德岛大学电气电子工学科本科生课程体系(下)

吴 静

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京 100191)

本文介绍德岛大学工学部电气电子工学科的专业基础科目、专业科目和实验科目等的设置情况[1],并与我国电气工程专业课程设置进行比较,从而为我国电气工程学科的课程设置及其内容改革提供有益的参考。

1 专业基础科目

德岛大学电气电子工学科本科生的专业基础科目的课程、开课时间、性质等如表1所示。学生至少选择3门必修课。

“电磁理论”和“电路理论”课程和我国课程的内容基本相同,但是“电磁理论”由浅入深被分成了三门课,而“电路理论”中关于RLC电路这部分内容专门放到了“过渡现象”课程中。

“能量工程基础”主要介绍其它能量(例如机械能、光能、核能)与电能的相互转换、电能的传输和储存等。我国高校在“电力系统分析”和“电气工程基础”等类似课程中介绍这些内容。

“半导体物理学”与我国高校课程相差较大。我国高校很少将该课程作为电气工程学科本科生的限选课。该课程的主要内容有:半导体和集成电路简介、晶体管、数字电路、化合物半导体、CPU中的内存、CMOS、CCD电子眼、大规模集成电路、IC的制造过程、半导体激光以及半导体前沿技术等。

“系统理论基础”和“电子电路”等课程的授课内容与我国相关课程基本相同。

表1 专业基础科目

2 专业科目

德岛大学电气电子工学科有4个专业方向:电气能源、电气电子系统、物性设备和智能电子回路。

2.1 电气能源专业课程

电气能源专业课程如表2所示。学生在选择必修课程中至少选择2门必修。

表2 电气能源专业课程

“电机1”与“电机2”同时开课,“电机1”主要介绍变压器和感应电机的原理、结构以及等值电路等,“电机2”主要介绍直流电机和同步电机的原理、结构以及特性等。在“电机”课程的基础上开设了“电机控制工学”和“电机应用工学”。前者主要介绍各种坐标变换原理、直流电机、感应电机以及同步电机的基本方程、感应电机和同步电机的矢量控制、步进电机、超导电机以及由电机控制的位置传感器和电流传感器的基本原理等。后者主要介绍直流伺服电机和交流伺服电机的运动特性、运动控制系统的抗干扰性、自由度、自适应性,以及机器人运动系统的构成等。

“电力系统工学”的内容与我国 “电力系统分析”和“电气工程基础”等课程相似。“发变电工学”主要介绍水力、火力、风力、原子能和太阳能等发电站的构成和发电原理。这两门课选用的是英文教材,采取英文授课方式。

“照明电热工学”主要授课内容有:光变换中的测光量和单位、照明量的定义、各种光源的特征和利用方法、照明计算基础(理论计算、实例计算)、电器加热的特征、各种电器加热方式、热传递的基础、热路理论、热路特征和电器加热时间等。

“高电压工学”主要介绍:高电压的安全知识、与高电压、大电流相关的计算和物理现象(静电场计算、带电粒子的行为、气体放电、气体击穿、绝缘材料的特性)、高电压的产生方法,大电流的产生方法和高电压的测量方法,大电流的测量方法和高电压应用(电力设备、脉冲功率的应用、电除尘器等)。

“电力电子”与我国同名课程内容基本相同。

2.2 电气电子系统专业课程

电气电子系统专业课程如表3所示。该类课程面向电子工程领域,涉及到电路与系统、通信和电磁场与微波技术以及数字信号处理等。学生在选择必修课程中至少选择2门必修。

表3 电气电子系统专业课程

“电气测量与仪器”、“控制理论”、“信号处理”、“电子通信基础”、“通信工程”、“微波工程”和“计算机网络”等的授课内容与我国相关课程相似。

“高频测量”主要介绍:传感器、传输线理论、S参数史密斯图、测量用信号源、高频电压和功率测量、电路常数、波形、频率和功率谱及噪声的测量等。

“系统分析”主要介绍利用Matlab软件如何对控制系统进行设计。

2.3 物性设备专业课程

物性设备专业课程如表4所示。该专业方向与美国的材料与装置专业方向类似。学生在选择必修课程中至少选择2门必修。

表4 物性设备专业课程

“半导体物理中的量子力学”在“量子力学”的基础上继续讲授薛定谔波动方程、半导体内电子能带结构、量子阱结构等相关知识,以帮助学生理解半导体材料的性质以及半导体器件的工作原理。“固态物理”主要讲授固体的微结构及其热性能、电性能、绝缘性能(誘電性)、光性能和磁性能等。

“半导体器件物理”在“半导体工学”的基础上进一步讲授双极晶体管和场效应晶体管的相关知识。

“集成电路1”主要讲授MOS集成电路制作工艺(氧化和扩散工艺)、MOS晶体管和二极管的特性、缓变沟道近似、按比例缩小规则和大规模集成电路的布线等。

“电子物理学”主要讲授:电场和磁场中电子的运动特性、电子光学与电子透镜、微波电子管的构造和原理和等离子体的基础知识等。

“光电子器件”主要讲授光半导体器件物理学的基础知识,以及发光LED、光放大器、半导体激光和CCD的工作原理等。

“电气电子材料科学”主要讲授导电材料、电阻材料、半导体材料、磁性材料、电介质材料和绝缘材料的特点。

“等离子体学”主要讲授等离子体的微观运动和宏观性质,以及等离子体和离子束的生成与应用等。

“半导体纳米技术基础”主要讲授半导体纳米材料的结构、特征和应用等。

2.4 智能电子回路专业课程

智能电子回路专业课程如表5所示。学生在选择必修课程中至少选择2门必修。

表5 智能电子电路相关课程

“模拟计算工学”和“数字电路”的授课内容与我国相关课程相似。

“电网络分析”主要讲授:二极管、双极晶体管、MOSFET的大信号模型和小信号模型、SPICE软件中各元件的仿真模型、电路分析中的向后差分法及SPICE软件对过渡现象的仿真、各种积分公式的截断误差及稳定性、直流电路方程组的牛顿-拉夫逊解法及SPICE软件对直流电路的仿真分析、电路方程组的求解方法(消去法、LU分解法)及SPICE对交流电路的仿真分析和求解电路的节点法和改进节点法等。

“集成电路2”主要讲授:CMOS的制作工艺及布局设计、布局与MOS晶体管特性之间的关系、基本CMOS逻辑电路的布局设计,电路仿真、算术逻辑单元(ALU)和可编程逻辑阵列(PLA)的构成及设计理论等。

“电子电路设计练习”主要讲授微机电路的工作原理、设计及编程。该课程要求学生自己设计一个微机控制电路。

“计算机电路”和“计算机算法与数据结构”两门课程主要讲授与计算机相关的知识。

2.5 讨论

与德岛大学电气电子工学科的专业方向相比,我国电气工程作为一级学科,一般包括电力系统及其自动化、电机与电器、高电压与绝缘技术和电工理论与新技术、电力电子与电力传动等5个二级学科方向。各高校根据自身的师资状况和科研水平开设具体的专业方向。专业课程大都与电力系统有关。德岛大学电气电子工学科在电气能源专业方向上的课程比我国高校要少。但是,在专业方向设置方面,德岛大学比我国高校要宽,与美国部分高校有相似之处,都覆盖到了通信与网络、计算机科学与工程、材料与装置及电子学与集成电路等[2]。

3 实验科目

注重实验课程是德岛大学电气电子工学科本科教学的一大特点。该校除了主干课自带的实验以外,其为本科生还设置了如表6所示的专业实验课程。

表6 实验课程

1)一年级的“电气电子工学入门实验”的主要内容有:了解发光二极管、光电探测器、太阳能电池的特性,组装电动机,观察电机的旋转,组装电脑,学习软件安装,制作简单的电子电路及利用Word撰写实验报告等。

2)二年级的“电气电子工学基础实验”的主要内容有:观察电流的磁效应,电路R、L、C参数测量,电路谐振特性测试,观察过渡现象波形和MOS数字电路参数测试等。

3)三年级上半学年的“电气电子工学设计实验”包括三个实验:半导体发光和受光器件的试制与特性评价;光通信模拟电子电路的设计、制造和测试;数字集成电路的静态特性和动态特性测量,以及FPGA电路设计与制作。

4)三年级下半学年的“电气电子工学实验1”主要包括:直流他励电动机的相关实验,例如空载饱和特性试验和满载特性试验等;变压器与感应电动机的相关实验,例如变压器的空载试验、短路试验、负载试验,感应电动机的空载试验、短路试验等;晶闸管整流电路的相关实验,例如晶闸管单相全波整流电路的相位控制特性测量等;传递函数测量的相关实验,例如RC电路的传递函数,直流他励电动机的传递函数,频域响应和瞬态响应的计算方法等;模拟输电线路的相关实验,例如短距离输电线的电压降落、功率圆图的测量实验等;模拟配电线路的相关实验,例如单相三线式配电设计等。

5)四年级上半学年“电气电子工学实验2”为选修课程,主要包括:直流电机驱动器的相关实验,例如基于IGBT的直流电机斩波调速系统性能的测试;交流电机相关实验,例如基于PAM的异步电动机变频调速系统性能的测试;白炽灯和荧光灯配光曲线的测量;各种气隙放电特性测试,例如使用球隙放电测量直流高电压,闪络性能和电介质强度测量等;液位的PID控制实验;电磁流量计使用等。

6)四年级上半学年“电气电子工学实验3”为选修课,主要包括:正弦波振荡电路的设计和制作;有源滤波器的设计与制作;调制解调电路的各种特性测量;A/D和D/A各种特性的测量;微波相关实验,例如速调管的使用方法及其震荡特性的测量,微波频率和功率的测量等;半导体微波器件的计算机设计方法;利用C-V法测量半导体杂质分布。

4 结语

我国一直强调构建宽口径电气工程专业教学体系,而且正在加快电气工程专业学位认证国际化的步伐,在此背景下我们更要多了解国外相关学科的课程体系及发展动向。

本文较全面介绍了德岛大学电气电子工学科的本科生课程体系,通过比较可知:①该学科的专业方向覆盖了我国电气工程、电子与信息工程两个专业,但每一专业的小方向划分没有我国高校细致;②该学科的必修课少,选修课多,而且选修课内容多样化,使学生可以根据个人兴趣灵活选择课程;③专业课程深度与广度相平衡,增强了学生的适应能力;④强化一、二年级的基础理论和工程教育。

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

[2] 董旭梅,陈怡.MIT电气工程和计算机科学系本科课程体系评价.[J]南京电气电子教学学报,2004(4):4-9