对叠加定理的认知，帮助学生为未来模电课程学习建立静态工作点概念。

2.在课堂教学中，教师在上课前让学生在个人手机、电脑上直接打开电路实例，观察仿真结果，设置导入问题，启发学生思考波形背后的物理概念。以正弦电路的瞬态响应为例，这部分如果直接用解方程的方法分析，则由于电路在上电过程中发生响应过程比较复杂，所需课堂讲解时间很多，但这部分并非教学重点，课堂上往往一带而过，如果能结合电路仿真对现象进行演示则很容易将上电过程讲明白，也无须太多时间。

3.在概念讲授后，直接演示对应仿真电路的电压、电流波形，帮助学生实现物理现象与理论分析的无缝衔接。由于在线软件开启方便、实例丰富、演示快捷，在备课和课堂教学中都不会占用教师过多的时间，能够提高课堂知识传授的效率。

其次，开源在线仿真软件也能较好地支持学生开展课后学习，夯实基础。教学实施方法是：布置电路练习，要求学生在课后练习中将理论分析与仿真验证结合起来提交实验报告，尤其是对于暂态分析等难度较大的学习内容，理论与仿真的结合有助于学生深入理解概念。如对于一阶RC电路在脉冲串激励下过渡过程和稳态的分析，理论上通常通过三要素法划分子区间分段分析，计算麻烦，这一部分学生往往感觉不好理解。在仿真作业中，要求学生完成两种电路仿真和结果对比：一种是脉冲串半周期T远大于一阶电路的时间常数的情况，另一种是T小于或等于电路时间常数的情况。通过仿真作业，学生能够更加快速、直观地了解充电过程，理解电路如何从最初“充得多放得少”的暂态过程到“充多少放多少”的稳态过程[6]，再结合理论分析往往能达到事半功倍的效果。

再次，教师还可以将开源软件作为EDA应用能力培养的入门工具。EDA软件的自学能力需要逐步锻炼，大一学生的计算机水平参差不齐问题比较严重。考虑到Multisim和Cadence等仿真软件尽管功能强大，但其界面非常复杂，安装和学习需要时间，教师将CircuitJS1作为一种入门软件引导学生开展仿真电路设计也是一种不错的选择。利用该软件与其他专业EDA工具的布线、元件设置放置和仿真功能有相通之处，学生能够快速熟悉EDA工具中电路搭建、仿真验证和元器件参数调整、交直流信号分析的基本方法，为后续专业软件的学习打下基础。

四、教学应用情况

2020年春季学期，由于疫情的影响，我校“电路分析基础”课程需要采用线上教学方式，作为电子信息类专业学员的入门理论基础课程，课程重要性不言而喻。因此，我们探索了基于开源软件进行线上仿真的教学模式，因其直观漂亮的电路波形演示效果，受到学生的欢迎，也取得了良好的教学成效，经过两个学年的教学应用，结合该软件开展课程教学的方法逐步发展成熟，我們配合课程的开设筛选并编写了一系列仿真程序，目前在中国大学MOOC上线的“电路分析基础”慕课课程中，也应用CircuitJS1软件同步开展了仿真实验教学，在“电路分析基础”课程中使用在线开源的EDA工具教学不仅有利于本门课程的学习，还有利于学生在后续的模拟和数字电路的课程学习中学习专业的EDA工具。但是，应注意目前在线开源仿真软件所提供的元器件模型多为理想模型，与Multisim和Pspice等专业软件提供的实际元件模型是不同的，因此，它不能完全替代基于实际电路元件模型开展仿真设计的专业软件。

在线开源仿真软件是一种新形态的仿真教学工具，尤其是采用HTML5设计开发的在线仿真软件，移植到微信等社交平台上后，使用便捷度大幅提高，能够满足学生随时随地开展实验的要求，教师探索使用这类软件资源开展课程教学的方式对提高课堂效率和教学效果都有裨益。过去，对“电路分析基础”等基础课程的教学更重视理论和实际实验教学，为顺应我国集成电路产业发展的需要，适应电子信息类课程改革的要求，有必要推动EDA软件的使用和开发教学，而在线开源仿真软件可以作为一个突破口，帮助学生夯实基本概念，逐步培养计算机辅助电路设计意识。

参考文献：

[1] 嵩天.以在线开放课程为引领的大学课程改革新模式[J].中国大学教学，2019（11）：13.

[2] 杜海龙，段照斌，李静昭.基于PSpice的机载10S延时电路仿真教学研究[J].电气电子教学学报，2021（2）：83.

[3] 卫延.“电磁场与电磁波”课程可视化方法研究[J].电气电子教学学报，2021（1）：51.

[4] 俎云霄，李巍海，张轶.应用Multisim进行无源RC电路的时频分析[J].电气电子教学学报，2010（5）：70.

[5] 刘金辉，孙小飞，彭方成，等.手机电路仿真App的负反馈放大电路教学应用[J].教育教学论坛，2020（52）：260.

[6] 李瀚荪，吴锡龙.电路分析基础学习指导（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2018.

作者简介：李悦丽（1973.1— ），女，汉族，湖南浏阳人，教授，研究方向：电路与雷达信号处理。

谢晓霞（1974.8— ），女，汉族，湖南岳阳人，教授，研究方向：电路与随机信号分析。

田瑞琦（1990.1— ），女，汉族，湖南常德人，讲师，研究方向：电路与随机信号分析。

基金项目：本文系国防科技大学教育教学改革课题《面向电路素养塑造的一体化贯通式电子电路系列课程重构与优化》（项目编号：U2020007）以及《任职培训虚拟实践教学模式的探索——以雷达课程为例》（项目编号：U2019017）阶段性成果之一。