德島大學電氣電子工學科本科生課程體系(下)

吳 靜

(北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

本文介紹德島大學工學部電氣電子工學科的專業基礎科目、專業科目和實驗科目等的設置情況[1],并與我國電氣工程專業課程設置進行比較,從而為我國電氣工程學科的課程設置及其內容改革提供有益的參考。

1 專業基礎科目

德島大學電氣電子工學科本科生的專業基礎科目的課程、開課時間、性質等如表1所示。學生至少選擇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”中關于RLC電路這部分內容專門放到了“過渡現象”課程中。

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

“半導體物理學”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科本科生的限選課。該課程的主要內容有:半導體和集成電路簡介、晶體管、數字電路、化合物半導體、CPU中的內存、CMOS、CCD電子眼、大規模集成電路、IC的制造過程、半導體激光以及半導體前沿技術等。

“系統理論基礎”和“電子電路”等課程的授課內容與我國相關課程基本相同。

表1 專業基礎科目

2 專業科目

德島大學電氣電子工學科有4個專業方向:電氣能源、電氣電子系統、物性設備和智能電子回路。

2.1 電氣能源專業課程

電氣能源專業課程如表2所示。學生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表2 電氣能源專業課程

“電機1”與“電機2”同時開課,“電機1”主要介紹變壓器和感應電機的原理、結構以及等值電路等,“電機2”主要介紹直流電機和同步電機的原理、結構以及特性等。在“電機”課程的基礎上開設了“電機控制工學”和“電機應用工學”。前者主要介紹各種坐標變換原理、直流電機、感應電機以及同步電機的基本方程、感應電機和同步電機的矢量控制、步進電機、超導電機以及由電機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和交流伺服電機的運動特性、運動控制系統的抗干擾性、自由度、自適應性,以及機器人運動系統的構成等。

“電力系統工學”的內容與我國 “電力系統分析”和“電氣工程基礎”等課程相似。“發變電工學”主要介紹水力、火力、風力、原子能和太陽能等發電站的構成和發電原理。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”主要授課內容有: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、照明計算基礎(理論計算、實例計算)、電器加熱的特征、各種電器加熱方式、熱傳遞的基礎、熱路理論、熱路特征和電器加熱時間等。

“高電壓工學”主要介紹:高電壓的安全知識、與高電壓、大電流相關的計算和物理現象(靜電場計算、帶電粒子的行為、氣體放電、氣體擊穿、絕緣材料的特性)、高電壓的產生方法,大電流的產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用(電力設備、脈沖功率的應用、電除塵器等)。

“電力電子”與我國同名課程內容基本相同。

2.2 電氣電子系統專業課程

電氣電子系統專業課程如表3所示。該類課程面向電子工程領域,涉及到電路與系統、通信和電磁場與微波技術以及數字信號處理等。學生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表3 電氣電子系統專業課程

“電氣測量與儀器”、“控制理論”、“信號處理”、“電子通信基礎”、“通信工程”、“微波工程”和“計算機網絡”等的授課內容與我國相關課程相似。

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

“系統分析”主要介紹利用Matlab軟件如何對控制系統進行設計。

2.3 物性設備專業課程

物性設備專業課程如表4所示。該專業方向與美國的材料與裝置專業方向類似。學生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表4 物性設備專業課程

“半導體物理中的量子力學”在“量子力學”的基礎上繼續講授薛定諤波動方程、半導體內電子能帶結構、量子阱結構等相關知識,以幫助學生理解半導體材料的性質以及半導體器件的工作原理。“固態物理”主要講授固體的微結構及其熱性能、電性能、絕緣性能(誘電性)、光性能和磁性能等。

“半導體器件物理”在“半導體工學”的基礎上進一步講授雙極晶體管和場效應晶體管的相關知識。

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

“電子物理學”主要講授:電場和磁場中電子的運動特性、電子光學與電子透鏡、微波電子管的構造和原理和等離子體的基礎知識等。

“光電子器件”主要講授光半導體器件物理學的基礎知識,以及發光LED、光放大器、半導體激光和CCD的工作原理等。

“電氣電子材料科學”主要講授導電材料、電阻材料、半導體材料、磁性材料、電介質材料和絕緣材料的特點。

“等離子體學”主要講授等離子體的微觀運動和宏觀性質,以及等離子體和離子束的生成與應用等。

“半導體納米技術基礎”主要講授半導體納米材料的結構、特征和應用等。

2.4 智能電子回路專業課程

智能電子回路專業課程如表5所示。學生在選擇必修課程中至少選擇2門必修。

表5 智能電子電路相關課程

“模擬計算工學”和“數字電路”的授課內容與我國相關課程相似。

“電網絡分析”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軟件對過渡現象的仿真、各種積分公式的截斷誤差及穩定性、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點法和改進節點法等。

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

“電子電路設計練習”主要講授微機電路的工作原理、設計及編程。該課程要求學生自己設計一個微機控制電路。

“計算機電路”和“計算機算法與數據結構”兩門課程主要講授與計算機相關的知識。

2.5 討論

與德島大學電氣電子工學科的專業方向相比,我國電氣工程作為一級學科,一般包括電力系統及其自動化、電機與電器、高電壓與絕緣技術和電工理論與新技術、電力電子與電力傳動等5個二級學科方向。各高校根據自身的師資狀況和科研水平開設具體的專業方向。專業課程大都與電力系統有關。德島大學電氣電子工學科在電氣能源專業方向上的課程比我國高校要少。但是,在專業方向設置方面,德島大學比我國高校要寬,與美國部分高校有相似之處,都覆蓋到了通信與網絡、計算機科學與工程、材料與裝置及電子學與集成電路等[2]。

3 實驗科目

注重實驗課程是德島大學電氣電子工學科本科教學的一大特點。該校除了主干課自帶的實驗以外,其為本科生還設置了如表6所示的專業實驗課程。

表6 實驗課程

1)一年級的“電氣電子工學入門實驗”的主要內容有:了解發光二極管、光電探測器、太陽能電池的特性,組裝電動機,觀察電機的旋轉,組裝電腦,學習軟件安裝,制作簡單的電子電路及利用Word撰寫實驗報告等。

2)二年級的“電氣電子工學基礎實驗”的主要內容有:觀察電流的磁效應,電路R、L、C參數測量,電路諧振特性測試,觀察過渡現象波形和MOS數字電路參數測試等。

3)三年級上半學年的“電氣電子工學設計實驗”包括三個實驗:半導體發光和受光器件的試制與特性評價;光通信模擬電子電路的設計、制造和測試;數字集成電路的靜態特性和動態特性測量,以及FPGA電路設計與制作。

4)三年級下半學年的“電氣電子工學實驗1”主要包括:直流他勵電動機的相關實驗,例如空載飽和特性試驗和滿載特性試驗等;變壓器與感應電動機的相關實驗,例如變壓器的空載試驗、短路試驗、負載試驗,感應電動機的空載試驗、短路試驗等;晶閘管整流電路的相關實驗,例如晶閘管單相全波整流電路的相位控制特性測量等;傳遞函數測量的相關實驗,例如RC電路的傳遞函數,直流他勵電動機的傳遞函數,頻域響應和瞬態響應的計算方法等;模擬輸電線路的相關實驗,例如短距離輸電線的電壓降落、功率圓圖的測量實驗等;模擬配電線路的相關實驗,例如單相三線式配電設計等。

5)四年級上半學年“電氣電子工學實驗2”為選修課程,主要包括:直流電機驅動器的相關實驗,例如基于IGBT的直流電機斬波調速系統性能的測試;交流電機相關實驗,例如基于PAM的異步電動機變頻調速系統性能的測試;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,閃絡性能和電介質強度測量等;液位的PID控制實驗;電磁流量計使用等。

6)四年級上半學年“電氣電子工學實驗3”為選修課,主要包括:正弦波振蕩電路的設計和制作;有源濾波器的設計與制作;調制解調電路的各種特性測量;A/D和D/A各種特性的測量;微波相關實驗,例如速調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;半導體微波器件的計算機設計方法;利用C-V法測量半導體雜質分布。

4 結語

我國一直強調構建寬口徑電氣工程專業教學體系,而且正在加快電氣工程專業學位認證國際化的步伐,在此背景下我們更要多了解國外相關學科的課程體系及發展動向。

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

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

[2] 董旭梅,陳怡.MIT電氣工程和計算機科學系本科課程體系評價.[J]南京電氣電子教學學報,2004(4):4-9