电气工程与信息科学类本科基础课程教学五大关系的思考

摘 要:本文分析了电气工程与信息科学领域本科基础课程教学中场与路、模拟与数字、分立元件电路与集成电路、硬件与软件、经典与现代等五个关系存在的问题,研究了国内外有关高校在该领域本科基础课程教学改革的发展动态。根据这些研究成果,可以给该领域本科各专业最主要课程教学改革提供有益的帮助和信息。

关键词:电气工程 信息科学 基础课程 五大关系 教学改革

电气工程与信息科学类本科基础课程涵盖我国工科的电气工程及其自动化、自动化测控技术及仪器、电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、生物医学工程、计算机科学与技术以及理科的电子信息科学与技术、微电子学、光信息科学与技术等专业大学本科二、三年级最主要的课程,涉及电学、磁学、电子学和计算机科学等范围。

当今,在电气工程与信息科学领域,世界各国的大学都面临教学改革的严峻形势[1-3]。而在我国,要跟上时代步伐可能会遇到更多的困难。在该领域本科基础课程教学中,场与路、模拟与数字、分立元件电路与集成电路、硬件与软件、经典与现代等五个关系一直没有得到正确处理。而这些关系相互交织,给专业教学规范、建立科学的专业基础课程平台、课程基本要求等方面都带来许多问题,加重了学生负担,影响了教学质量。本文在如何处理这五个关系方面谈一些粗浅的看法。

一、场与路的关系

“文化大革命”结束后,场与路分家的出发点是为了减轻学生负担,于是,在某些电类专业教学计划中删去了“电磁场”课程;在“电工基础”课程中删去了“电磁场”“磁路”“铁芯线圈”等内容,演变为今日的“电路分析”。近年来,随着新技术、新理论的不断涌现,课程学时逐渐膨胀。为缓解这一矛盾,有些人盲目追逐时尚,不惜削弱一些经典理论。不重视电磁场理论的现象日趋严重。

其实,“场”是“路”的基础“路”是电磁现象和过程在特定条件下的分析方法。我们知道,集中参数电路和分布参数电路的划分必须涉及电磁场和电磁波的理论,但是,在许多电类专业的教学计划中没有这些内容,在教学中,涉及电磁场和电磁波的理论,只能是不了了之。

电磁场与波是从事电气工程与信息科学的基础知识,不仅在微波、天线、电力系统等领域需要这些基础理论的支撑,对于高速计算机硬件的设计同样不能脱离这一领域而深入研究。

电磁兼容理论的形成与发展引入了新的理念,开拓了广阔的应用前景。作为新兴的电子信息安全技术之组成部分,信号辐射泄漏问题之研究、电磁兼容的检测等必须依赖电磁场理论。

多年前,美国MIT(麻省理工学院)始终把这类课程列为EECS(电机工程与计算机科学)系的必修课(核心课)。从全面培养高素质人才考虑,必须保证电磁场与波类型的课程学时及其质量,倡导场与路两方面知识的密切结合与全面理解。

早在1983年在福州召开的电磁教材编审组扩大会上,关于场与路分家的做法就提出了反对意见;俞大光教授在2002年发出了“场与路还是合并为好”的呼吁[2]。1998年7月由教育部正式颁布实施的电气信息类专业只有7个,其中电子信息类专业只有3个,强电只有1个,即电气工程及其自动化专业,在这种情况下,似乎场与路分家的做法可以休矣。

二、模拟与数字(连续与离散)的关系

目前,人们喜欢引用的时尚名词,所谓“数字化世界”或“数字化地球”以及“数字化时代”等等,实际上都是指信息与电子科学技术的广泛应用。从本质上讲,当人们谈论“数字化世界”时很可能是指“信息化世界”“电子化世界”或者“信息电子化世界”等等。当信息电子科学技术深入到人们生活、工作的每个角落时,并没有人认真追究这里包含多少数字系统?多少模拟系统?他们常常误认为先进的电子技术都是数字化的,因此,“数字化世界”就与“信息电子化世界”成为同义语。作为业内人士,我们应当看清楚这些名词背后的实质。

随着教学改革的深入,传统的面向连续时间信号与系统研究之课程已经逐步减少,讲授模拟技术的授课学时已经减少到较低的比例,然而,对模拟与数字的相互依存关系应该有全面、统一、合理的认识与理解。过多弱化模拟电子技术教学内容,没有兼顾模拟与数字两类系统的发展前景是目前的基本状况[4]。

人类在自然界中遇到的待处理或待传输之信号相当多的情况是模拟信号,借助数字系统对其进行处理或传输时,需经过A/D、D/A转换,转换部分及其前、后接口以及预处理和后处理都不可避免要用到模拟系统。

当工作频率很高时,直接采用数字集成器件尚有一些难度,通常,用模拟系统进行处理或传输可能比较简便。

由于上述原因,我们在大量启用数字系统的同时,也会遇到相当多的数字与模拟混合系统或模拟系统。

在信息科学领域中,许多新理论、新方法不断涌现,它们的构成原理往往要从连续时间系统的观点进行研究。

在研究与开发新产品的过程中,作为总工程师的首要职责是最佳地协调模拟与数字部件的分配与组合。在基础理论性科学研究工作中,研究人员必须兼顾模拟与数字两类系统的发展前景。

如此看来,正确处理模拟与数字(连续与离散)的关系,在电气工程与信息科学领域本科基础课程教学中是多么重要。

三、分立元件电路与集成电路的关系

我们必须注意到,当逐步引入集成电路设计新技术的同时,可能关于分立元件电路原理的讲授依然保留较多,于是构成庞杂繁复的电路与电子线路方面的课程体系,使学生负担很重却不得要领。但有的又走向反面,分立元件电路原理讲得太少,更有甚者,一些基本电路也不讲,直接进入集成电路的教学,让学生不知其所以然。

为解决这一矛盾,对于基础课程之选材,一方面要精简传统的分立电路内容,同时也不宜过于关注集成芯片内部的细节。必须兼顾分立电路基本原理、大规模集成技术实现原则以及在较高频段和较大功率条件下电路实现之特色等诸方面的需求,以统一的观点、尽可能少的学时教给学生最基本、最具应用潜力的原理和概念。

由于集成电路技术的迅速发展,在我们的课程中当然要引入这方面的最新理念。许多院校增设了“微电子电路与系统(引论)”类型的课程。学生可以认识到,集成电路之构成与传统的分立元件电路虽然有着类似的工作原理,但其实现方法和设计思想已经产生了深刻变化。

四、硬件与软件的关系

由于计算机应用之普及,特别是软件可编程技术显示之优势,人们对于硬件知识与实践的学习产生冷漠。许多计算机专业的学生不愿作涉及硬件工作的研究题目,他们认为硬件实现太麻烦、给人一种陈旧落后的印象。而在非计算机类专业软件设计能力过弱。

显然,这样必然会影响学生的工程设计和创新能力,应予纠正。当前,“硬件”的概念已经发生了根本性的变化,不能误认为硬件就是利用R、L、C元件与电子器件组合起来作插件板。实际上,付诸应用的硬件体系都充分体现了软件与硬件的密切结合,FPGA、VHDL、Verilog语言、DSP技术的广泛应用构成了软硬结合的全新设计理念与结构体系。

有人认为在通信与电子系统设计过程中,软件的作用就是系统仿真(模拟)或CAD(计算机辅助设计)。实际上,这种理解相当狭隘,目前,最终成为应用产品的电子系统往往都是软、硬件结合的产物。软件与硬件之间的界限逐渐淡漠。特别是为了充分发挥可编程技术的优势,在许多设备中都可能同时包含硬件与软件。例如,软件无线电,这是一种最新的软、硬件密切结合的无线通信技术。

我们曾经追求尽可能低的制造成本和最充分的利用资源,而现今的理念是:低的设计成本和最短的上市时间。

五、经典与现代的关系

在通信、控制、信号处理、优化、人工智能、模式识别等众多研究领域中都存在传统理论与近代最新技术两种类型的基础知识和分析方法。不少课程的名称都冠以“现代”二字以示其先进性,而从学生认识与学习过程来看,没有必要把经典与现代划分严格之界限。有的为了赶时尚,乱改乱革,例如电路分析课程,像“互感电路”“双口网络”等经典内容都删去了,必将会引起后续课程知识点的断层[5]。

从调幅、调频、单边带通信到五光十色的数字通信;从传统的反馈系统稳定性理论到状态空间方法都应该循序渐进、认识历史、全面理解事物发展规律。在我们着重研究现代技术与方法的同时,必须注重以统一的观点、全新的视角把经典与现代密切融合起来。

六、结束语

由于电气工程与信息科学领域基础课程的各对矛盾交互依存、错综复杂,要处理好它们之间的相互关系,构建具有发展潜力、先进性、普适性、切实可行的教学体系决非轻而易举之事。很可能要历经长期的、多种途径的探索与尝试。

参考文献

[1]郑君里.试谈电工程与信息科学领域基础课程教学改革[J].高等学校理工科教学指导委员会通讯,2006,41(10):21～26

[2]俞大光.场与路还是合并为好[J].电气电子教学学报,2002.4,23(2):56～58

[3]童诗白.美国在电子技术课程设置、教学方法和教材建设的一些情况[J].电工教学,1991,26(4):41～44

[4]于歆杰,朱桂萍,刘秀成.麻省理工学院教育教学考察报告(三)—电路与电子学课程教学法篇[J].电气电子教学学报,2004,25(6):6～10

[5]曹才开.网络分析理论发展动态[J].电气电子教学学报,1999,20(1):58～61

[6]于歆杰. MIT EECS通信、控制与信号处理 6.011 课程简介[J].电气电子教学学报, 2004, 26(6): 21～23