電氣工程與信息科學(xué)類本科基礎(chǔ)課程教學(xué)五大關(guān)系的思考

摘 要:本文分析了電氣工程與信息科學(xué)領(lǐng)域本科基礎(chǔ)課程教學(xué)中場(chǎng)與路、模擬與數(shù)字、分立元件電路與集成電路、硬件與軟件、經(jīng)典與現(xiàn)代等五個(gè)關(guān)系存在的問題,研究了國內(nèi)外有關(guān)高校在該領(lǐng)域本科基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的發(fā)展動(dòng)態(tài)。根據(jù)這些研究成果,可以給該領(lǐng)域本科各專業(yè)最主要課程教學(xué)改革提供有益的幫助和信息。

關(guān)鍵詞:電氣工程 信息科學(xué) 基礎(chǔ)課程 五大關(guān)系 教學(xué)改革

電氣工程與信息科學(xué)類本科基礎(chǔ)課程涵蓋我國工科的電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)及儀器、電子信息工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以及理科的電子信息科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)、光信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)大學(xué)本科二、三年級(jí)最主要的課程,涉及電學(xué)、磁學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等范圍。

當(dāng)今,在電氣工程與信息科學(xué)領(lǐng)域,世界各國的大學(xué)都面臨教學(xué)改革的嚴(yán)峻形勢(shì)[1-3]。而在我國,要跟上時(shí)代步伐可能會(huì)遇到更多的困難。在該領(lǐng)域本科基礎(chǔ)課程教學(xué)中,場(chǎng)與路、模擬與數(shù)字、分立元件電路與集成電路、硬件與軟件、經(jīng)典與現(xiàn)代等五個(gè)關(guān)系一直沒有得到正確處理。而這些關(guān)系相互交織,給專業(yè)教學(xué)規(guī)范、建立科學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課程平臺(tái)、課程基本要求等方面都帶來許多問題,加重了學(xué)生負(fù)擔(dān),影響了教學(xué)質(zhì)量。本文在如何處理這五個(gè)關(guān)系方面談一些粗淺的看法。

一、場(chǎng)與路的關(guān)系

“文化大革命”結(jié)束后,場(chǎng)與路分家的出發(fā)點(diǎn)是為了減輕學(xué)生負(fù)擔(dān),于是,在某些電類專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中刪去了“電磁場(chǎng)”課程;在“電工基礎(chǔ)”課程中刪去了“電磁場(chǎng)”“磁路”“鐵芯線圈”等內(nèi)容,演變?yōu)榻袢盏摹半娐贩治觥薄＝陙?隨著新技術(shù)、新理論的不斷涌現(xiàn),課程學(xué)時(shí)逐漸膨脹。為緩解這一矛盾,有些人盲目追逐時(shí)尚,不惜削弱一些經(jīng)典理論。不重視電磁場(chǎng)理論的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。

其實(shí),“場(chǎng)”是“路”的基礎(chǔ)“路”是電磁現(xiàn)象和過程在特定條件下的分析方法。我們知道,集中參數(shù)電路和分布參數(shù)電路的劃分必須涉及電磁場(chǎng)和電磁波的理論,但是,在許多電類專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中沒有這些內(nèi)容,在教學(xué)中,涉及電磁場(chǎng)和電磁波的理論,只能是不了了之。

電磁場(chǎng)與波是從事電氣工程與信息科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),不僅在微波、天線、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域需要這些基礎(chǔ)理論的支撐,對(duì)于高速計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)同樣不能脫離這一領(lǐng)域而深入研究。

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

多年前,美國MIT(麻省理工學(xué)院)始終把這類課程列為EECS(電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué))系的必修課(核心課)。從全面培養(yǎng)高素質(zhì)人才考慮,必須保證電磁場(chǎng)與波類型的課程學(xué)時(shí)及其質(zhì)量,倡導(dǎo)場(chǎng)與路兩方面知識(shí)的密切結(jié)合與全面理解。

早在1983年在福州召開的電磁教材編審組擴(kuò)大會(huì)上,關(guān)于場(chǎng)與路分家的做法就提出了反對(duì)意見;俞大光教授在2002年發(fā)出了“場(chǎng)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(shí)施的電氣信息類專業(yè)只有7個(gè),其中電子信息類專業(yè)只有3個(gè),強(qiáng)電只有1個(gè),即電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè),在這種情況下,似乎場(chǎng)與路分家的做法可以休矣。

二、模擬與數(shù)字(連續(xù)與離散)的關(guān)系

目前,人們喜歡引用的時(shí)尚名詞,所謂“數(shù)字化世界”或“數(shù)字化地球”以及“數(shù)字化時(shí)代”等等,實(shí)際上都是指信息與電子科學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。從本質(zhì)上講,當(dāng)人們談?wù)摗皵?shù)字化世界”時(shí)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(dāng)信息電子科學(xué)技術(shù)深入到人們生活、工作的每個(gè)角落時(shí),并沒有人認(rèn)真追究這里包含多少數(shù)字系統(tǒng)?多少模擬系統(tǒng)?他們常常誤認(rèn)為先進(jìn)的電子技術(shù)都是數(shù)字化的,因此,“數(shù)字化世界”就與“信息電子化世界”成為同義語。作為業(yè)內(nèi)人士,我們應(yīng)當(dāng)看清楚這些名詞背后的實(shí)質(zhì)。

隨著教學(xué)改革的深入,傳統(tǒng)的面向連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)研究之課程已經(jīng)逐步減少,講授模擬技術(shù)的授課學(xué)時(shí)已經(jīng)減少到較低的比例,然而,對(duì)模擬與數(shù)字的相互依存關(guān)系應(yīng)該有全面、統(tǒng)一、合理的認(rèn)識(shí)與理解。過多弱化模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容,沒有兼顧模擬與數(shù)字兩類系統(tǒng)的發(fā)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(hào)相當(dāng)多的情況是模擬信號(hào),借助數(shù)字系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理或傳輸時(shí),需經(jīng)過A/D、D/A轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換部分及其前、后接口以及預(yù)處理和后處理都不可避免要用到模擬系統(tǒng)。

當(dāng)工作頻率很高時(shí),直接采用數(shù)字集成器件尚有一些難度,通常,用模擬系統(tǒng)進(jìn)行處理或傳輸可能比較簡便。

由于上述原因,我們?cè)诖罅繂⒂脭?shù)字系統(tǒng)的同時(shí),也會(huì)遇到相當(dāng)多的數(shù)字與模擬混合系統(tǒng)或模擬系統(tǒng)。

在信息科學(xué)領(lǐng)域中,許多新理論、新方法不斷涌現(xiàn),它們的構(gòu)成原理往往要從連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行研究。

在研究與開發(fā)新產(chǎn)品的過程中,作為總工程師的首要職責(zé)是最佳地協(xié)調(diào)模擬與數(shù)字部件的分配與組合。在基礎(chǔ)理論性科學(xué)研究工作中,研究人員必須兼顧模擬與數(shù)字兩類系統(tǒng)的發(fā)展前景。

如此看來,正確處理模擬與數(shù)字(連續(xù)與離散)的關(guān)系,在電氣工程與信息科學(xué)領(lǐng)域本科基礎(chǔ)課程教學(xué)中是多么重要。

三、分立元件電路與集成電路的關(guān)系

我們必須注意到,當(dāng)逐步引入集成電路設(shè)計(jì)新技術(shù)的同時(shí),可能關(guān)于分立元件電路原理的講授依然保留較多,于是構(gòu)成龐雜繁復(fù)的電路與電子線路方面的課程體系,使學(xué)生負(fù)擔(dān)很重卻不得要領(lǐng)。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(jìn)入集成電路的教學(xué),讓學(xué)生不知其所以然。

為解決這一矛盾,對(duì)于基礎(chǔ)課程之選材,一方面要精簡傳統(tǒng)的分立電路內(nèi)容,同時(shí)也不宜過于關(guān)注集成芯片內(nèi)部的細(xì)節(jié)。必須兼顧分立電路基本原理、大規(guī)模集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)原則以及在較高頻段和較大功率條件下電路實(shí)現(xiàn)之特色等諸方面的需求,以統(tǒng)一的觀點(diǎn)、盡可能少的學(xué)時(shí)教給學(xué)生最基本、最具應(yīng)用潛力的原理和概念。

由于集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展,在我們的課程中當(dāng)然要引入這方面的最新理念。許多院校增設(shè)了“微電子電路與系統(tǒng)(引論)”類型的課程。學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到,集成電路之構(gòu)成與傳統(tǒng)的分立元件電路雖然有著類似的工作原理,但其實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)思想已經(jīng)產(chǎn)生了深刻變化。

四、硬件與軟件的關(guān)系

由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用之普及,特別是軟件可編程技術(shù)顯示之優(yōu)勢(shì),人們對(duì)于硬件知識(shí)與實(shí)踐的學(xué)習(xí)產(chǎn)生冷漠。許多計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生不愿作涉及硬件工作的研究題目,他們認(rèn)為硬件實(shí)現(xiàn)太麻煩、給人一種陳舊落后的印象。而在非計(jì)算機(jī)類專業(yè)軟件設(shè)計(jì)能力過弱。

顯然,這樣必然會(huì)影響學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力,應(yīng)予糾正。當(dāng)前,“硬件”的概念已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化,不能誤認(rèn)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(shí)際上,付諸應(yīng)用的硬件體系都充分體現(xiàn)了軟件與硬件的密切結(jié)合,FPGA、VHDL、Verilog語言、DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用構(gòu)成了軟硬結(jié)合的全新設(shè)計(jì)理念與結(jié)構(gòu)體系。

有人認(rèn)為在通信與電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,軟件的作用就是系統(tǒng)仿真(模擬)或CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))。實(shí)際上,這種理解相當(dāng)狹隘,目前,最終成為應(yīng)用產(chǎn)品的電子系統(tǒng)往往都是軟、硬件結(jié)合的產(chǎn)物。軟件與硬件之間的界限逐漸淡漠。特別是為了充分發(fā)揮可編程技術(shù)的優(yōu)勢(shì),在許多設(shè)備中都可能同時(shí)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(jié)合的無線通信技術(shù)。

我們?cè)?jīng)追求盡可能低的制造成本和最充分的利用資源,而現(xiàn)今的理念是:低的設(shè)計(jì)成本和最短的上市時(shí)間。

五、經(jīng)典與現(xiàn)代的關(guān)系

在通信、控制、信號(hào)處理、優(yōu)化、人工智能、模式識(shí)別等眾多研究領(lǐng)域中都存在傳統(tǒng)理論與近代最新技術(shù)兩種類型的基礎(chǔ)知識(shí)和分析方法。不少課程的名稱都冠以“現(xiàn)代”二字以示其先進(jìn)性,而從學(xué)生認(rèn)識(shí)與學(xué)習(xí)過程來看,沒有必要把經(jīng)典與現(xiàn)代劃分嚴(yán)格之界限。有的為了趕時(shí)尚,亂改亂革,例如電路分析課程,像“互感電路”“雙口網(wǎng)絡(luò)”等經(jīng)典內(nèi)容都刪去了,必將會(huì)引起后續(xù)課程知識(shí)點(diǎn)的斷層[5]。

從調(diào)幅、調(diào)頻、單邊帶通信到五光十色的數(shù)字通信;從傳統(tǒng)的反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性理論到狀態(tài)空間方法都應(yīng)該循序漸進(jìn)、認(rèn)識(shí)歷史、全面理解事物發(fā)展規(guī)律。在我們著重研究現(xiàn)代技術(shù)與方法的同時(shí),必須注重以統(tǒng)一的觀點(diǎn)、全新的視角把經(jīng)典與現(xiàn)代密切融合起來。

六、結(jié)束語

由于電氣工程與信息科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)課程的各對(duì)矛盾交互依存、錯(cuò)綜復(fù)雜,要處理好它們之間的相互關(guān)系,構(gòu)建具有發(fā)展?jié)摿?、先進(jìn)性、普適性、切實(shí)可行的教學(xué)體系決非輕而易舉之事。很可能要?dú)v經(jīng)長期的、多種途徑的探索與嘗試。

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