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关键词 电力电子技术;工程应用;教学改革
中图分类号:G642.3 文献标识码:B
文章编号:1671-489X(2016)22-0098-02
Teaching Research of Course of Power Electronics Technology for Engineering Application//ZHAO Tao, SHEN Yaibin, XU You, XU Kaiyun
Abstract In this paper, according to the requirement of the society for the power electronic technology professionals, the teaching re-
form of the course of the power electronic technology have been im-
plemented from several aspects such as course contents, teaching methods, project design, practical innovation training, and gradua-tion project. The engineering application ability and consciousness of innovation of students is improved. Better results in teaching have
been achieved.
Key words power electronics technique; engineering application; teaching reform
1 引言
电力电子技术是对电能进行变换和控制的一门技术,是自动化及相关专业的一门重要的专业基础课[1-2]。随着科学技术的发展,电力电子技术应用已渗透到国民经济各部门。对电力电子技术的人才的需求越来越迫切,除了对相关理论知识的要求外,更强调对工程实践能力、工程设计、工程应用能力的要求。这些要求具有普遍意义,反映了对这类人才的通用标准。本文根据电力电子技术专业人才需要掌握的能力的要求,就如何提高学生工程应用能力、创新能力,从教学方法、教学手段、课程设计及大学科技活动和毕业设计等方面进行教学改革与实践。
2 面向工程应用的问题导向法
电力电子技术课程内容涉及知识面广、概念多。要在有限的教学学时内把电路、波形讲透,让学生都能理解,是件不容易的事情。此外随着信息技术的不断发展,知识也呈现碎片化的特点,其获取也越来越容易。在这一背景下,教师的角色需要由过去的知识传播者转变为引导者和激励者;过去是告诉学生所不知道的知识,现在应该引导学生运用正确的思维方法,自主获取知识,并使之系统化。为此,教学内容、教学方法和教学手段都应有所改变。
首先要激发学生的求知欲,将过去冰冷、枯燥和抽象的知识点融入工程应用中;发现问题、提出问题及解决问题,学生寻求解决问题的过程,也是获得知识的过程。在这一过程中,计算机仿真是不可或缺的学习手段。基于PSPICE、MATLAB、PSIM和MathCAD等软件,采用虚实结合教学方式,充分利用软件资源,提高学生求知欲及解决问题的能力[4-5]。利用仿真软件搭建仿真电路进行仿真实验,仿真实验不受时间、场地的限制,学生可以观测任意一点的电压和电流波形。为了取得良好的仿真实验效果,必须较好地掌握仿真原理、仿真操作和调试方法等。正确的仿真波形也是对学习的一种鼓励和奖赏。
3 基于工程项目的课程设计
课程设计是完成电力电子技术课程教学的重要环节。其目的是使学生掌握基本电力电子器件的性能和应用方法,以及基本电力电子电路的设计思路,培养学生在电力电子技术领域中独立分析和解决问题的能力。
目前,有不少院校开设了电力电子技术课程设计,但课题多是进行理论计算和设计,主要完成参数计算、电路设计和仿真等。严格地说,该类课程设计对学生实践能力、工程应用能力的培养效果有限。电力电子技术课程设计实际课题开设较少的一个主要原因是实验安全性和设备耐用性差。而课程设计一般为开放性的,其主要任务之一是让学生完成焊接、调试电路,不宜采用课内实验用的集成的实验装置。因此,如何在课程设计过程中保障学生的人身安全和设备安全,是实施课程设计的一个难}。
南京工程学院自动化学院于2013年重新开设电力电子技术的课程设计。为了解决上述难题,针对电力电子技术应用最为广泛的DC-DC变换和DC-AC变换的两种变流电路[6],
结合数字化控制的发展趋势,开发了开放式的DC-AC变换和DC-DC电能变换通用实验平台。图1给出AC-DC电能通用实验平台结构图,学生通过该平台,可以进行SPWM逆变器设计,也可以实现直流电动机的四象限的控制,掌握交―真―交变流电路的结构,单、双极控制,SPWM调制等控制技术。
拟定课程设计课题,主要考虑5个原则:1)注意内容的先进性、综合性和实践性,反映电力电子技术发展的新水平;2)应适合实践教学和启发创新;3)内容不应太简单,难度要适中;4)能够结合工程实际应用,并且具有一定的实用价值;5)成果最好具有相对的完整性和可考核性。表1为电力电子技术课程设计的部分课题。
由于课题贴近工程应用,学生兴趣比较大,能够独立完成电路设计,主电路和驱动电路的制作、焊接和调试,及磁性元件的计算与选择。经过三届学生的实践情况,取得良好效果,为后续的课程和毕业设计打下坚实的基础。
4 三位一体实践能力培养
电力电子技术工程应用人才培养的定位最终要落实到培养过程之中。具体来说,就是以现代电力电子技术为工程应用背景,结合计算机技术、控制理论及其他相关理论和技术,开设不同层次不同类型的选题。通过课程设计、课外科技活动和毕业设计,三位一体培养学生工程应用能力,做到点、面结合。图2给出教学、科技创新和毕业设计三位一体的能力培养框图。
以电力电子装置典型的工程项目为对象,分解为核心模块、提高及创新模块、系统模块、辅助模块。课程实践环节可以完成核心模块的设计和调试,科技创新和毕业设计可以完成提高及创新模块、系统模块。辅助模块通过相关课程完成。对学有余力的学生通过科技创新和毕业设计环节,进行系统设计及算法研究,保证项目的连续性。三位一体的设计大大激发了学生的创新精神,拓展了学生的视野,提高了学生的综合设计能力,在各种竞赛上取得优异成绩。实验内容与课程设计、毕业设计相互关联。学生工程实验能力得到提高。
5 结束语
经过几年的实践表明,以工程应用为导向的电力电子技术教学重构,打破了以理论知识传授为主要特征的课程模式,以电力电子技术工程应用为核心,建立分类分层的课程实践、科技创新和毕业设计三位一体的实践能力培养模式,既突出优秀学生能力培养的点,又兼顾多数学生基本工程实践能力的面,以点带面。改变学生的被动学习与被动实践,为学生主动学习能力和主动实践能力的培养提供机会,提高学生的综合素质,对学生实践动手能力的培养及就业和深造等都有较大帮助。参考文献
[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009.
[2]Rashid M H. Power Electronics: Circuits, Devices, and Application[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[3]陈建业.电力电子电路的计算机仿真[M].北京:清华大学出版社,2007.
[4]w涛,张永号,刘启新,等.MathCAD在“电力电子技术”教学中的应用[J].电气电子教学学报,2013,35(3):55-58.
【关键词】EDA技术;电子类课程;改革
一、EDA技术概述
EDA是英文“Electronic Design Automation(电子设计自动化)”的缩写,EDA技术是90年代迅速发展起来的,是综合现代电子技术和计算机技术的最新研究成果,是从事电子线路设计与分析的一门技术,包括电子线路的设计、计算机模拟仿真和电路分析、印刷线路板的自动化设计三个方面的内容。
EDA技术基本功能介绍:
EDA(Electronic Design Automation)是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包。主要能辅助进行三方面的设计工作,既IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术经过了三个阶段的发展。从70年代的(CAD)阶段和80年代的(CAE)阶段,到90年代的电子系统设计自动化(EDA)阶段。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向。它不仅为电子技术设计人员提供了“自顶向下”的设计理念,同时也为教学提供了一个极为便捷的、科学的实验教学平台。电工电子类专业课程中的电工基础、模拟电子技术、数字电子技术都可以通过EDA仿真软件,进行电路图的绘制、设计、仿真试验和分析。应该说将EDA仿真软件应用到电工、电子类专业的教学中是一种教学手段的创新,也是提高教学质量的优选方法。
1.电子类课程引入EDA技术的必要性
电子线路课程是电子类专业的支柱性课程,它要求学生熟悉各种电子器件,掌握电路图的识读、绘制以及电路工作原理,还要学会掌握和合理运用分析方法。EDA软件正是提供了各种支持,恰到好处地符合这样的教学要求。同样,电子线路课程又是一个紧密联系实践的课程,EDA软件的强大的仿真功能更是能把实践带入课堂,带入课程学习的每一个环节中去。
2.EDA人才的需要使EDA的应用逐步走向实用化
EDA技术已成为现代电子系统设计和电子产品研制开发的最有效的工具,是电子工程师们使用的一种基本工具。市场对EDA人才有着迫切的需求,熟悉EDA技术的学生将受到用人单位的欢迎。因此,将EDA技术引入高校电子类专业的课程中,是培养创新和实用人才的需要。
3.课程设置改革的需要
在电子类课程的教学中,将一些内容较难、图形较多、用语言和文字难以表达或不易理解的抽象、复杂的变化过程,通过EDA的仿真,以波形或曲线的形式生动直观地演示出来,不仅可以提高学生的学习兴趣,有利于学生对所授内容的理解,提高教学质量,还可以节省课堂板书时间,扩展讲授内容,获得事半功倍的效果。此外由于EDA软件向用户提供了各种电子测试仪器和分析工具,应用EDA进行实验教学可以节省实验经费,缩短实验时间,提高实验的效率和效果。因此,在课改中引入EDA也是课程改革改革的必然趋势。
二、EDA技术的作用
1.EDA技术在电子技术课程实验实践中的作用
实验教学是电子线路学习的重要环节,通过实验能够巩固电子线路基础知识,培养学生的实践技能、动手能力和分析问题及解决问题的能力,启发学生的创新意识和创新思维潜力。Tina Pro这款优秀的EDA软件提供了上千种电子元器件和十数种仪器仪表,完全能够虚拟各种电子实验,区别于应用实体的实际硬件实验,它叫虚拟实验。
虚拟实验在实验教学中的应用主要表现在以下三个方面:
(1)学校缺少某项实验的实验设备时,虚拟实验可以代替硬件实验
有些学校由于缺少实验设备,部分硬件实验无法展开,就完全可以用虚拟实验代替。虚拟实验的一大特点就是不受实验设备、场地的条件限制,只要有计算机,有EDA软件(如Tina Pro),几乎所有的实验都难不住它。(它的元器件库无所不包,而且具有网上更新的功能,它的虚拟仪器也是应有尽有,而且直观性强)
(2)同一实验课题,在开展硬件实验的同时,可以辅以虚拟实验
硬件实验和虚拟实验在教学效果上各有所长,硬件实验的主导地位是勿庸置疑的,它使学生直接面对真实对象,进行真实操作,获得直接经验,这是虚拟实验所无法作到的。而虚拟实验有更为优秀的分析技术,例如在很多仪器仪表中引入指针,使实验数据更易获得,实验现象更为明显,EDA软件中又具有经典的仿真分析方法,能轻而易举地实现瞬时现象的捕捉,也能把很长时间的现象展现于一秒,这也是实际仪器不能敌的。所以,同一个课题,开展实际硬件实验可使学生锻炼动手能力,获得直接经验。开展虚拟实验,有助于对实验现象的观察和实验数据的获得,最终有利于分析和实验结论的获得。
(3)开展具有创造性的开放式实验
以前在作实验前,处于对实验器材和学生安全的保护,学生不准动这,不准动那,做起实验来束手束脚,想象力和创造力得不到发挥。其实很多时候,学生对实验内容是有自己的独到的想法的。如果能够利用虚拟实验技术,拿出有意义的课题,进行开放式的实验,学生在实验中,可以发挥自己的创造力,对电路进行别出心裁的修改,对电路的分析和测试做不同的尝试,使学生完全成为实验电路的剖析者和探索者,又不必担心会损坏任何器件或仪器。这样既拓展了实验范围,又培养了学生的创新意识。
2.EDA在课程设计和毕业设计中的应用
课程设计和毕业设计是高等职业教学的一个非常重要的环节。目前课程设计和毕业设计工程应用类题目不少,但是由于毕业设计经费较少、器件、仪器设备不足及其它原因,毕业设计结果往往是原理性讨论和分析。不能进行实际的调试和验证,学生仍停留在原理分析上,而不能经历实际研究设计的实践过程。毕业设计的效果大打折扣。我院电子系在毕业设计过程中引入EDA技术,对所设计的电路进行模拟仿真,在答辩时进行演示,并要求学生制作样机,样机的印刷电路板必须用Protel软件进行绘制,这样既保证毕业设计质量,又能提高学生的实践动手能力和开发能力,不失是克服现在毕业设计存在的问题的一种途径。另外从几届毕业生就业的情况分析,掌握了CAD技术和EDA技术,在就业时就表现出较强的竞争力。
在EDA课程实践中取得了一些效果和体会,通过一段时间EDA课程改革实践,学生了解和初步掌握了最先进的电子系统设计技术,学习了电子设计自动化方法和设计思想,并培养了他们的抽象思维能力,提高了学生学习应用电子技术课程知识解决实际问题的能力,锻炼了学生应用EDA技术解决小型电子电路系统设计的能力,对毕业设计及将来在工作中应用EDA技术打下初步的基础。学生通过学习,普遍认识到EDA技术在当今社会的重要性,认为EDA技术是一门十分有用的学科,它必将取代传统设计方法而成为主要的设计手段。
EDA技术是一门实践性很强的课程,EDA课改的重点放在学生掌握印刷线路板设计与制作能力,掌握利用EDA技术进行电路分析与仿真的基本技能,同时学生把理论课上学习的知识应用到自己的实践环节中去。通过加强学生上机操作训练和实际动手操作环节,学生在掌握理论课所学内容的同时获得了实际的操作训练,提高了本课程的教学质量。
EDA课程改革重点是使学生掌握Protel和Tina Pro软件的使用,能够独立进行计算机电子电路辅助设计与电路分析、仿真,加强学生实际动手能力,在此基础上我们还向学生介绍了其它EDA技术,如Tina Pro软件的仿真应用和Protel最新版本软件等,从而扩大了学生的知识面,为将来学生从事电子产品开发奠定了基础。
EDA技术发展非常快,实践过程不可能与学生毕业所面临的工作一模一样。EDA课程改革应立足于培养学生对EDA技术基本方法的掌握和应用,学生需要在今后的工作中不断学习,对他们进行学习先进技术能力的培养更为重要。参与EDA课改,参与者应不断通过自身的学习提高,把世界上最先进的技术和最新的知识带学生,起到抛砖引玉的作用。
三、结束语
综上所述,在当前高校电子技术课程的教学当中,为适应电子技术的发展和社会发展对人才的需求,引入EDA技术是十分必要的,它能加快教学手段现代化的进程,加强理论联系实际,巩固学生的专业知识,培养学生的实践动手能力,加强对所学课程的更深层次理解,极大地促进电子技术和科研水平的进一步提高。
参考文献
[1]丁文霞,易凡.浅谈高等院校电类专业引入EDA技术[J].高等教育研究学报,2009.
[2]崔建明.电工电子EDA仿真技术.高等教育出版社,2008.
关键词:电子技术基础;课程内容;教学模式;课程建设创新
高职教育的目的是培养具有全面素质和综合职业能力的、面向生产、建设、管理、服务第一线的高级应用型人才,核心问题是以职业岗位需求为依据,培养学生的综合能力。传统的《电子技术基础》课程教学模式在此背景下显示出其局限性。因此,新的教学模式要打破以学科为中心的课程模式,建立以全面素质为基础,以综合职业能力为本位,以职业实践为主线,以项目课程为主体的模块化专业课程体系和教学模式,切实有效提高高职人才培养的针对性和实效性。为培养更多更好的高职人才,需要从《电子技术基础》的课程内容、教学模式和课程建设等方面进行创新和探索。
高职院校《电子技术基础》的课程内容及改革
(一)教学目的
《电子技术基础》是研究各种半导体的性能、电子电路的组成、功能及应用的学科,其任务是使学生获得电子方面的基础理论、基本知识和基本技能,培养学生分析问题和解决问题的能力。该课程的理论性和实践性都很强,在整个专业教学中起着承上启下的作用。
高职院校《电子专业技术》课程在新形势下的教学目的是,培养学生掌握必要的、能适应岗位需要的l~2项具有明显特色的专业技能,注重提高学生的自学能力、独立分析和解决问题的能力以及培养学生作为现代电子技术应用人员所必备的基本技能,为后续课程的学习、各类创新竞赛、毕业设计乃至就业打下良好基础。
(二)教学内容及其改革
目前高职教育中的《电子技术基础》课程设置基本上是以学科为中心,这需要既要考虑较完整的学科体系,又要加强实践技能的训练,结果教学往往达不到预期的教学目标。因此,课程教学模式的改革必须首先转变传统的教育观念,充分分析与研究高职教育的任务、特点和规律,认清教育必须面向电子行业发展的趋势和生产岗位的需要,对职业能力的形成规律及高职毕业生的岗位(群)进行深入分析和研究,广泛吸取生产、管理第一线的技术管理人员的意见,制定如下所示的职业能力分析(DACUM)表,并以此为依据进一步制定教学计划和教学大纲。
该表系统、全面地体现了高职《电子技术基础》课程的教学内容和要求,清晰地反映了各单项能力之间的内在规律与联系,确定了以下关键能力:电子仪器的使用能力,电子产品的分析和制作能力,电子线路的设计能力和EDA技术的应用能力。职业能力分析(DACUM)表还给学生提出了职业能力和考核测试的要求,体现了培养目标的导向性,这样,学生对自己所学的知识和应具备的能力做到了心中有数,有助于充分发挥学生学习的主动性。
改革后的高职《电子技术基础》课程教学内容应包括模拟电子技术、数字电子技术、电子工艺基础、实验实训、课程设计、EDA仿真技术、技能培训等。这些课程往往在内容上有重复,在能力培养上有断层,例如模拟电子技术、数字电子技术课程教学中进行的综合实验及综合实训与电子工艺课程中的教学内容有重复。又如基本实验后随即进行对实用电路的分析制作,中间能力的培养存在断层等。因此,节省教学课时,提高课堂教学质量,弥补能力培养的不足就成为重要的问题。
从“理论+实践”到“知识+技能”的教学模式创新
(一)教学手段和培养方式的创新
针对当前各学科之间相互渗透、界线逐渐模糊的特点,应当把《电子技术基础》的课程内容当作整体来考虑。根据高职的培养目标,对现有各门课程的知识点、需要培养的能力等教学要求进行综合分析,对现有课程进行大胆整合,把传统的以“理论+实践”为指导的教学模式转变成以“知识+技能”为指导的教学模式,模糊学科体系及学科之间的界线,强调教学以学生的能力培养为主线。具体的做法是:
(1)理论教学以够用为原则。对课程之间的重复内容、理论偏深的内容和陈旧的知识要大胆进行删减,而对所需的新技术、新知识、新工艺及新器件则应进行补充,例如让学生了解特种放大器、可编程逻辑器件及EDA技术等。
(2)提高实践课程的比例,增设综合性的实训课程。增加综合的集中实践课程,要求学生在教师的指导下,通过查阅资料,确定原理图,装接好电路并进行各种参数的测定与分析,写出相应报告。
(3)依托实训基地培养学生的技能,努力实现车间、教室合一。课堂即实验实训室,车间就是学场;学生、学徒合一,学生既是专业技能的学习者,又是合格产品的生产者。加强学校与企业之间的人才交流、技术交流和信息交流,推进教育与生产劳动相结合,坚持校企合作。实训基地建设要服务企业发展,吸引企业参与,跟踪企业技术进步,不断探索和建立优势互补、互利双赢的合作机制,真正实现“订单式”教育,推进高职院校招生与企业招工的一体化,培养出适应现代企业需要的技能型人才和操作型人才。
(二)软硬件相结合的教学模式创新
随着教育现代化进程的不断推进和素质教育的深入开展,传统的“粉笔+书本”教学模式必须进行改革,教师要综合运用多种教学手段,充分利用现有的EDA、EWB等软件、课程设计、制作和实验实训等硬件教学资源和工具,进一步优化教学效果。
传统的《电子技术基础》课程实验教学一般是让学生先自行设计电路,再在实验室搭线,进行电路调试。由于受到经费和数量品种的限制,在调试过程中,不仅不能及时提供全部所需器件来调整电器元件参数,而且存在仪器和元件的损坏问题。随着电子信息和通信领域新技术的飞速发展,当前EDA已经成为现代电子设计技术的核心,电子系统的设计已越来越依赖于EDA软件工具的支持。因此,改革传统课程设计教学结构和模式,把EDA教学与《电子技术基础》课程设计结合起来既是适应了信息技术发展的需要,也是高职教育实践环节教学改革的必然趋势。
为进一步激发高职学生对专业课程的学习兴趣和爱好,在《电子技术基础》课程中还应采用EWB软件进行辅助教学。EWB被誉为“计算机里的电子实验室”,它采用仿真方法在计算机上虚拟出测试仪器。学生通过学习EWB软件,可以在计算机上进行自学或对相关课程的内容进行预习和练习。比如可以对放大器进行静态和动态技术指标的检测,可以观察电路中某些参数变化的情况等,可以利用它来进行各类验证型、综合型和创新型的实验,帮助学生更快、更好地掌握课堂讲授的内容。
与传统的实验方法相比,采用计算机仿真技术进行电路的分析和设计,真正体现了以学生为中心的开放式教学模式,这种“以虚代实”、“以软代硬”的教学方法是当今教学模式改革的一种趋势,它在大幅提高教学效率的同时,进一步培养了学生的综合分析能力。
(三)考核方式的改革
把以理论为主的考试改革为以考核学生对单元电路的分析测试等综合技能为主,考核方式也从笔试为主改革为平时实际动手操作与笔试相结合(如期末笔试占40%,实践操作占40%,平时占20%),强化平时实践环节的考核力度,重视学生基本专业素质的培养,全面提高学生的竞争意识和就业适应能力。同时,为培养和考核学生的技能水平,还应在教学计划中专门设置技能训练环节,通过实际训练使学生拿到相应的等级工证书。
高职《电子技术基础》的课程建设
(一)师资建设
高职教育的职业性、实用性和技术性特征决定了从业教师应该是既能传授专业理论知识,又能指导专业实践的“双师型”教师。因此,具备较强的专业技术应用能力、职业技能和实践经验是高职院校教师应当具备的最基本的教学能力。
应当鼓励和支持专业教师参加职业资格和职业技能的考核认证,鼓励和支持专业教师结合教学和生产实际进行技术改造和技术创新,大力提高专业教师和实习指导教师的技能水平。鼓励理论教师深入基层进行调查研究,采用下企业锻炼、挂职顶岗、跟班研讨、师傅带徒弟等方式,定期派理论教师到生产第一线了解生产设备、工艺技术的科技信息。通过与企业合作的方式,积极进行技术方面的开发与服务,积累教学所需的职业技能、专业技术和实践经验。通过项目开发等活动,促使教师得到实践锻炼,实现由单一教学型向教学、科研、生产实践一体化的“一专多能”型人才的转变。
(二)教材建设
目前高职《电子技术基础》课程基本上按照普通高校的学科体系编写教材,区别仅在于降低了理论要求,增加了一些实践内容,而高职教学需要的却是以能力培养为主线编写的教材。因此,高职《电子技术基础》课程教材要以应用性为依托,把握好“专业基础性与专业性并举”的原则。
教材内容的选择要紧密联系实际,体现实用,注重实践,讲究实效,摒弃实用价值不高及偏难、偏深的内容,增加各部分知识点相应的应用知识。要配以实践、实训环节,并使之与实际紧密结合,还要在编排上反映出最新的科技成果。
教材结构体系的设计和运作方式要尽量淡化纯理论性知识,恰到好处地应用这些知识;力求做到图文并茂,深入浅出;力求做到符合学生的特点,符合学生的认知规律。
(三)组织学生参加各类竞赛
通过组织学生参加各类竞赛,把理论、实验、设计、技能有机地结合起来,是一种行之有效的教学模式。比如在实验中减少验证型实验内容,增加以学生为主体的设计型实验;增加课程设计的内容,由学生自己进行选题、设计、购件和制作,从各方面提高学生的能力。通过课程设计提高学生在电子技术方面的硬件应用能力,增强团结协作精神等。在平时的授课中,对一些与竞赛相关的设计题目进行讲解,使学生在开始学习课程时就对竞赛有所了解;在实验实训和课程设计等过程中引入竞赛模式,要求学生自己设计、选件和制作,最终做出实物,写出论文,完成答辩。
高职教育最关注的是学生的就业能力和发展能力。学校必须通过教学模式的改革和创新统一和协调就业、教育、生源三方面的现状,促使《电子技术基础》课程的设置更加符合时代和企业的需求,使教学模式和教学方法更加符合学生的学习心理,努力使大多数学生具有初步的设计、制作、调试、分析及综合总结的能力。学校必须根据社会对工程技术人才的需求,全面考虑各个教学环节的作用,逐步建立综合性、多样性、多层次性的新型教学模式和教学体系,为社会培养出更多更好的新型高技能人才。
参考文献
[1]叶春生.高等职业教育的探索与理论[M].苏州:苏州大学出版社,1998.
[2]侯长城.中国高等教育理论研究[M].北京:中国大地出版社,2002.
[3]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社,1997.
关键词:研究性教学;电子技术;创新能力
中图分类号:G647 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)33-0073-02
“电子技术”是一门理论性和实践性较强的非电类专业学科基础课程,包含模拟电子和数字电子两部分,既强调知识的综合性、实用性,又强调创新能力、综合分析和解决生产实践问题的能力,但是在教授“电子技术”课程的过程中,存在以下几个问题:
对于非电专业学生,模拟电子部分的非线性思维的建立需要一定时间,求解问题在工程上不需要像数学计算那样严密的精确。
对于数字电子,学生缺少对实用电路的综合认识,缺乏对能完成实际功能的数字电路的设计调试的能力。
为此结合模拟电子和数字电子两部的不同特点,分别开展了模拟电子和数字电子部分研究型教学的实践与探索工作。
一、研究型教学的总体思路
研究性教学的理念是在教学过程中不断引导学生进行研究性学习,让学生在掌握知识的同时培养学生的研究能力和创新能力。研究性教学的目的不仅是使学生掌握系统的科学知识,更重要的是使学生综合运用知识去发现、分析和解决问题,得到思维训练,学会知识的应用,学会研究与探索。
对于电子技术,开展研究型教学的总体思路是将科学研究的基本要素(提出问题、查阅文献、猜想与假设、方案设计、分析论证、科学思想和交流与合作等)结合课程核心的教学内容,包括基本概念、重要的分析方法和实际电路的仿真实现以及拓展环节以研究型独有的教学模式(论文研究、基于问题的学习、案例分析研究和实际电路仿真训练等)进行教学。通过研究性的探讨形式将课程内容内化构建到自身的认知结构中;使得学生除了掌握课程的核心框架和知识体系之外,还可以获得学习过程本身的价值,经历并体验开展科学研究的规律,同时达到提升各方面能力目标。[1,2]
研究型教学体系应十分强调学生的主体性地位。学生不仅是文化知识的被动接受者,而且是知识的积极探索者,师生共同参与知识的研究与传播,科学的发现与发展,共享探索的成果与经验。因此,设计的研究型教学体系应该寓学于研,在课堂教学中为学生创造探究式学习的机会,提供参与科研的条件,使学生在自主学习、研究活动中逐步建立基于教师指导下的探索研究的学习模式,训练基本研究能力,学会提出问题特别是有创见的问题。
在电子技术课程中进行了研究性教学的探索和实践中把分成三个阶段:准备阶段是教师提炼合适的研究型专题;学习阶段是使学生获取知识,训练思维和培养能力;第三阶段是实施阶段。
二、研究型教学的模式的准备
根据电子技术大规模集成技术发展现状,“电子技术”课程教学中理论性逐渐弱化,实践性不断增强,由此对现代电子技术课程教学模式提出了新要求[3]。
准备阶段是研究型教学模式的关键环节,要提出合适的研究探讨专题,并选择合适的教学模式,既能把要研究的课题突出,又能把培养学生的特定能力融入其中。
针对模拟电子部分,根据各章节掌握的内容重点可以提出以下专题:
(1)半导体器件:针对基于三极管输入、输出特性曲线,介绍线性元件与非线性元件、线性电路与非线性电路理论。
培养目标:通过查阅文献、分析讨论的形式使学生顺利地从线性思维过渡到非线性思维。并在研究性的学习中力图培养学生:发掘、梳理和分析有关信息资料的能力;提炼或提出有价值问题的能力。
(2)基本放大电路:以分压偏置式静态工作点稳定电路的数学解析与工程近似解为例进行计算复杂度对比。
培养目标:帮助学生建立工程思维,实际应用中,如果使用工程近似的方法,将快速获得近似解,扭转他们从精确、严谨到粗略、估算的思维习惯。
(3)集成运算放大器:通过实际运放到理想运放的对比,介绍从实际器件到理想器件简化问题的方法。
培养目标:通过查阅文献、分析讨论的形式使学生通过运放各个实际参数理想化的过程,培养学生从实际到理想的思维,简化问题的能力。
(4)放大电路中的反馈:通过Multisim仿真各种正反馈和负反馈放大电路的对比。
培养目标:不同仿真电路的对比分析,使学生探究放大电路中的反馈的实质,自己总结分析负反馈和正反馈具有的不同能力,对放大电路的不同的影响。
(5)直流稳压电源:直流稳压电源的历史发展与现状,可以结合日常实用的电器,例如目前手机电池的历史发展与现状的调查报告。
培养目标:通过查阅文献、分析讨论的形式使学生探究科技发展中发现问题解决问题再发现问题再解决问题的发展历程,培养发现问题解决问题的思维方式。
针对数字电子部分,融合组合逻辑电路和时序逻辑电路可以提出以下专题:
(1)元器件的市场调研,列如74LS00两输入与非门芯片的市场调研。
培养目标:可以让学生通过网络和市场上亲自购买芯片,培养学生在实践中探究器件的分类和挑选,内部结构和参数性能探究和好奇,提高学生极大的兴趣和自主动手能力。
(2)多个实用性数字电路设计,例如数字电子钟的设计,通过分析问题,发现问题,解决问题最终实现设计电路的完成。
培养目标:培养了学生的调查研究、查阅文献、分析论证、制定方案、设计或实验、分析总结等方面的综合能力;
以上各种专题的设置引导学生在掌握电子技术课程的知识体系的基础上融入自己独有特点,把学习过程中的变被动接受转变为主动探究性学习。
三、研究型教学的模式的学习
要想把以上的专题进行顺利,达到学生的培养目标,可以采用多种教学模式。
1.采用任务驱动模式教学过程
教学是知识获取建立在真实事件或者真实问题之上。具体的教学过程是由教师提出预先设计好的、发生在身边的真实问题,用一根主线将问题的解决过程以及课程的知识点融入其中,学生在教师的引导下、自主地探索中循序渐进地引出相关的知识,使学生置身在提出问题、思考问题和解决问题的动态过程中进行研究和学习[4]。
2.采用启发模式教学过程
在教学中注意充分发挥教师的引导作用和学生的主体作用,不采用传统的“灌输”式教学方法,而是采用教师启发、引导的方式,循序渐进地诱导、启发、鼓励学生对问题和现象进行思考、讨论,再由教师总结、答疑。对于一些容易混淆的概念,一些知识点在个案中的运用分析,都可以采用启发式的教学方法。既有利于提高学生学习的积极、主动性,又有利于培养学生分析、解决问题的能力。
3.采用讨论模式教学过程
在教学中,对于一些有争议的疑难问题、一些可能有所创新或具有独特见解的新课题等,都可以采取讨论式教学方法。讨论式教学形式,既可以是小组讨论、专题汇报、小组辩论、也可以通过小组讨论后派代表在全班演讲,并且作为平时成绩的一部分,以激发学生的积极性。讨论式教学法使学生变被动听课为主动学习,既有利于提高学生学习的积极性、主动性,又有利于学生分析问题、解决问题能力的提高和表达能力、团队合作能力的培养。
4.采用互动式教学法
教学中强调采用互动式教学,克服学生被动学习的局面。课堂上不仅仅是教师提问学生,同时鼓励学生向教师提问。一改往日教师满堂灌的传统授课方式,在讲课中通过提问问题,激发学生参与讨论和积极思考的主观能动性,形成教学互动,同时实现寓教于乐。
授课教师还要注意将最新的学术研究成果转化到教学中,培养学生的创新能力,这里的学术研究成果有两种:一是学术界的最新研究成果,二是课程教师的学术研究成果。讲授前者,能够使学生了解电子技术及相关领域的研究现状与前沿;后者则授以学生分析方法,把教学内容提升到研究性的程度。
四、研究型教学的模式的实施
实施方法。首先,教师更新教学内容,实施大课堂精讲,使学生获得本学科基本的理论知识。其次,按照自由结合或特长优势等原则,将人数众多的班级学生分为不同的小组,并从每个小组中抽取一位学生组成一个团队,以这些小组和团队为单位开展接下来既需要合作又相对独立的学习活动。接着,精心提供覆盖面广、难度适宜的科研项目,供各小组选择进行课程设计。然后,各小组成员进行文献搜集、方案制定、软件实现、模拟仿真、设计优化、研究总结、成果展示等工作,在充分发挥自己主观能动性、教师必要指导以及研究生团队的帮助下,自主完成项目设计。最后,从研究报告、多媒体演示、源程序及效果四个方面对各小组的项目设计进行综合评价。
通过实际的电路设计与仿真,也加强了学生的工程意识,培养了创新思维和设计能力,还让学生体会到理论与实际应用的联系与区别。有的学生做完一个题目还不过瘾,自己又加大难度要求多做题目;还有不少同学由课程设计题目中找到了科技创新点和完成科技创新的信心。近三年的本科生科技创新项目申请中我们课堂的学生申请非常踊跃;由课程设计延伸出的1组校级项目,5组院级项目均已顺利结题,现还有一组正在申请国家级项目支持。
五、总结
研究性教学模式本质上是以科学研究主导教学过程的教学方法,该方法能够通过科学研究的知识应用过程,让学生在科学探索中获得知识、提高专业技能,实现理论教学与实践检验并重的教学理念,达到高校高素质应用型人才培养的目的。“电子技术”课程中研究性教学模式的应用,能够有效提高该课程的教学效果,为电学类应用型人才培养奠定良好的专业基础。
参考文献:
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第一届全国大学生电子设计竞赛于1994年在北京、四川和陕西3个省市开展试点;1995年在9个省市开展了第二届竞赛活动,全国有60多个代表队参赛;到1997年,第三届竞赛活动已扩大到18个省市,有200多所高校1000多个代表队参赛。原国家教委高教司决定,以后每两年竞赛一次。这说明电子设计竞赛越来越被全国高等院校和有关部门重视。电子设计竞赛是全国范围的一种内容全面、要求较高的综合能力考试,既考理论知识,又考设计、安装、调试、相互协作、论文撰写等多方面的能力。现将前三届竞赛试题作一分析。第一届竞赛有2个题目,第二、三届竞赛各有4个题目,大致可归纳为6类:(1)电源类。如简易数控直流电源,直流稳定电源。除此之外,其他题目所需电源也要自己设计;(2)信号源类。如实用信号源的制作;(3)测控类。如多路数据采集系统,水温控制系统;(4)仪器仪表类。如简易电阻、电容和电感测试仪,简易数字频率计;(5)放大器类。如实用低频功率放大器;(6)无线电类。如简易无线电遥控系统,调幅广播收音机。分析以上试题有下列特点:(1)试题涉及的课程多。包括模拟电子电路、数字电子电路、高频电子电路、功率电子技术、微机原理、单片机接口技术、PLD在系统编程技术、电工电子测量、自控原理;(2)综合性强。每个题目必须依靠多学科知识才能解决问题,仅有理论水平是不够的,还应具有较强的设计能力、实验技能、计算机应用能力以及队员之间的协作能力等;(3)实用性强。上述题目都是工业、科研、实验室等方面经常用到的电路或仪器。
二、电子类课程存在的问题
通过分析以上试题,发现电子类课程目前存在着如下问题:(1)教学内容与科技发展不相适应。电子技术是发展最快、应用最广的一门技术,而我们目前的教学内容与当今迅速发展的电子技术有较大差距,正像有些毕业生所说:“学的用不上,有用的没有学”;(2)教学方法与能力培养要求不相适应。主要体现在我们的教学方式仍然是以知识传播为主,以教师讲为中心,学生的内在动力没有充分发挥出来,不利于学生能力的培养;(3)理论与实际不相适应。所讲内容与现场应用中的实际问题有一定距离,不利于调动学生学习的积极性;(4)考核方法与素质提高不相适应。目前我们实行的考试方法仍然是以书本知识为主,以闭卷笔试为主,注重死记硬背,不利于提高学生素质。
三、培养大学生电子设计能力的几点措施
1.更新教学内容,重构课程体系
尽管电子技术的发展日新月异,新的器件层出不穷,但电子技术课的基础地位不能动摇。因此,模拟和数字电路中的放大、振荡、反馈、频率特性、逻辑函数、组合逻辑电路的设计、时序逻辑电路的设计等基础内容不能削弱。在此基础上要更新教学内容,着重分析由功能单元构成的通用集成电路(如集成运放、集成功放、集成A/D、D/A变换器等)和计算机应用集成电路(RAM、EPROM等),同时还要加强ASIC教学内容(如PLD、FPGA等)。电子技术基础是工程设计性很强的课程,在教学改革中必须用系统的观念重构课程体系,建议将模拟和数字电路学完后,再开一门“现代电子系统设计”。
2.加强EDA教学,提高大学生电子设计自动化水平
国际电子技术的发展动态显示出,ASIC与EDA是电子器件与电子设计发展的技术潮流。ASIC的开发必须借助于EDA工具,因此掌握EDA技术是对当今电子工程师的最基本要求。目前,美国等西方发达国家,全部都开展了EDA教学,其大学生在校期间就能用EDA技术开发出先进的电子产品。而我国在EDA教学方面还比较落后,只有一些重点院校才刚刚起步,多数院校还没有将EDA纳入教学中。从参加全国大学生电子设计竞赛的获奖作品看,凡利用了EDA技术用ASIC芯片实现的题目,均做得比较完善,关键是它大大节省了设计时间。因此,必须尽快建立EDA实验室,积极开展EDA教学,提高大学生电子设计自动化水平。
3.改变教学方法,激发学生学习的动力
我们在培训参加电子设计竞赛队员的过程中受到很大的启发,尽管培训时间短,但收效很大,关键是有一种非常强的学习动力在支持着他们,他们是在兴趣中学习,主动性和积极性得到了很好的发挥。同时,这一经验也给我们提出了一个新的问题,在我们平时的教学过程中,学生有没有动力?他们学习的主动性、积极性是否完全发挥出来了呢?这是值得深思的问题。在当今教学改革的大潮中,应大胆改革教学方法和教学手段,给学生确立一个明确目标,通过该课程的学习,让学生达到什么标准、完成什么任务,然后,围绕该目标,采取多方位的教学模式,启发学生动脑设计、动手制作,最终达到该目标。目前应特别注意学生对计算机、因特网感兴趣这一特点,充分利用现代化的教学资源(校园网络、计算机、多媒体教室),开发一些学生感兴趣的课件,最大限度地激发他们学习的动力。
4.加强实践环节,使理论能够联系实际
电子技术课程的特点是实践性强,因此,必须加强这一环节,使他们学以致用,理论联系实际。加强实践环节可以采取多种方式,应根据本校特点确定自己的最佳模式。我们目前采取了如下几种形式:①课内实验。一般占课程总学时的1/4~1/3;②课外实验。我们研制了180套微型数字电路实验箱,给每个学生发一台,让他们带回宿舍,自己随时都可以做;③虚拟实验。由于经费紧张,器件品种和数量少等现实问题,有些不能实现的复杂实验,可以利用EWB、Pspice等软件进行仿真实验;④课程设计;⑤实习基地;⑥开设以实验为主的“电子系统工程设计”选修课;⑦优异生参加老师的科研活动。
关键词:数字电子技术 EDA技术 课程整合
一、引言
高职教育的培养目标是适应社会发展需要的一线技术型、应用型人才,这种技术型、应用型人才应具有基础理论知识、技术应用能力等。高职电子、电气、计算机及相关专业开设的数字电子技术是重要基础课程。传统的数字电子技术教学只懂得电子技术的基本理论和方法而不懂现代电子技术的设计方法,无疑对就业和未来潜力的发展都是一种阻力。为了改变传统理论课程与实践教学相分离的状况,获得更好的教学效果,将EDA (Electronic Design Automation)技术引人教学环节,显得十分必要。将EDA仿真软件运用到高职的电子技术类课程教学中去,不仅可以丰富教学内容,提高教学水平和教学效率。
二、传统教学中不足点
(一)传统的教学目标不符合高职教育对人才培养的要求,教学内容的重点仍放在逻辑门,触发器的解释,中小规模集成电路的使用方法,数字电路系统的设计还是以真值表和逻辑方程的表达,手工打造的电路模块的电路板设计,调试的方法,使得复杂的电路设计是非常困难的。电子技术发展的今天,分立元件和中小电路已由大规模集成电路取代,这种教学内容和电路实验已经不能满足电子技术的飞速发展的需要,其重要性将继续减少。
(二)教学手段单一,教学方法和实验资源不足。“黑板十粉笔+实验”的教学方法不利于调动学生的积极性。在理论教学中,“数字电子技术”课程逻辑性强,内容大多是抽象和难以理解,教师使用传统的“黑板+粉笔”的教学模式,不仅学生觉得无聊,而且教学效果不理想;并在实验教学中,由于资金短缺的压力,往往不能完全满足学生实验需求。
(三)教师素质没有及时改善。传统教学模式下的数字电子技术课程教学,教师没有学习新的知识和技能,因此,不能在在电子技术教学中增加相应的设计方法和EDA技术的知识,同样的课程是由两位老师分别担任,这可能不能对基本知识和和先进设计方法进行有机结合,更不会有好的教学效果。
三、EDA技术
(一) EDA技术概述
EDA(Eleetronie Design Automation)即电子设计自动化,它以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制的电子CAD通用软件包。它可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合与优化以及逻辑布局布线、逻辑仿真,完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射,编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯。它不仅为电子技术设计人员提供了新的设计理念,同时也为教学提供了科学而便捷的平台。
(二)EDA技术的功能
(1)EDA软件平台中具有各类元件设计数据库模块。丰富的元器件库不仅为学生掌握各类电子元器件提供了坚实的基础,也可以通过元器件库了解各种元器件的性能参数,并为创新设计提供了取之不尽且零消费的试验元件。
(2)EDA软件平台中可以完成电路原理图的设计。通过这一功能可以完成各类元器件构成的电路原理图。通过原理图的设计可以帮助学生理解原理图的结构及各级电路之间的关系,对学生读图和识图起到事半功倍的作用。
(3)EDA 软件平台中具有综合仿真模块, 可以进行多种类型的仿真分析。分析结果波形图显示出来,直观、清晰。
(4)EDA软件平台可以进行多种类型的仿真分析。分析结果以数值或波形图显示出来,丰富直观的逼真数据不但为学生进行电路分析提供方便,而且其得出的结论更满足理论论证和接近实践性。
四、EDA技术与数字电子整合的优点
(一)课程整合的必要性
大多数的高职院校将“数字电子技术”课程放在第二、三学期学习,“EDA应用技术”课程放在第五、六学期学习,这种先学习理论后进行实践的传统教学模式主要以熟悉工具软件的使用和一些数字电路验证实验为主。从理论到实践教学使学生学习数字电路的理论知识和实践教学脱节,无法解决实际问题,所以传统的教学模式已经不适应EDA技术发展的需要,需要将“数字电子技术”和“EDA应用技术”课程合并成为新课程:“数字电子EDA技术”。
(二)EDA在数字电子技术中应用
(1)在课程内容体系中,基于EDA技术与数字电子技术的数字系统的设计,体现了“数字系统EDA设计”和“数字电子技术应用”的核心技能。在数字电子EDA技术课程中,从培养学生工程应用能力和创新意识的角度基于教学的组织和实施,内容分为多个基本知识模块和创新实验模块,构成一个能力培养层次化、教学内容模块化、理论和实践紧密结合的课程体系。
(2)EDA技术与数字电路教学的整合。教学中,介绍了EDA技术在数字电路课程设计的教学和实验中的应用,学生只要学习EDA软件和VHDL语言就可以自行进行数字电路实验。在学生课前对实验项目设计时,对使用MAX + PLUS原理图设计或描述VHDL电路,进行综合适配。综合适配成功后,然后进行仿真分析,模拟结果与设计的特点是否一致。若不一致则对原理图或文本进行修订,综合,自适应,仿真,直至一致。最后,下载自己完成的逻辑设计,在实验系统上对硬件进行测试,最后根据数据写出实验报告。
(3)引导学生进行独立研究的实验室实验中,鼓励学生创建课外兴趣小组,共同研究学习中遇到的问题,一起合作开发大家感兴趣的电子设计。在设计与综合实践中,给学生实际的项目和目标,引导学生讨论计划,方法。学生完成任务的所有方面,根据任务目标,进行信息检索,实验设计,设备调试,实践结果的测量和处理,学生在明确任务目标的基础上,充分发挥主观能动性,培养学生的独立工作能力。
(4)采用国际标准和提高学生的英语水平。由于EDA编程语言的应用技术和相关软件都是英文版本,相关网站和一些新知识也是英文的,因此,要鼓励学生提高他们的英语水平,参阅相关的外文资料,加深对电子设计的理解,通过浏览相关的国外大型网站,激发学生的学习兴趣。
五、总结
EDA技术引入数字电子技术的理论教学与实践教学中,采用先进的教学方法,学生不仅可以直观地了解电路的相关原理和工作过程,而且还可以修改电路形式或参数,还可以培养学生的实验能力和创新能力,激发学生的学习电子电路设计先进技术的兴趣,培养学生主动探索,努力进取,团结协作精神。
参考文献:
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【2】顾斌,赵明忠.数字电路EDA设计[M].西安电子科技大学出版社,2004.
【3】王艳芬.数字电子电路及其EDA技术[M].化学工业出版社,2007.
论文关键词:通信工程;本科专业;新疆;塔里木
目前新疆维吾尔自治区普通本科院校共计11所,其中综合类院校3所,即新疆大学、石河子大学和塔里木大学。新疆大学、石河子大学是新疆维吾尔自治区的“211工程”本科院校,位于新疆维吾尔自治区的北疆。塔里木大学是排位仅次于这两所大学的在新疆维吾尔自治区综合实力排名第三的本科院校,也是新疆维吾尔自治区南疆地区唯一的一所综合性大学。
塔里木大学原名塔里木农垦大学,位于塔里木河畔的阿拉尔市,创建于1958年,2004年5月经教育部批准更名为塔里木大学。塔里木大学原为农业部直属院校,现为中央和新疆生产建设兵团共建。塔里木大学信息工程学院成立于2003年9月,现有教职工76人,专任教师65人,副高以上职称占17%,硕士学位的教师占64%。学院包括5个教研室:计算机应用基础教研室、计算机软件教研室、计算机硬件教研室、通信工程教研室、数学教研室以及1个计算机实验室。目前该学院有计算机科学与技术及通信工程2个本科专业。其中通信工程本科专业于2009年开始招生,每届两个班,每班30余人,该专业现有专业任课教师7人。
一、专业课程设置
1.专业必修课
塔里木大学信息工程学院通信工程专业人才培养方案中所设置的专业必修课有:高等数学、大学物理、线性代数、概率论与数理统计、大学计算机基础、c语言程序设计、电路分析、现代电子技术、信号与系统、通信原理、通信电子线路、微波技术与天线、信息论与编码技术、单片机与外围电路、计算机网络、数字信号处理、光纤通信、移动通信、现代交换原理与技术、嵌入式系统原理及应用等。
与中央民族大学通信工程本科专业培养方案(2010年版)相比,其多开设的专业必修课有大学计算机基础(由于中央民族大学生源较好,因此没必要开设该门课程)。中央民族大学按照专业选修课开设、塔里木大学按照专业必修课开设的课程有:计算机网络、光纤通信、移动通信、现代交换原理与技术、嵌入式系统原理及应用等(由于中央民族大学通信工程本科专业是按照两个主要专业方向培养学生,即无线通信和通信网络,因此这种设置是合理的)。塔里木大学通信工程本科专业未开设的专业必修课有:机械制图、数学物理方法、电磁场与电磁波、通信网理论基础等。
2.专业选修课
塔里木大学通信工程本科专业大一上学期开设的专业选修课:通信工程专业导论。大二?上学期开设的专业选修课:数据库原理。大二下学期开设的专业选修课:通信仿真技术eda。大三上学期开设的专业选修课:matlab及仿真应用、综合布线技术。大三下学期开设的专业选修课:web系统与开发技术、现代传输技术、dsp原理与应用。大四上学期开设的专业选修课:通信工程专业英语、多媒体通信技术、前沿技术专题讲座、宽带无线通信、图像处理与通信。四学年开设的专业选修课共计13门。
中央民族大学通信工程本科专业所开设的专业选修课分布如下:大二下学期开设专业选修课3门,大三上学期开设专业选修课5门,大三下学期开设的专业选修课8门,大四上学期开设的专业选修课16门(由于大部分学生专业选修课的学分在前三学年已选够,且到了大四很多学生要考研究生、找工作、忙着联系出国等,故大四上学期能够真正开设的专业选修课寥寥无几)。四学年开设专业选修课共计32门。
通过以上数据可看出,中央民族大学通信工程本科专业所开设的专业选修课数量远远多于塔里木大学通信工程本科专业所开设的专业选修课数量。但在塔里木大学通信工程本科专业所开设的专业选修课中也不乏颇具特色的课程,如综合布线技术就是一门实用性很强的课程。
二、其他专业教学环节
1.实验与实践教学
塔里木大学信息工程学院的实验教学楼建筑面积8800平方米,拥有10个多媒体教室、10个公共机房和8个专业实验室(计算机组成原理、计算机硬件、计算机软件、计算机网络、自动控制、通信工程、数学建模、计算机创新)。通信工程专业所开设的实验课有:电路分析实验、现代电子技术实验、信号与系统实验、单片机与外围电路实验、c语言程序设计实验、通信电子线路实验、通信原理实验、matlab及应用实验、数据库原理实验、通信仿真技术实验、现代交换原理与技术实验、计算机网络实验、光纤通信实验、移动通信系统实验、嵌入式系统原理及应用实验等。专业实践性教学环节包括信号与系统课程设计、现代电子技术课程设计、通信原理课程设计、通信电子线路课程设计、嵌入式系统课程设计、专业认知实习、计算机网络实习等。
2.专业实习
塔里木大学信息工程学院通信工程专业的专业实习安排在第六学期暑假进行,时间为8周(4学分)。塔里木大学信息工程学院十分重视学生的专业实习,为学生联系了多个新疆维吾尔自治区与通信工程专业有关的实习单位,如新疆阿克苏移动通信公司在通信工程专业建设、实习基地建设、教师实践锻炼、实验通信机房建设等方面都给予了塔里木大学信息工程学院大力支持。为了保证专业实习的效果及真实性,每个实习点都有学院专业教师带队,发现问题随时解决,并保持和学院的经常联系。这种保质保量的专业实习为学生们毕业后走向社会并尽快融入企业打下了良好的基础。
3.毕业设计
塔里木大学的毕业设计安排在第8学期进行,时间为12周(6学分)。为了保证毕业设计质量,塔里木大学信息工程学院严把开题关,提倡毕业设计内容与实际工程相联系,避免学生在毕业设计中弄虚作假。为了鼓励教师搞好毕业设计工作,带一个本科生毕业设计给10个课时的工作量;若所带的学生毕业设计成绩优秀,则工作量加倍。为了使学生的毕业设计成绩公平、公正,塔里木大学信息工程学院制定了一系列严格的毕业设计成绩评定程序与标准。
4.学科竞赛
塔里木大学信息工程学院非常鼓励与支持学生参加新疆维吾尔自治区及全国举办的各项学科竞赛,并取得了不错的成绩。如在2011年的全国大学生数学建模竞赛中,通信工程专业有两名同学分别获得了国家的二等奖,一名同学获得了新疆维吾尔自治区的一等奖,三名同学分别获得了自治区的二等奖,还有两名同学获得了自治区的三等奖。全国大学生数学建模竞赛由教育部高等教育司和中国工业与应用数学学会共同主办,是教育部重点支持的全国大学生四大竞赛之一,目前已成为全国高校规模最大的基础性学科竞赛,也是世界上规模最大的数学建模竞赛。作为创办时间很短的塔里木大学信息工程学院通信工程本科专业,能在这样的大赛上取得如此成绩实为不易。
此外,为了使学生能够较早地对所从事职业有所认知并做好就业准备,塔里木大学信息工程学院为学生还安排有职业规划与就业指导课程。
【关键词】数字电路课程;实践平台;工程设计;实验
1概述
在教学过程中,具备数字系统设计实践工程能力,涉及相关数字系统课程体系教学与实践,在各高校的电气、电子信息类专业中,数字电路是一门专业基础课程,随着数字技术应用领域的不断扩大,在后续专业课程中,显而易见,随着电子产品数字化部分比重增大,它在数字系统设计中基础性地位越来越突出。
因此,培养适合现代电气、电子、信息技术发展的卓越人才,创新数字电路的课程几次理论与工程实践教学迫在眉睫。
根据我校近几年电气、电子课堂教学的实践情况,数字电路课程应该以面向应用的数字电路设计为核心,在熟练掌握基本电路教学内容的基础上引入先进的数字系统设计方法的课程教学和实践内容。
工程实践过程中,逐步从自底向上的设计方法逐步转变到自顶向下的设计方法中来,以教师科研应用来拓展,以全面培养优秀数字设计卓越技术人才[1]。
2探索构建数字电路教学中的多层次的创新实践平台
2.1多层次的数字电路创新实验平台构思。
面向卓越人才培养的数字电路课程创新实践教学,可以分层次进行在各个教学阶段逐步推进,包括:面向基础的数字设计的基本原理与工程创新实验教学模块、面向应用的数字电路课程设计教学和结合科研项目的创新实践平台[2][6]。
多层次的数字电路创新实验平台架构如图1所示。
2.2数字设计的基础原理与实验教学。
数字电路基础原理和实验教学是数字系统设计的课程体系的基础入门阶段,是培养数字逻辑代数与逻辑电路的重要过程,大类可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路,其中时序逻辑电路主要包括:锁存器、触发器和计数器,组合逻辑电路包括,编译码器、多路复用器、比较器、加(减)法器、数值比较器和算术逻辑单元等。教学的目的是训练学生掌握组合和时序逻辑电路坚实理论基础,使学生掌握数字电路的基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能,不但要注重基本数字电路与系统设计理论的理解,同时让学生在学习中逐步了解面向应用和现代科技进步数字电路新的设计理念[2][3]。
2.3面向应用的数字电路课程设计实践教学。
随着电子设计自动化技术(EDA)和可编程器件(CPLD)的不断发展和应用,以EDA技术为主导的数字系统理念已经成为企业工程技术的核心。数字电路课程设计主要培养学生利用中小规模数字集成电路器件和大规模可编程器件进行数字电路设计和开发能力。在卓越工程师培养背景下,结合前阶段数字电路课程理论教学和实验教学的实际情况及EDA技术的发展状况,适时进行数字电路课程设计和EDA技术课程的综合衔接,以及课程深度融合[4]。主要内容包括:
2.3.1基于Multisim等相关软件的数字系统仿真实验。可以构建虚拟数字实验系统,不但较好地模拟实物外观外,还可以利用系统提供的实验平台开展实验的设计、仿真,进行实验内容的逻辑验证。
2.3.2基于通用和专用数字芯片的数字系统设计。其主要特点是有很好的直观性和具体性。
2.3.3基于硬件描述语言(HDL)的数学系统硬件描述。采用硬件描述语言实现数字逻辑设计,基于EDA环境仿真和验证。可以结合上述(1)和(2)的优点,采用硬件设计软件化技术应用于数字电路课程设计的实验教学中,通过综合性实验的自行设计和实验,对实验内容、实验规模、实验方法进行了综合创新设计[5]。
2.4结合科研项目的数字设计实验创新平台。
在高等院校,教师即承担教学任务,同时有各自的科学研究方向,同学们可以根据自己的研究兴趣,加入教师的科研团队,形成教学与科研互利的良性循环。面向卓越工程师培养的数字系统设计,可以借助横向或纵向科研项目形成综合教学体系。比如:搭建在线可编程门阵列(FPGA)创新实验平台,形成数字电路、电路线路课程设计、可编程逻辑器件以及集成芯片系统设计,形成面向数字系统设计的课程体系[3]。同时,应用高校与知名企业建立的校企合作平台,把企业界的研究信息和研发需求引入到教学平台,开拓了学生的研究思路和视野,提升了学生设计复杂数字系统的能力;目前,我校正在与国际知名的半导体公司Xilinx、Altera和Cypress陆续建立卓越人才大学培养计划,利用大学设置小学期,在FPGA和PSoC开发平台上进行了面向实际应用的数字系统设计,在实践平台上不仅有学校的任课教师,还有知名企业派来的一线工程师指导同学们的实践,相比改革前,取得很好的实践效果,同学们的数字系统设计水平得到了提高,同时在编程、接口、通信协议等方面也有了深刻的认识。
对于优秀的学生,借助全国各种形式的大学生电子(信息)设计竞赛这个创新平台,组织他们积极参与,激发他们的学习研究兴趣和创新意识,综合所应用的数字系统设计知识,发挥竞赛团队的协作精神。每年,我们都有部分优秀学生通过努力,创新设计的作品获得专业认可,并取得了良好的参赛成绩,也使得数字设计课程体系的建设上了一个新的台阶。
3基于创新平台的课程体系优化与实践
卓越工程师培养要求的数字电路系统设计课程体系协调好相关电气、电子类专业上下游相关理论课程、实验综合性设计同时得到协调发展。如何实践论文所提到的创新实验平台,应该引进现代数字设计理念,重点把EDA软件、设计工具、开发平台与传统的数字电路基础理论教学相衔接。我们在这几年对数字系统设计课程体系、创新实践教学内容等方面的进行了改革与探索,取得了一定的成效。经过这几年的实践,我们逐步构建了面向应用的数字系统设计课程优化体系[5],如图2所示。
4不断探索数字电路理论教学内容的改革与实践
4.1以数字电路设计为目的强化基本逻辑电路理论教学。
在进行复杂数字系统设计之前应该熟练掌握这些常用基本组合和时序逻辑电路,包括电路的功能、电路的描述以及电路的应用场合等。
树立电路设计思想首先需要熟练掌握一些基本的逻辑功能电路。其次,树立电路设计思想需要理论讲解与实践相结合,逐步熟悉硬件描述语言的描述方式。数字系统设计强调采用硬件描述语言来对电路与系统进行描述、建模、仿真等[2][3]。
4.2掌握面向应用的数字系统工程设计方法。
学生在掌握数字电路基本概念和一般电路的基础上,进一步掌握数字系统设计的方法、途径和手段。其主要内容包括:数字系统与EDA的相关概念、可编程逻辑器件、硬件描述语言、电路元件的描述、数字系统的设计方法、开发环境与实验开发平台以及应用实例的介绍等。这些课程内容涉及面较广,为了提高教与学的效果,探索总结了以下的教学重点内容,并作为教学实践中的教学切入点[1]。
随着电子技术不断发展与进步,现代数字系统设计在方法、对象、规模等方面已经完全不同于传统的基于固定功能的集成电路设计[1][2]。现代数字系统设计采用硬件描述语言(HDL)描述电路,用可编程逻辑器件(PLD)来实现高达千万门的目标系统。这一过程需要也应该有先进的设计方法。根据硬件描述语言的特性和可编程逻辑器件的结构特点以及应用的需要,在教学过程中阐述了先进设计方法。例如:采用基于状态机的设计方法设计复杂的控制器(时序电路),应用或设计锁相环或延时锁相环来处理时钟信号,应用自行设计(IPcore)软核来提高数据吞吐量[1][2][3]。
4.3深化数字电路实验教学改革。
实验实践教学过程中,注重基础训练与实践创新相结合的实验教学改革思路,加强学生工程思维训练、新平台工具的使用、遇到逻辑问题的综合分析能力,理论与实践相结合的分析能力。在实践过程中的提高创新性和综合性能力,面向应用的数字电路创新平台建设,需要不断提高课程试验、实验和实践过程在教学中的比例,在符合认知规律的同时,逐步加强来源与实际需要的综合性数字设计实验。
5结语
数字电路是电气、电子信息类专业的一门重要的专业基础课程,论文针对当今卓越工程师培养的要求,以及在教学过程中遇到的主要问题,探讨了面向应用的数字电路课程创新实践平台。提出了多层次的数字电路创新实验平台结构和面向应用的数字系统设计课程优化体系。目的在于,通过课程及相关课程体系改革与创新,使得学生更快、更好的适应现代数字技术发展的需求。
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[3]叶波,赵谦,林丽萍.FPGA课程教学改革探索,中国电力教育,2010,24,130-131.
[4]秦进平,刘海成,张凌志等.电类专业数字系统综合实验平台研制,实验技术与管理,2012.6,75-78.
关键字:电子技术;教学方法;实践教学;工程素质
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)19-0135-02
一、引言
当今社会正飞速地进入信息化时代,以电子信息科学技术为特征的高新技术产业已成为全社会发展最强劲的产业,而电子技术正是其发展的基础之一。[1]电子技术课程是高等院校电子、电气、物理类专业的专业基础课,是人才培养体系中介于公共基础平台和专业技能平台之间的重要环节,是学生在本科学习期间从理论分析模式转向工程应用模式最重要的节点[2]。它为学生学习本专业后继课程和毕业后从事相关专业技术工作提供必要的专业理论知识和专业实践技能,是培养学生系统掌握本专业知识、应用理论知识解决工程实际问题、训练科学实验能力和创新能力的重要环节。
二、存在的问题
(一)传统的理论教学模式落后
以“教员课堂讲课为主体、学员课后练习为辅助、试卷考核为评价手段”的“知识驱动”型教学模式,这种围绕电子技术知识学习的模式未能良好地实现“教员为主导、学员为主体”的教学实施指导思想。从教学实施过程和教学效果上看,该模式的主要弊端是造成了很多学员在学习过程中“上课被动接收、课后应付作业、考前临阵磨枪、通过万事大吉”的现状,学员在课程学习结束后只记得学了哪些课程知识,对知识的掌握理解却不深刻,更难以达到应用专业知识解决实际问题的水平,导致学员电子技术专业素养培养不够,综合知识实践能力锻炼不到位的等问题的产生。
(二)课堂实践模式单一,制约学员创新能力的发展
比如,传统的数字逻辑实验是采用常规的TTL逻辑器件,以手工连线的方法来实现一定逻辑功能,当实验电路规模达到一定程度时,电路的可靠性会大大下降,而且各器件需要很多连线,一旦改变设计方案,不但需要更换器件,还需要重新进行大量连线工作,学员在实验过程中很多精力被牵扯进连线和差错这些琐事中,因此会感到枯燥、乏味。这种模式缺乏灵活性,效率低,在一定程度上制约了学员实验兴趣的培养和创新能力的发展[3]。
三、主要方法
(一)改进教学方法,拓展教学手段
现代教育不再是以教师为中心的知识灌输,而是围绕学生需要,对学生工程素养的培养,包括思维能力、实验能力、自学能力和团队合作能力的综合培养[4]。电子技术专业的培养必须时刻紧扣现代电子技术的发展,调整优化教学内容,研究改革教学方法,丰富教学手段,提升教学效果。突出“讨论式教学法”为主线的多模式现代教学方法的综合尝试,重点激发学员学习的内在兴趣和动力,启发学员深入思考课程内容,提高学员独立思考和自主学习的能力。教法促进学法改变,采用课外学习、课堂研讨、课堂翻转、同伴学习、案例引入等具体手段,加强师生、生生的深层次互动。同时完善考核评价体系,促进学员脚踏实地、求真务实地学习。
在《模拟电子线路》课程中采用了讨论式教学法,将原有的60学时的理论课时和30学时的实验课时重新规划安排,以“理论讲授”“学习讨论”“实验实践”为三个主要授课模块。其中“理论讲授”环节拟以知识点讲授为主要元素构建体系,大约实施31学时。“学习讨论”是在“理论讲授”的基础上,通过学员课外准备、课上研讨,进一步加深对理论讲授的理解,同时填充理论讲授与课程标准要求的知识间隙。“学习讨论”安排大约23学时,另外习题课为6学时。
(二)新教学设计,提高教学效率
教学设计是对一门课的组织形式和组织结构进行拟定,其中心问题是确立课程的范围、顺序[5],并尽量结合实际,选用一些实用性、趣味性较强的案例,或选择学生熟悉易知且能充分反映事物本质的具体现象提供给学生,增加学生的感性认识和学习兴趣,可不断更新教学内容以适应电子技术的发展[6]。
例如,在讲授“晶体二极管”时,教师可通过演示两个对比实验引入新课。实验一:在音乐卡片电路中正向串联一只晶体二极管,接通电源后,便会奏出悦耳动听的音乐;实验二:在实验一的基础上,将二极管反向串接到电路中,接通电源后,却无音乐声发出。这“一响一静”两个实验现象,会激发学生极大的好奇心和探究其原因的强烈欲望。此时,教师不失时机地导入所要教授的内容,可谓引人入胜。在课程教学中注意引导学生学会运用基本理论和方法来解释工程现象和分析解决实际问题,淡化纯粹的解题技巧的训练。例如,放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的分析计算,让学生了解分析这几个动态指标的意义,并学会运用晶体管的微变等效电路进行分析计算即可。
(三)深化课程内容,融合实验模式
首先,针对学科人才培养方案的变革,根据学员进入专业课学习情况或毕业后的工作需求不断梳理、调整教学内容。其次,在课程框架设计上,重视基础性,强调应用性,体现军队特色;在内容安排上,精选经典,加强现代。再者,在教学过程中,注意从“基础、技术、应用”三大规模合理定位。教学内容实现“三个转变”:由分立元件电路向集成电路转变;由小规模集成电路向中大规模集成电路转变;由固定功能电路向可编程逻辑功能转变。精讲基础,合理运用分析手段,增加EDA演示的内容,适当穿插综合应用的内容,提高对学生应用、创新能力的要求。
充分重视课程的实践环节,融合传统的手工接线方法和基于EDA技术的CPLD实验模式。可以避免因接线错误、芯片接触不良等带来的问题,使得电路设计从传统的硬件搭建转到了软件设计和仿真调试上来,但是传统的实验模式对于学员建立硬件概念,有利于培养学员细致、耐心和严谨的工作作风,因此,必须融合这两种实验模式,例如,对于仪器的使用、芯片参数的测试内容,就适合用传统的实验方法来完成,而对于复杂的组合逻辑电路、时序逻辑电路等内容,就适合运用EDA手段来实验。另外,一些原理相同,可以分别通过这两种方法实现,比如实现两位加法(减法)的设计,可以用传统的方法,对于四位加法器的设计,可以用EDA模式来实现,这样,可让学员体验到两种方法实现相同实验目标的不同之处,同时软硬两方面的知识也得到巩固提高。
猿掷砺塾胧导相结合的教学道路,通过课程作业、基础实验、综合设计实验、课程设计、电子创新月及学科竞赛作等形式,让学员们更好地理解所学知识,加强学员的实际分析问题、解决问题的能力,做到能学会用。
四、总结
在传统的教学模式中,理论教学采用“知识驱动型”教学模式,并且与实践课程教学相互独立,严重影响和制约学员的学习兴趣,被动学习情况普遍,教学效果不理想。为让参与教育过程的学员真正“活”起来,成为“中心”,成为“主体”。我们在电子技术系列课程中通过改进教学方法、创新教学设计、融合多种实验模式等教学手段,使电子技术教学在教学理念上,实现学员电子技术类课程学习从“要我学”转变为“我要学”,学习积极性增强;在培养效果方面,更为注重运用专业知识解决实际问题的专业实践能力,提高了学生的基本工程思维能力和综合工程素质。
参考文献:
[1]赵芳.电子技术课程教学改革浅析[J].高校实验室工作研究,2012,(3):9-11.
[2]刘素贞,李华,耿跃华等.电工电子教学实验中心创新实验体系的建设[J].电气电子教学学报,2012,34(2):147-149.
[3]李悦丽,张汉华.电路课程教学中的实例教学法探讨[J].中国电子教育,2013(2):54-56.[3]吴根福,吴科杰,高海春.优化设计整合资源提高实验教学质量[J].实验室研究与探索.2016,(8):203-206.
[4]单德伟,唐善梅.“双院制多元立交式”实践育人模式的探索与实践[J].实验室研究与探索,2016,35(3):165-168.
[5]陈万强.创新校区合作机制提高应用型人才培养水平[J].中国高等教育,2012,(8):13-15.
[6]鄢志丹,王宇红,廖明燕.基于大学生创新训练计划的创新实验室建设[J].实验科学,2013,16(4):98-100.
The Electronic Technology Teaching Reform and Practice Based on the Cultivation Engineering Thinking Ability
WU Su,MA Zhi-yuan,CHEN Shao-chang
(Department of Electronic Engineering,Navy University of Engineering,Wuhan,HuBei 430033,China)