電氣工程與信息科學類本科基礎課程教學五大關系的思考

摘 要:本文分析了電氣工程與信息科學領域本科基礎課程教學中場與路、模擬與數字、分立元件電路與集成電路、硬件與軟件、經典與現代等五個關系存在的問題,研究了國內外有關高校在該領域本科基礎課程教學改革的發展動態。根據這些研究成果,可以給該領域本科各專業最主要課程教學改革提供有益的幫助和信息。

關鍵詞:電氣工程 信息科學 基礎課程 五大關系 教學改革

電氣工程與信息科學類本科基礎課程涵蓋我國工科的電氣工程及其自動化、自動化測控技術及儀器、電子信息工程、通信工程、電子科學與技術、生物醫學工程、計算機科學與技術以及理科的電子信息科學與技術、微電子學、光信息科學與技術等專業大學本科二、三年級最主要的課程,涉及電學、磁學、電子學和計算機科學等范圍。

當今,在電氣工程與信息科學領域,世界各國的大學都面臨教學改革的嚴峻形勢[1-3]。而在我國,要跟上時代步伐可能會遇到更多的困難。在該領域本科基礎課程教學中,場與路、模擬與數字、分立元件電路與集成電路、硬件與軟件、經典與現代等五個關系一直沒有得到正確處理。而這些關系相互交織,給專業教學規范、建立科學的專業基礎課程平臺、課程基本要求等方面都帶來許多問題,加重了學生負擔,影響了教學質量。本文在如何處理這五個關系方面談一些粗淺的看法。

一、場與路的關系

“文化大革命”結束后,場與路分家的出發點是為了減輕學生負擔,于是,在某些電類專業教學計劃中刪去了“電磁場”課程;在“電工基礎”課程中刪去了“電磁場”“磁路”“鐵芯線圈”等內容,演變為今日的“電路分析”。近年來,隨著新技術、新理論的不斷涌現,課程學時逐漸膨脹。為緩解這一矛盾,有些人盲目追逐時尚,不惜削弱一些經典理論。不重視電磁場理論的現象日趨嚴重。

其實,“場”是“路”的基礎“路”是電磁現象和過程在特定條件下的分析方法。我們知道,集中參數電路和分布參數電路的劃分必須涉及電磁場和電磁波的理論,但是,在許多電類專業的教學計劃中沒有這些內容,在教學中,涉及電磁場和電磁波的理論,只能是不了了之。

電磁場與波是從事電氣工程與信息科學的基礎知識,不僅在微波、天線、電力系統等領域需要這些基礎理論的支撐,對于高速計算機硬件的設計同樣不能脫離這一領域而深入研究。

電磁兼容理論的形成與發展引入了新的理念,開拓了廣闊的應用前景。作為新興的電子信息安全技術之組成部分,信號輻射泄漏問題之研究、電磁兼容的檢測等必須依賴電磁場理論。

多年前,美國MIT(麻省理工學院)始終把這類課程列為EECS(電機工程與計算機科學)系的必修課(核心課)。從全面培養高素質人才考慮,必須保證電磁場與波類型的課程學時及其質量,倡導場與路兩方面知識的密切結合與全面理解。

早在1983年在福州召開的電磁教材編審組擴大會上,關于場與路分家的做法就提出了反對意見;俞大光教授在2002年發出了“場與路還是合并為好”的呼吁[2]。1998年7月由教育部正式頒布實施的電氣信息類專業只有7個,其中電子信息類專業只有3個,強電只有1個,即電氣工程及其自動化專業,在這種情況下,似乎場與路分家的做法可以休矣。

二、模擬與數字(連續與離散)的關系

目前,人們喜歡引用的時尚名詞,所謂“數字化世界”或“數字化地球”以及“數字化時代”等等,實際上都是指信息與電子科學技術的廣泛應用。從本質上講,當人們談論“數字化世界”時很可能是指“信息化世界”“電子化世界”或者“信息電子化世界”等等。當信息電子科學技術深入到人們生活、工作的每個角落時,并沒有人認真追究這里包含多少數字系統?多少模擬系統?他們常常誤認為先進的電子技術都是數字化的,因此,“數字化世界”就與“信息電子化世界”成為同義語。作為業內人士,我們應當看清楚這些名詞背后的實質。

隨著教學改革的深入,傳統的面向連續時間信號與系統研究之課程已經逐步減少,講授模擬技術的授課學時已經減少到較低的比例,然而,對模擬與數字的相互依存關系應該有全面、統一、合理的認識與理解。過多弱化模擬電子技術教學內容,沒有兼顧模擬與數字兩類系統的發展前景是目前的基本狀況[4]。

人類在自然界中遇到的待處理或待傳輸之信號相當多的情況是模擬信號,借助數字系統對其進行處理或傳輸時,需經過A/D、D/A轉換,轉換部分及其前、后接口以及預處理和后處理都不可避免要用到模擬系統。

當工作頻率很高時,直接采用數字集成器件尚有一些難度,通常,用模擬系統進行處理或傳輸可能比較簡便。

由于上述原因,我們在大量啟用數字系統的同時,也會遇到相當多的數字與模擬混合系統或模擬系統。

在信息科學領域中,許多新理論、新方法不斷涌現,它們的構成原理往往要從連續時間系統的觀點進行研究。

在研究與開發新產品的過程中,作為總工程師的首要職責是最佳地協調模擬與數字部件的分配與組合。在基礎理論性科學研究工作中,研究人員必須兼顧模擬與數字兩類系統的發展前景。

如此看來,正確處理模擬與數字(連續與離散)的關系,在電氣工程與信息科學領域本科基礎課程教學中是多么重要。

三、分立元件電路與集成電路的關系

我們必須注意到,當逐步引入集成電路設計新技術的同時,可能關于分立元件電路原理的講授依然保留較多,于是構成龐雜繁復的電路與電子線路方面的課程體系,使學生負擔很重卻不得要領。但有的又走向反面,分立元件電路原理講得太少,更有甚者,一些基本電路也不講,直接進入集成電路的教學,讓學生不知其所以然。

為解決這一矛盾,對于基礎課程之選材,一方面要精簡傳統的分立電路內容,同時也不宜過于關注集成芯片內部的細節。必須兼顧分立電路基本原理、大規模集成技術實現原則以及在較高頻段和較大功率條件下電路實現之特色等諸方面的需求,以統一的觀點、盡可能少的學時教給學生最基本、最具應用潛力的原理和概念。

由于集成電路技術的迅速發展,在我們的課程中當然要引入這方面的最新理念。許多院校增設了“微電子電路與系統(引論)”類型的課程。學生可以認識到,集成電路之構成與傳統的分立元件電路雖然有著類似的工作原理,但其實現方法和設計思想已經產生了深刻變化。

四、硬件與軟件的關系

由于計算機應用之普及,特別是軟件可編程技術顯示之優勢,人們對于硬件知識與實踐的學習產生冷漠。許多計算機專業的學生不愿作涉及硬件工作的研究題目,他們認為硬件實現太麻煩、給人一種陳舊落后的印象。而在非計算機類專業軟件設計能力過弱。

顯然,這樣必然會影響學生的工程設計和創新能力,應予糾正。當前,“硬件”的概念已經發生了根本性的變化,不能誤認為硬件就是利用R、L、C元件與電子器件組合起來作插件板。實際上,付諸應用的硬件體系都充分體現了軟件與硬件的密切結合,FPGA、VHDL、Verilog語言、DSP技術的廣泛應用構成了軟硬結合的全新設計理念與結構體系。

有人認為在通信與電子系統設計過程中,軟件的作用就是系統仿真(模擬)或CAD(計算機輔助設計)。實際上,這種理解相當狹隘,目前,最終成為應用產品的電子系統往往都是軟、硬件結合的產物。軟件與硬件之間的界限逐漸淡漠。特別是為了充分發揮可編程技術的優勢,在許多設備中都可能同時包含硬件與軟件。例如,軟件無線電,這是一種最新的軟、硬件密切結合的無線通信技術。

我們曾經追求盡可能低的制造成本和最充分的利用資源,而現今的理念是:低的設計成本和最短的上市時間。

五、經典與現代的關系

在通信、控制、信號處理、優化、人工智能、模式識別等眾多研究領域中都存在傳統理論與近代最新技術兩種類型的基礎知識和分析方法。不少課程的名稱都冠以“現代”二字以示其先進性,而從學生認識與學習過程來看,沒有必要把經典與現代劃分嚴格之界限。有的為了趕時尚,亂改亂革,例如電路分析課程,像“互感電路”“雙口網絡”等經典內容都刪去了,必將會引起后續課程知識點的斷層[5]。

從調幅、調頻、單邊帶通信到五光十色的數字通信;從傳統的反饋系統穩定性理論到狀態空間方法都應該循序漸進、認識歷史、全面理解事物發展規律。在我們著重研究現代技術與方法的同時,必須注重以統一的觀點、全新的視角把經典與現代密切融合起來。

六、結束語

由于電氣工程與信息科學領域基礎課程的各對矛盾交互依存、錯綜復雜,要處理好它們之間的相互關系,構建具有發展潛力、先進性、普適性、切實可行的教學體系決非輕而易舉之事。很可能要歷經長期的、多種途徑的探索與嘗試。

參考文獻

[1]鄭君里.試談電工程與信息科學領域基礎課程教學改革[J].高等學校理工科教學指導委員會通訊,2006,41(10):21～26

[2]俞大光.場與路還是合并為好[J].電氣電子教學學報,2002.4,23(2):56～58

[3]童詩白.美國在電子技術課程設置、教學方法和教材建設的一些情況[J].電工教學,1991,26(4):41～44

[4]于歆杰,朱桂萍,劉秀成.麻省理工學院教育教學考察報告(三)—電路與電子學課程教學法篇[J].電氣電子教學學報,2004,25(6):6～10

[5]曹才開.網絡分析理論發展動態[J].電氣電子教學學報,1999,20(1):58～61

[6]于歆杰. MIT EECS通信、控制與信號處理 6.011 課程簡介[J].電氣電子教學學報, 2004, 26(6): 21～23