吳 靜

(北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

本文介紹德島大學(xué)工學(xué)部電氣電子工學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)科目、專業(yè)科目和實(shí)驗(yàn)科目等的設(shè)置情況[1],并與我國電氣工程專業(yè)課程設(shè)置進(jìn)行比較,從而為我國電氣工程學(xué)科的課程設(shè)置及其內(nèi)容改革提供有益的參考。

1 專業(yè)基礎(chǔ)科目

德島大學(xué)電氣電子工學(xué)科本科生的專業(yè)基礎(chǔ)科目的課程、開課時(shí)間、性質(zhì)等如表1所示。學(xué)生至少選擇3門必修課。

“電磁理論”和“電路理論”課程和我國課程的內(nèi)容基本相同,但是“電磁理論”由淺入深被分成了三門課,而“電路理論”中關(guān)于RLC電路這部分內(nèi)容專門放到了“過渡現(xiàn)象”課程中。

“能量工程基礎(chǔ)”主要介紹其它能量(例如機(jī)械能、光能、核能)與電能的相互轉(zhuǎn)換、電能的傳輸和儲存等。我國高校在“電力系統(tǒng)分析”和“電氣工程基礎(chǔ)”等類似課程中介紹這些內(nèi)容。

“半導(dǎo)體物理學(xué)”與我國高校課程相差較大。我國高校很少將該課程作為電氣工程學(xué)科本科生的限選課。該課程的主要內(nèi)容有:半導(dǎo)體和集成電路簡介、晶體管、數(shù)字電路、化合物半導(dǎo)體、CPU中的內(nèi)存、CMOS、CCD電子眼、大規(guī)模集成電路、IC的制造過程、半導(dǎo)體激光以及半導(dǎo)體前沿技術(shù)等。

“系統(tǒng)理論基礎(chǔ)”和“電子電路”等課程的授課內(nèi)容與我國相關(guān)課程基本相同。

表1 專業(yè)基礎(chǔ)科目

2 專業(yè)科目

德島大學(xué)電氣電子工學(xué)科有4個(gè)專業(yè)方向:電氣能源、電氣電子系統(tǒng)、物性設(shè)備和智能電子回路。

2.1 電氣能源專業(yè)課程

電氣能源專業(yè)課程如表2所示。學(xué)生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表2 電氣能源專業(yè)課程

“電機(jī)1”與“電機(jī)2”同時(shí)開課,“電機(jī)1”主要介紹變壓器和感應(yīng)電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)以及等值電路等,“電機(jī)2”主要介紹直流電機(jī)和同步電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)以及特性等。在“電機(jī)”課程的基礎(chǔ)上開設(shè)了“電機(jī)控制工學(xué)”和“電機(jī)應(yīng)用工學(xué)”。前者主要介紹各種坐標(biāo)變換原理、直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及同步電機(jī)的基本方程、感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的矢量控制、步進(jìn)電機(jī)、超導(dǎo)電機(jī)以及由電機(jī)控制的位置傳感器和電流傳感器的基本原理等。后者主要介紹直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾性、自由度、自適應(yīng)性,以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成等。

“電力系統(tǒng)工學(xué)”的內(nèi)容與我國 “電力系統(tǒng)分析”和“電氣工程基礎(chǔ)”等課程相似。“發(fā)變電工學(xué)”主要介紹水力、火力、風(fēng)力、原子能和太陽能等發(fā)電站的構(gòu)成和發(fā)電原理。這兩門課選用的是英文教材,采取英文授課方式。

“照明電熱工學(xué)”主要授課內(nèi)容有:光變換中的測光量和單位、照明量的定義、各種光源的特征和利用方法、照明計(jì)算基礎(chǔ)(理論計(jì)算、實(shí)例計(jì)算)、電器加熱的特征、各種電器加熱方式、熱傳遞的基礎(chǔ)、熱路理論、熱路特征和電器加熱時(shí)間等。

“高電壓工學(xué)”主要介紹:高電壓的安全知識、與高電壓、大電流相關(guān)的計(jì)算和物理現(xiàn)象(靜電場計(jì)算、帶電粒子的行為、氣體放電、氣體擊穿、絕緣材料的特性)、高電壓的產(chǎn)生方法,大電流的產(chǎn)生方法和高電壓的測量方法,大電流的測量方法和高電壓應(yīng)用(電力設(shè)備、脈沖功率的應(yīng)用、電除塵器等)。

“電力電子”與我國同名課程內(nèi)容基本相同。

2.2 電氣電子系統(tǒng)專業(yè)課程

電氣電子系統(tǒng)專業(yè)課程如表3所示。該類課程面向電子工程領(lǐng)域,涉及到電路與系統(tǒng)、通信和電磁場與微波技術(shù)以及數(shù)字信號處理等。學(xué)生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表3 電氣電子系統(tǒng)專業(yè)課程

“電氣測量與儀器”、“控制理論”、“信號處理”、“電子通信基礎(chǔ)”、“通信工程”、“微波工程”和“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等的授課內(nèi)容與我國相關(guān)課程相似。

“高頻測量”主要介紹:傳感器、傳輸線理論、S參數(shù)史密斯圖、測量用信號源、高頻電壓和功率測量、電路常數(shù)、波形、頻率和功率譜及噪聲的測量等。

“系統(tǒng)分析”主要介紹利用Matlab軟件如何對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 物性設(shè)備專業(yè)課程

物性設(shè)備專業(yè)課程如表4所示。該專業(yè)方向與美國的材料與裝置專業(yè)方向類似。學(xué)生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表4 物性設(shè)備專業(yè)課程

“半導(dǎo)體物理中的量子力學(xué)”在“量子力學(xué)”的基礎(chǔ)上繼續(xù)講授薛定諤波動(dòng)方程、半導(dǎo)體內(nèi)電子能帶結(jié)構(gòu)、量子阱結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識,以幫助學(xué)生理解半導(dǎo)體材料的性質(zhì)以及半導(dǎo)體器件的工作原理?！肮虘B(tài)物理”主要講授固體的微結(jié)構(gòu)及其熱性能、電性能、絕緣性能(誘電性)、光性能和磁性能等。

“半導(dǎo)體器件物理”在“半導(dǎo)體工學(xué)”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步講授雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管的相關(guān)知識。

“集成電路1”主要講授MOS集成電路制作工藝(氧化和擴(kuò)散工藝)、MOS晶體管和二極管的特性、緩變溝道近似、按比例縮小規(guī)則和大規(guī)模集成電路的布線等。

“電子物理學(xué)”主要講授:電場和磁場中電子的運(yùn)動(dòng)特性、電子光學(xué)與電子透鏡、微波電子管的構(gòu)造和原理和等離子體的基礎(chǔ)知識等。

“光電子器件”主要講授光半導(dǎo)體器件物理學(xué)的基礎(chǔ)知識,以及發(fā)光LED、光放大器、半導(dǎo)體激光和CCD的工作原理等。

“電氣電子材料科學(xué)”主要講授導(dǎo)電材料、電阻材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、電介質(zhì)材料和絕緣材料的特點(diǎn)。

“等離子體學(xué)”主要講授等離子體的微觀運(yùn)動(dòng)和宏觀性質(zhì),以及等離子體和離子束的生成與應(yīng)用等。

“半導(dǎo)體納米技術(shù)基礎(chǔ)”主要講授半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)、特征和應(yīng)用等。

2.4 智能電子回路專業(yè)課程

智能電子回路專業(yè)課程如表5所示。學(xué)生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表5 智能電子電路相關(guān)課程

“模擬計(jì)算工學(xué)”和“數(shù)字電路”的授課內(nèi)容與我國相關(guān)課程相似。

“電網(wǎng)絡(luò)分析”主要講授:二極管、雙極晶體管、MOSFET的大信號模型和小信號模型、SPICE軟件中各元件的仿真模型、電路分析中的向后差分法及SPICE軟件對過渡現(xiàn)象的仿真、各種積分公式的截?cái)嗾`差及穩(wěn)定性、直流電路方程組的牛頓-拉夫遜解法及SPICE軟件對直流電路的仿真分析、電路方程組的求解方法(消去法、LU分解法)及SPICE對交流電路的仿真分析和求解電路的節(jié)點(diǎn)法和改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法等。

“集成電路2”主要講授:CMOS的制作工藝及布局設(shè)計(jì)、布局與MOS晶體管特性之間的關(guān)系、基本CMOS邏輯電路的布局設(shè)計(jì),電路仿真、算術(shù)邏輯單元(ALU)和可編程邏輯陣列(PLA)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)理論等。

“電子電路設(shè)計(jì)練習(xí)”主要講授微機(jī)電路的工作原理、設(shè)計(jì)及編程。該課程要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制電路。

“計(jì)算機(jī)電路”和“計(jì)算機(jī)算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”兩門課程主要講授與計(jì)算機(jī)相關(guān)的知識。

2.5 討論

與德島大學(xué)電氣電子工學(xué)科的專業(yè)方向相比,我國電氣工程作為一級學(xué)科,一般包括電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、電機(jī)與電器、高電壓與絕緣技術(shù)和電工理論與新技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)等5個(gè)二級學(xué)科方向。各高校根據(jù)自身的師資狀況和科研水平開設(shè)具體的專業(yè)方向。專業(yè)課程大都與電力系統(tǒng)有關(guān)。德島大學(xué)電氣電子工學(xué)科在電氣能源專業(yè)方向上的課程比我國高校要少。但是,在專業(yè)方向設(shè)置方面,德島大學(xué)比我國高校要寬,與美國部分高校有相似之處,都覆蓋到了通信與網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、材料與裝置及電子學(xué)與集成電路等[2]。

3 實(shí)驗(yàn)科目

注重實(shí)驗(yàn)課程是德島大學(xué)電氣電子工學(xué)科本科教學(xué)的一大特點(diǎn)。該校除了主干課自帶的實(shí)驗(yàn)以外,其為本科生還設(shè)置了如表6所示的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程。

表6 實(shí)驗(yàn)課程

1)一年級的“電氣電子工學(xué)入門實(shí)驗(yàn)”的主要內(nèi)容有:了解發(fā)光二極管、光電探測器、太陽能電池的特性,組裝電動(dòng)機(jī),觀察電機(jī)的旋轉(zhuǎn),組裝電腦,學(xué)習(xí)軟件安裝,制作簡單的電子電路及利用Word撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

2)二年級的“電氣電子工學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”的主要內(nèi)容有:觀察電流的磁效應(yīng),電路R、L、C參數(shù)測量,電路諧振特性測試,觀察過渡現(xiàn)象波形和MOS數(shù)字電路參數(shù)測試等。

3)三年級上半學(xué)年的“電氣電子工學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”包括三個(gè)實(shí)驗(yàn):半導(dǎo)體發(fā)光和受光器件的試制與特性評價(jià);光通信模擬電子電路的設(shè)計(jì)、制造和測試;數(shù)字集成電路的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性測量,以及FPGA電路設(shè)計(jì)與制作。

4)三年級下半學(xué)年的“電氣電子工學(xué)實(shí)驗(yàn)1”主要包括:直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如空載飽和特性試驗(yàn)和滿載特性試驗(yàn)等;變壓器與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如變壓器的空載試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn),感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的空載試驗(yàn)、短路試驗(yàn)等;晶閘管整流電路的相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如晶閘管單相全波整流電路的相位控制特性測量等;傳遞函數(shù)測量的相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如RC電路的傳遞函數(shù),直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù),頻域響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)的計(jì)算方法等;模擬輸電線路的相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如短距離輸電線的電壓降落、功率圓圖的測量實(shí)驗(yàn)等;模擬配電線路的相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如單相三線式配電設(shè)計(jì)等。

5)四年級上半學(xué)年“電氣電子工學(xué)實(shí)驗(yàn)2”為選修課程,主要包括:直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如基于IGBT的直流電機(jī)斬波調(diào)速系統(tǒng)性能的測試;交流電機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如基于PAM的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)性能的測試;白熾燈和熒光燈配光曲線的測量;各種氣隙放電特性測試,例如使用球隙放電測量直流高電壓,閃絡(luò)性能和電介質(zhì)強(qiáng)度測量等;液位的PID控制實(shí)驗(yàn);電磁流量計(jì)使用等。

6)四年級上半學(xué)年“電氣電子工學(xué)實(shí)驗(yàn)3”為選修課,主要包括:正弦波振蕩電路的設(shè)計(jì)和制作;有源濾波器的設(shè)計(jì)與制作;調(diào)制解調(diào)電路的各種特性測量;A/D和D/A各種特性的測量;微波相關(guān)實(shí)驗(yàn),例如速調(diào)管的使用方法及其震蕩特性的測量,微波頻率和功率的測量等;半導(dǎo)體微波器件的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法;利用C-V法測量半導(dǎo)體雜質(zhì)分布。

4 結(jié)語

我國一直強(qiáng)調(diào)構(gòu)建寬口徑電氣工程專業(yè)教學(xué)體系,而且正在加快電氣工程專業(yè)學(xué)位認(rèn)證國際化的步伐,在此背景下我們更要多了解國外相關(guān)學(xué)科的課程體系及發(fā)展動(dòng)向。

本文較全面介紹了德島大學(xué)電氣電子工學(xué)科的本科生課程體系,通過比較可知:①該學(xué)科的專業(yè)方向覆蓋了我國電氣工程、電子與信息工程兩個(gè)專業(yè),但每一專業(yè)的小方向劃分沒有我國高校細(xì)致;②該學(xué)科的必修課少,選修課多,而且選修課內(nèi)容多樣化,使學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣靈活選擇課程;③專業(yè)課程深度與廣度相平衡,增強(qiáng)了學(xué)生的適應(yīng)能力;④強(qiáng)化一、二年級的基礎(chǔ)理論和工程教育。

[1] http://cms.db.tokushima-u.ac.jp/syllabus/

[2] 董旭梅,陳怡.MIT電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系本科課程體系評價(jià).[J]南京電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2004(4):4-9