一、创新专业,办出特色,抢占电子信息专业链教育教学的制高点
人才培养模式是指在一定的教育思想和教育理论指导下,为实现人才培养目标而把培养过程中有关的若干要素加以有机组合而形成的一种系统结构。人才培养模式至少应包括培养目标、专业结构、课程体系、教学制度、教学模式、日常教学管理等六大要素。
电子信息产业链包含电子产品的设计,电子元器件和材料的生产、销售和采购,电子产品的制作、调试、维修,最后是电子产品的“物流”、权衡购销利润等领域。针对技工职业技能教育,与之相对应的就是电子信息专业链。
电子专业全面培养电子元器件和材料的识别、检测,电子电路的设计,PCB电路板的设计与制作,电路板的焊接、安装、调试和维修等技能。计算机技术专业提供电子自动控制系统中所需软件的编写技能和外壳设计技能。电子元器件和材料的采购、电子产品的销售及经营管理当然是工商管理专业的核心技能,是电子经营企业的“内当家”。
因此,我们有充分的理由将“电子、计算机、工商管理”三大专业串在“电子信息专业链”上,重新组合,创新各专业的主导技能,着力打造具有鲜明特色的“电子信息专业链”的技工学校。
二、“电子信息专业链”教育教学创新基本思路和举措
1.电子、计算机与工商管理三大专业的内涵建设构想
三大专业的内涵建设可由一条主链、二个基地、三种技能、四个面向来构思。
一条主链是指三大专业核心技能的培养必须串入“电子信息专业链”这一主链。这是一条完整的电子信息技能培养链,它包括电子产品的材料采购、产品制造、维修和销售等全过程,体现着三大专业的核心技能。
二个基地包括电子信息校内、校外专业实训基地,以“校中厂、厂中校”作为实训基地总体功能。校内电子承担硬件技能训练,计算机实操软件编写、仿真与产品外壳的辅助设计,工商管理用电子商务模拟物流实训等。校外实训基地,要有企业行家里手、工程师、能工巧匠作为指导教师,且有校内专职的实习指导教师,要有与企业合编的教材,制订相应的教学计划,进行规范的现场教学。
三种技能包含了电子产品的生产、维修、经营管理等专业技能,可总体全面训练,也可根据专业方向,专攻其中某一技能。
四个面向对应着电子信息产业链中的生产、维修、企业管理、物流等四个就业工种,一般根据专业方向和个人的特长爱好选择就业工种。
2.电子信息专业链专业开发设置方案
根据目前广东省电子信息产业情况,可开设移动通信、消费电子和工业电子三大专业,每个专业均可设置制造、维修、经营、物流等方向。
3.课程建设基本原理及方案
(1)课程建设的认可原理。用哲人深邃的思想梳理专业课程建设的思路,进行比较反思、分析归纳、理性建构,从而寻求规律,提炼升华形成系统性课程体系,得到专家认可。顺从企业用人需求的视角调整自己的视野,跳出学校教育这座山,识别企业人力资源真面目,极大限度地满足需求,得到企业的认可。采用通俗易懂的方式,变抽象为直观,变复杂为简单,变文字为***片,利用多种媒体宣传自己,让更多的普通人都能了解专业课程,从而得到社会的认可。
(2)课程开发重要概念哲学思辨。专业职业资格与能力指定了课程目标,够用为主的陈述理论性知识与过程操作性娴熟技能敲定了课程内容,工作过程中“量”的积累形成了职业经验,“质”的跳变职业策略形成了课程技能深度,触景生情的“情景”教学和身临其境的“情境”教学造就了课程课堂教学的环境,春天原野上百花发育型的案例和秋日枝头上硕果精品型的范例铸造了课程技能品质层次,静态固化文本的教材和动态***的课程是一条长深的清溪,它贮存、更新着教学资源。
(3)“电子信息专业链”课程设置方案概述。专业课程的设置主要依据电子信息产业链所有设置的岗位、国家职业工种标准来定课程名称,用实际生产、管理、物流程序来安排开课顺序,以项目驱动式、工作任务授予式赋予课程内容。开设的课程包括电子基本技能课、电子制作基本技能、电子生产维修技能、电子产品经营管理技能等。
(4)模块式课程设置与顺序。根据技能分解,学生应掌握四个基础技能模块所包含的能力要素,模块一包括基本的器件识别能力、常用仪器仪表的操作能力、焊接能力、识***能力、制作能力和基本调试能力;模块二包括模拟、数字、高频电路的分析能力、应用能力、调试与维修能力训练;模块三包括电子电路综合应用能力、分析、调试与维修制作能力,单片机基本应用能力;模块四包括单片机综合应用能力、创新制作与电子综合应用能力。不同专业只是在项目内容上有所差异,各模块都可以通过对各自专业的能力分解来得到。
4.一体化课堂教学的实质性模式
“一体化”课堂教学是将陈述性的抽象理论知识用实际操作方式全部转变成过程性的形象操作智能,力求变抽象为直观、换符号为实物、化原理为数据的一种新型教学模式。
电子信息专业课的一体化课堂教学过程可用“一看、二做、三听、四拓、五疑、六悟”这六个过程步骤来描述。一看就是看老师的演示、看实物;二做是按照老师的操作要求进行具体的操作或测量;三听指认真听老师的讲解;四拓是指在老师的启发下,拓展操作的深广度;五疑是学生提疑;六悟为老师解惑,学生领悟。
中***分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)02-0044-02
电气信息类专业包括电气工程和自动化等与电相关的专业。该类专业的目标是让设备根据环境的变化自动调整运行,即通常所说的“智能化”。因此,该类专业大学生人才培养的主要任务是培养有能力胜任工业企业工作的高级电气人才。随着工业自动化水平的迅速提高和教育改革的不断深入,为适应工业界对具有实践性、创造性等综合能力强、素质高的技术人才的迫切需要,应重点关注学生工程实践和创新能力的培养,使大学生能够应用理论知识指导实践,而不仅仅局限于书本知识。
而目前在大部分高校中,对于低年级大学生一般设置课程设计、企业参观实习或鼓励学生参加各种科技竞赛来提高学生的实际动手能力;对于毕业生一般通过毕业论文环节培养学生具有较强的实践能力和理论联系实际的综合分析能力。[1]这些固然是电气信息类专业教学中不可缺少的重要环节,但是一般高校的“课程设计”大都沿用以前的传统,虽然随着科学技术的发展以及工业企业需求的改变有一定的更新,但是相对来说,对于学生创新能力的培养具有一定的局限性;企业参观实习可以让学生进一步了解实际设备运行过程,但是时间相对仓促,真正能够深入的有限;参加科技竞赛的学生数量有限,只能锻炼部分学生的实践和创新能力;毕业论文环节一般由导师根据研究方向选定,能够较好地锻炼学生的实践和创新能力,但毕竟时间较短。本文从电气信息类专业的专业定位、学科内涵、人才培养的目标和要求出发,在传统的教学模式中引入了“项目实习制”人才培养模式。
一、电气信息类专业定位和学科内涵
按照***电气信息类专业目录和定位,电气信息类专业方向涵盖电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术、生物医学工程等专业。
从学科内涵来看,电子信息类专业涉及的主干学科包括电气工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、电子科学与技术、信息与通信工程。由此决定了电子信息类专业教学应遵循以下四个原则:以电气工程为背景;以控制理论为基础;以信号分析和处理为手段;以计算机、电子技术为核心。
二、人才培养目标和要求
从总体上来说,电气信息类专业大学生的人才培养目标是培养具备电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与引用、网络技术、电子技术和信息系统等基础知识,能从事与电气工程有关的系统运行、运动控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、信息处理、试验分析、管理与决策、电子与计算机技术应用、各类电子设备及信息系统的研究、设计、制造、集成、应用和开发等领域工作的宽口径“复合型”高级工程技术人才。[2,3]当然,对于归属于电气信息类专业下的各个子专业来说,根据其主干学科的侧重点不同,其人才培养目标各有侧重。
要实现上述人才培养目标,对电气信息类专业本科毕业生在业务、能力和素质方面应提出以下要求:掌握扎实的数学、物理、化学等自然科学基础知识,具备较高的管理科学、人文社会科学和外语综合能力,具有较高的******素质;掌握电子信息类专业领域必要的技术基础理论知识,主要包含电工理论、电路理论、电子技术、信号处理、控制理论、计算机技术基本原理与应用等;系统分析、设计、开发及应用方面的工程实践训练,具有较熟练的与本专业相关的计算机软硬件开发能力;掌握本专业领域内1~2个研究方向的理论知识与实践技能,了解本专业学科的发展趋势;在本专业领域内具有一定的科学研究、科技开发、组织管理、团队合作的实际工作能力,同时要具有较强的工作适应能力。
三、电气信息类专业的人才培养模式探讨
目前,高校电气信息类专业课程体系设置主要包括公共课程、技术基础课程(又称专业基础课)、专业课程(简称专业课)三部分。[4]公共课程主要在低年级展开,包括文化课程类、工具课程类及能力培养课程类。公共课程是从学生可持续性发展的角度考虑,针对该类专业大学生必备的知识和基础,全面培养学生的基本素质,使学生获得较宽泛的公共基础学科的理论知识,从而为学生后续学习及工作打下坚实的基础。技术基础课程涵盖非常广,主要包括人才培养要求中提到的电路理论、电工理论、电磁场、电子技术、机械基础理论、计算机软硬件原理及对应的实验和设计等课程,使学生系统地掌握本专业领域必需的技术基础理论知识。专业课程根据电气信息类下属各专业特点选择相应的专业必修课、专业方向核心课以及专业拓展课,使学生掌握本专业方向的专业知识和技能,训练学生的专业设计、实践和创新能力,接触相应学科的学术前沿。
综上所述,从课程体系来看,各个高校电气信息类专业课程设置都是严格遵循该类专业的专业定位、学科内涵、人才培养目标和要求而设置的,为学生提供了丰富的自然科学和专业技术知识,同时也在一定程度上提高了学生的实践和创新能力。然而,这种“始终以教师为中心”的统一的教学培养模式也不利于学生自主解决与课程对应的实验、设计过程中出现的各种问题,不利于学生系统理解和掌握电气信息类专业的各种相关技术,同时在一定程度上也影响了学生实践和创新能力的锻炼效果。
因此,为了促进学生理论与实践相结合、培养学生的创新能力,必须在当前“以教师为中心”的培养模式中增加“以学生为中心”的培养模式,充分调动学生的积极性和主动性,激发他们的探索和研究精神,让学生在逐步深入的学习过程中构建自己的本专业知识框架体系。
为了充分调动学生的积极性和主动性,达到电气信息类大学生人才培养的目标和要求,应让学生根据自己的兴趣选择喜欢的课题,真正参与到一些没有借鉴的实际开发类项目中,与教师或学生共同讨论、设计并实施项目方案,了解电气信息类项目的整体实现过程以及可能出现的问题。如在新加坡国立大学电气与计算机工程学院,学校教师 在学校主页上本科学生招聘信息(包括:项目名称、项目实现目标和要求、具体负责任务、对所招收学生的要求、联系方式等等);学生可以通过网站***查找学校教师的招聘信息,针对自己感兴趣的项目可以联系相应教师,申请相关职位;教师收到学生申请要求后,组织面试;学生面试通过后正式加入该教师项目组,与团队协作共同完成项目任务。在国内高校,近年大量出现“大学生暑期企业实习计划”,即各企业在相关网页上暑期实习职位,相关专业大学生递交个人简历,申请企业提供的实习职位;企业组织相关人员进行简历筛选、笔试以及几轮面试,通过的学生进入企业进行实习。这种“大学生暑期企业实习计划”不仅让大学生了解和掌握了就业的相关知识、技能,锻炼和培养了大学生的社会实践以及进入社会的适应能力。同时,对于能够进入企业进行实习的学生,还能锻炼其创新思维、灵活应变的能力、持续学习和掌握新知识的能力、不断适应新环境的能力以及团队合作精神等等。
由此可见,学生实践和创新等能力的提升需要实际的项目或任务支撑。为了更好地锻炼和培养电气信息类专业大学生的实践、创新能力,可以借鉴上述国外高校的人才培养方式以及“大学生暑期企业实习计划”,在本科生培养阶段可以引入“项目实习制”,引导学生尽早、更频繁地接触实际项目工作,感受专业氛围。
另外,目前国内高校中一些青年教师指导的学生比较少。一方面,没有指导的研究生或者研究生数目比较少;另一方面,本科生毕业设计有时间限制(与项目进展不同步,缺乏延续性),因此导致教师有实际的科研项目但是缺乏足够的人力资源去实现。“项目实习制”不仅可以培养学生的创新实践能力,同时也能解决青年教师项目人员缺少的现状,对于高校来说是一个双赢策略。
本文介绍的“项目实习制”具体如下:
1.实施方法
高校教师根据自身需求(如国家自然科学基金研发项目、企业横向项目等),通过各种渠道(如校内网站等)项目实习职位需求,相关专业的各年级大学生可以应聘感兴趣的职位,教师经过考核后聘用适合的学生。聘用后的学生要按项目进度完成教师交代的各项任务,出现问题可以查阅资料、与课题组其他组员以及教师商讨。以“水压试验机故障诊断”项目为例,学生首先需要到现场进行调研,了解水压试验机设备的运行原理和流程,学习PLC(可编程逻辑控制器)、WinCC等软件编程方法,同时针对该设备的故障诊断问题提出可行的解决方法。此外,还要考虑方法的时效特性。
2.管理方法
高校制定有关使“项目实习制”进入正规化渠道。学校制定学生实***贴标准,根据学生的考核成绩划分为五档:A档(考核成绩 90分),B档(80分,考核成绩<90分),C档(70分,考核成绩<80分),D档(60分,考核成绩<70分),E档(考核成绩<60分)。根据学校规定的标准以及学生参与实习的时间,教师从项目人力资源经费中支出学生的津贴。
3.实施过程和效果
在项目实习的过程中,学生会遇到各种实际问题,通过自身所学理论知识、查阅相关资料、现场调研与高年级学生以及教师交流积极主动解决实际项目中出现的问题。“项目实习制”不仅能够培养学生技术方面解决实际问题的专业能力,而且对于学生个人综合素质(包括:创新思维、灵活应变的能力、持续学习和掌握新知识的能力、不断适应新环境的能力、良好的沟通能力、团队合作精神等)的培养也非常有益。相比而言,“项目实习制”比“大学生暑期实际计划”更加灵活,便于学生在项目实施的过程中发现问题,促进对书本知识的理解和运用。
综上所述,通过这种“项目实习制”人才培养方式,本科生可以跟随教师进行研究性学习,并且可以充分利用实验室设备以及博士、硕士资源,把课堂“填鸭式”教学扩展为现场教学,为本科生今后的工程实践打下良好的基础。同时,大学生可以在本科阶段接触多个研究方向,有利于学生对本专业主要的研究方向有一个较清晰的认识,进而明确自身爱好所在,为学生继续求学或就业指明方向。
四、结束语
在本科教学中引入“项目实习制”教学策略能够培养学生具有更强的工程实践能力、创新能力、表达能力、沟通能力、心理承受能力以及团队协作能力,使学生具备主动获取知识、主动参与自主创新的积极性和过硬的社会竞争力,对于满足岗位需求能力具有现实意义。
参考文献:
[1]李寒林,林洪贵,蔡振雄,等.毕业论文指导中的创新实践能力培养探析[J].集美大学学报,2012,13(1):126-128.
[2]邹逢兴,陈立刚,徐晓红,等.关于自动化专业电子信息类课程教学改革的探索与思考[J].中国大学教学,2011,(9):37-40.
在非微电子专业如计算机、通信、信号处理、自动化、机械等专业开设集成电路设计技术相关课程,一方面,这些专业的学生有电子电路基础知识,又有自己本专业的知识,可以从本专业的系统角度来理解和设计集成电路芯片,非常适合进行各种应用的集成电路芯片设计阶段的工作,这些专业也是目前芯片设计需求最旺盛的领域;另一方面,对于这些专业学生的应用特点,不宜也不可能开设微电子专业的所有课程,也不宜将集成电路设计阶段的许多技术(如低功耗设计、可测性设计等)开设为单独课程,而是要将相应课程整合,开设一到二门集成电路设计的综合课程,使学生既能够掌握集成电路设计基本技术流程,也能够了解集成电路设计方面更深层的技术和发展趋势。因此,在课程的具体设置上,应该把握以下原则。理论讲授与实践操作并重集成电路设计技术是一门实践性非常强的课程。随着电子信息技术的飞速发展,采用EDA工具进行电路辅助设计,已经成为集成电路芯片主流的设计方法。因此,在理解电路和芯片设计的基本原理和流程的基础上,了解和掌握相关设计工具,是掌握集成电路设计技术的重要环节。技能培训与前瞻理论皆有在课程的内容设置中,既要有使学生掌握集成电路芯片设计能力和技术的讲授和实践,又有对集成电路芯片设计新技术和更高层技术的介绍。这样通过本门课程的学习,一方面,学员掌握了一项实实在在有用的技术;另一方面,学员了解了该项技术的更深和更新的知识,有利于在硕、博士阶段或者在工作岗位上,对集成电路芯片设计技术的继续研究和学习。基础理论和技术流程隔离由于是针对非微电子专业开设的课程,因此在课程讲授中不涉及电路设计的一些原理性知识,如半导体物理及器件、集成电路的工艺原理等,而是将主要精力放在集成电路芯片的设计与实现技术上,这样非微电子专业的学生能够很容易入门,提高其学习兴趣和热情。
2非微电子专业集成电路设计课程实践
根据以上原则,信息工程大学根据具体实际,在计算机、通信、信号处理、密码等相关专业开设集成电路芯片设计技术课程,根据近两年的教学情况来看,取得良好的效果。该课程的主要特点如下。优化的理论授课内容1)集成电路芯片设计概论:介绍IC设计的基本概念、IC设计的关键技术、IC技术的发展和趋势等内容。使学员对IC设计技术有一个大概而全面的了解,了解IC设计技术的发展历程及基本情况,理解IC设计技术的基本概念;了解IC设计发展趋势和新技术,包括软硬件协同设计技术、IC低功耗设计技术、IC可重用设计技术等。2)IC产业链及设计流程:介绍集成电路产业的历史变革、目前形成的“四业分工”,以及数字IC设计流程等内容。使学员了解集成电路产业的变革和分工,了解设计、制造、封装、测试等环节的一些基本情况,了解数字IC的整个设计流程,包括代码编写与仿真、逻辑综合与布局布线、时序验证与物理验证及芯片面积优化、时钟树综合、扫描链插入等内容。3)RTL硬件描述语言基础:主要讲授Verilog硬件描述语言的基本语法、描述方式、设计方法等内容。使学员能够初步掌握使用硬件描述语言进行数字逻辑电路设计的基本语法,了解大型电路芯片的基本设计规则和设计方法,并通过设计实践学习和巩固硬件电路代码编写和调试能力。4)系统集成设计基础:主要讲授更高层次的集成电路芯片如片上系统(SoC)、片上网络(NoC)的基本概念和集成设计方法。使学员初步了解大规模系统级芯片架构设计的基础方法及主要片内嵌入式处理器核。
丰富的实践操作内容1)Verilog代码设计实践:学习通过课下编码、上机调试等方式,初步掌握使用Verilog硬件描述语言进行基本数字逻辑电路设计的能力,并通过给定的IP核或代码模块的集成,掌握大型芯片电路的集成设计能力。2)IC前端设计基础实践:依托Synopsys公司数字集成电路前端设计平台DesignCompiler,使学员通过上机演练,初步掌握使用DesignCompiler进行集成电路前端设计的流程和方法,主要包括RTL综合、时序约束、时序优化、可测性设计等内容。3)IC后端设计基础实践:依托Synopsys公司数字集成电路后端设计平台ICCompiler,使学员通过上机演练,初步掌握使用ICCompiler进行集成电路后端设计的流程和方法,主要包括后端设计准备、版***规划与电源规划、物理综合与全局优化、时钟树综合、布线操作、物理验证与最终优化等内容。灵活的考核评价机制1)IC设计基本知识笔试:通过闭卷考试的方式,考查学员队IC设计的一些基本知识,如基本概念、基本设计流程、简单的代码编写等。2)IC设计上机实践操作:通过上机操作的形式,给定一个具体并相对简单的芯片设计代码,要求学员使用Synopsys公司数字集成电路设计前后端平台,完成整个芯片的前后端设计和验证流程。3)IC设计相关领域报告:通过撰写报告的形式,要求学员查阅IC设计领域的相关技术文献,包括该领域的前沿研究技术、设计流程中相关技术点的深入研究、集成电路设计领域的发展历程和趋势等,撰写相应的专题报告。
3结语
关键词:电气工程及其自动化;电能变换与控制方向;培养方案;课程设置;实践环节
作者简介:巫付专(1965-),男,河南安阳人,中原工学院电子信息学院,教授;王耕(1967-),男,河南郑州人,中原工学院电子信息学院,副教授。(河南 郑州 450007)
中***分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)17-0018-02
近年来我国经济持续高速增长,传统能源消耗量大幅增长,引发的能源短缺和环境污染等问题成为制约我国经济又好又快发展的瓶颈。为此,发展新能源产业势在必行。《可再生能源发展“十二五”规划》提出,至2015年底并网风电累计装机容量要达到1亿千瓦,年发电量要达到1900亿千瓦时。光伏发电装机要达到1400万千瓦,光热发电装机100万千瓦,太阳能热水器推广面积要达到4亿平方米。***策上还首次提出地热能、潮汐能和海洋能的发展目标。《中国新能源产业发展与安全报告(2011—2012)》指出,我国新能源产业总体而言对外依存度较高,风能产业、光伏产业、生物质能产业与地热产业的关键设备及核心技术尚需从欧美输入。
电能变换与控制技术作为新能源产业关键设备的核心技术之一,随着我国新能源产业的迅速发展、国家科研投入的不断加大,高校和科研院所近年来也研究出了大批科研成果。例如仅2012年11月19~20日在福州大学召***家自然科学基金电工学科2008/2010 年度批准项目交流会就有研究成果120余项,其理论水平和实验室级的成果已接近或达到欧美水平。然而这些成果工业化的过程中却严重滞后于世界先进水平。造成这种局面固然有很多原因,但是人才培养“频谱”的欠缺也是其中的原因之一。这些科研成果主要由教师、博士和硕士来完成,本科生很少涉足,国内高校开设相应本科专业方向的学校也很少,这就造成了将科研成果转化为工业产品人才的匮乏。2012年11月16日《江南时报》报道:“能源动力类(就业率94.71%)、材料科学类(就业率93.71%)、电气信息类(就业率92.70%)等与新能源、新材料、服务外包等新兴产业相关专业的毕业生就业优势明显。”“良好的产业发展不仅给相关专业毕业生带来了就业底气,也给薪资待遇提升留下了想象空间。”据统计,近两年内电气信息类毕业生的平均工资为3778元,仍有很大的上升空间。省内电气信息类企业将传统的电工技术与计算机、电子、自动控制、系统工程及信息处理等新技术相结合,具有广阔的应用前景,规模正不断壮大,就职毕业生对该类企业的发展趋势充满信心。”其他地区的招聘也有同样信息出现。对于快速发展的新能源产业而言,应用型人才供应面临严重不足。因此,亟待加大该产业人才的培养力度,以满足新能源产业发展对应用型人才的迫切需求。
一、目前相关专业开设的现状
近几年国内仅有十几所高校增设了核能相关专业,大多数高校是在原有热能与动力工程等专业基础上增设了部分与新能源有关的选修课程作为对新能源领域知识的一种补充,或进行了专业名称的更改。所有这些无论是课程内容设置的科学性还是人才培养的专业性,尚不能适应完全国家对新能源领域专业人才的需求。对于新能源产业关键设备及核心技术之一的电能变换与控制更是涉及很少。
电气工程及其自动化专业在1998年国家教育目录合并前包括电力系统自动化、电机、绝缘技术等强电专业。由于其涉及的专业领域非常宽泛,所以各高校培养方案的设置通常分方向设置,即在专业课学习阶段按专业目录合并前的专业进行设置。与能源产业关键设备及核心技术之一电能变换与控制相对应的电力电子与电力传动二级学科由于相对传统电机电器、电力系统自动化等学科发展较晚等原因,开设电能变换与控制专业方向的高校很少。
由于新能源产业迅速发展,与之相适应的电力电子技术也得到了迅速发展与完善,为在电气工程及其自动化专业本科阶段开设电能变换与控制提供了理论基础。
二、专业培养目标及规格
电气工程及其自动化专业电能变换与控制方向面向新能源产业,根据能源领域的发展趋势和国民经济发展需要,需培养在新能源科学中电能变换与控制研究及其利用的技术开发与实施等方面既有扎实的理论基础又有较强实践和创新能力的专门人才,以满足国家战略性新兴产业发展对该领域教学、科研、技术开发、工程应用、经营管理等方面的专业人才需求。本专业培养掌握电路电子与电工技术、控制理论与系统、计算机与微处理器应用技术,强调强弱电点结合、元件系统结合、软硬件结合和基础知识,体现了强电与电力电子、自动控制、计算机等技术相结合的专业特点。
毕业生应获得以下几方面的知识与能力:具备较扎实的本专业领域必需的自然科学基础理论知识和较好的外语综合能力;系统掌握本专业技术基础理论知识和必要的专业知识;掌握电能转换与控制、信号分析与处理、电机学、新能源发电、电气工程方面等方面的知识;了解本专业学科的前沿与发展趋势;获得电能变化与控制系统的分析、开发与研究方面的工程实践训练;能从事新绿色能源的研发工作(例如光伏发电、风力发电、混合动力汽车);能从事电力系统的分析预测试;能从事电能质量分析与调节系统的研发与设计工作等;具有一定的人文社会科学、经济管理知识及相关工程技术知识,掌握文献检索、资料查询的一般方法;具有较强的工作适应能力;能从事新能源领域里的科学研究与管理工作。
三、专业课程体系
1.培养方案课程安排
针对本专业的特点,所以教学计划安排应该使得在专业教学阶段的理论与实践并重。专业课阶段课程安排的建议如下:
公共基础课:“高等数学”、“大学物理”、“大学英语”等。
人文通识课:“马克思主义原理”、“法律基础”、“艺术鉴赏”等。
专业基础课:“电路”、“模拟电子”、“数字电子”。
专业平台课:“自动控制控原理”、“电机拖动基础”、“单片机原理”、“自控原理”、“C语言”、“可编程控制器PLC及系统集成”、“信号分析与处理”等。
专业必修课:“电力工程”、“新能源发电”、“电能变换与控制(上、下)”、“DSP技术”等。
专业任选课:“微型电网工程”、“柔性输配电技术”、“人工智能与智能控制”、“智能电网”、“电力系统网络通讯”、“变配电运行自动化”、“电气CAD”、“检测技术与仪表”、“电动汽车概论”、“电能质量与谐波治理”等。
工具课:“MATLAB”、“AotoCAD”、“protelXP”、“Proteus”、“multsim”等。
本培养方案将课程分为上述6个部分,其中公共基础课、人文通识课、专业基础课和专业平台课的设置与目前的电气工程及其自动化保持不变。专业必修课和专业任选课是电能变换与控制方向的主要专业课程。“新能源发电”主要讲述太阳能光伏发电技术、太阳能热发电技术、风力发电技术、生物质能发电技术的原理;“电能转化与控制”(上)主要讲述电能变换的基本原理,包括DC/DC、AD/DC和DC/AC变换,可采用传统电力电子的教学内容与教材。“电能转化与控制”(下)主要讲述PWM的控制方法(包括SPWM、SVPWM、滞环控制和三角波比较控制以及瞬时无功理论等)以及在新能源(光伏发电、风力发电等)中的应用实例分析。DSP技术主要讲述目前应用最为广泛的TI公司TMS320LF2812的原理与应用。工具课“MATLAB”可在第二学期开设,“AotoCAD”、“protelXP”、“Proteus”、“multsim”放在期末实践环节结合课程设计进行。专业课设置如表1所示。
2.实践环节设置
实验教学环节改革将注重培养学生的工程系统能力、实践中运用知识的能力、解决较复杂工程问题的能力、管理决策能力,还有创新研发能力等。通过合理统筹优化实践教学部分激发学生的工程实践兴趣和勇于创新的精神,使学生的专业素质满足电能变换与控制工程师培养标准。
(1)实践教学环节改革将关注以下几点:
1)加强综合性、设计性实验的开发,在统筹优化、合理安排所有实验课的基础上提高实验课质量,增加综合性、设计性实验,增强学生动手能力、分析问题、解决问题的能力。
2)增设企业中常用仿真软件的教学实践课程,提高学生多种仿真软件的应用能力。
3)增设工程能力综合训练内容。
(2)本计划实践环节主要分两个阶段实施。
1)第一阶段:工程能力基本训练阶段。内容:金工、电工实习、各门主要课程课内实验、电子技术的课程设计、单片机课程设计、PLC的课程设计、工程制***、制板及仿真软件的应用等。目标:达到初步分析问题、解决问题的能力,具备实际工程所需的基本技能。
2)第二阶段:工程能力综合训练阶段。内容:取消单门专业课的课程设计,增设综合课程设计,在第7学期期末进行,时间为3周,题目结合新能源发电所需的技术选定,要求学生按全国大学生电子设计大赛的型式提交作品及实验报告。目标:使学生具备对所学知识和技能的综合运用能力,具备初步电能变换与控制系统设计与调试能力。
3.校企联合毕业设计
毕业设计是学生能力培养最后一个环节,主要锻炼学生综合运用所学科学理论方法和技术手段分析并解决工程实际问题的能力,培养学生的创新意识和进行设计、技术改造与创新的初步能力。[2]毕业设计安排在第8学期进行,此环节时间为15周。采用校内指导教师和企业指导教师共同指导的方式。毕业设计题目的选取可以紧扣新能源发电中电能变换与控制关键技术,突出电能变换与控制常用控制策略、信号检测方法等的应用,强调硬件电路的设计与调试、软件的编程。目的是使学生在毕业设计的过程中初步掌握新能源发电中电能变换与控制的关键技术。
四、结论
我国新能源产业正在迅速发展,该方面专业技术人才的缺失已成为其进一步发展的瓶颈。高等学校应认真研究,及时培养出社会急需的人才,服务社会。本文就在电气工程及其自动化专业基础上开设电能变换与控制方向进行了分析;针对新能源发电所需的知识结构提出了主要课程的设置,并对实践环节和毕业设计进行了详细分析;给出了电气工程及其自动化专业开设电能变换与控制方向的培养方案。要想将培养方案落实到实处还有很多工作要做,比如师资的建设、实验室的建设、教材的建设等等。
参考文献:
[关键词] 实践能力; 综合实践; Multisim; Protel
doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 05. 073
[中***分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194(2014)05- 0124- 03
1 实践课程的重要性
电子信息工程专业是一个实践性很强的专业,毕业生的工程实践能力, 是本科院校培养方案中毕业生所要具备的基本能力之一,也是用人单位最为关注的能力之一, 因此,如何加强学生实践能力和创新精神的培养,一直是高等教育教学改革的重要课题。
电子信息工程专业传统的实践课程基本都是针对单一技能进行实践训练,学生对所学的知识难以形成知识体系,知识孤岛相对较多。因此,为了加强对学生实践能力的培养,大连海洋大学在制订人才培养方案时特别增加了电子专业综合实践环节,旨在结合本专业所学习的理论课程,探索应用Multisim和Protel等EDA技术进行综合实践的方法,使学生能够将所学理论知识融合在一起,进而熟悉电子产品的开发和制作流程。
2 综合实践实施思路
在综合实践过程中,首先,根据设计的具体要求和其工作原理设计原理***;其次,在Multisim软件中取用正确的元器件,创建仿真电路***,并按要求连线,设置电路参数;最后,调出虚拟示波器、万用表及频谱分析仪等仪表对电路关键点进行检测。以上步骤准备完毕可进行电路仿真,根据电路的要求分析结果是否正确,如果仿真结果不正确,检查原理***设计,直至输出结果符合设计要求。
经过上述步骤,学生已经设计出正确的原理***,并通过仿真验证其正确性。为了让学生将理论知识转化为实践能力,要求学生利用Protel软件进行印刷电路板设计。Protel提供了丰富的元件封装库、元件封装编辑器及各种电子线路布局布线工具,使电路布线方便并能提供线路的智能检查。正确布局布线之后,可以通过Protel生成三维效果***,可观察所设计的产品经过布局布线后是否美观,若有不满意的地方,再进行调整,直到满意为止。
如果制作的印刷电路板工艺比较复杂,可以请专门的印刷电路板制造厂商制作,但是,在实践环节为了让学生对整个工作流程有所了解,所以采用学生自己制板的方法。首先,学生将印刷电路板***打印,通过热转印设备将印刷电路板***转印到印刷电路板上;然后,通过化学制剂对印刷电路板进行腐蚀工艺处理,腐蚀结束,学生要观察有没有被破坏的导线,如有,应修缮完好;最后,焊接元器件,进行功能调试。
具体实施流程如***1所示。
下面以数字电子钟为例,主要介绍在综合实践环节中Multisim和Protel软件如何运用。
2.1 数字电子钟的Multisim仿真设计
数字电子钟是对时间进行计时,可以采用一天24小时或者一天12小时两种计时标准,本设计中采用24小时计时标准。包括如下模块:
2.1.1 秒脉冲发生器
秒脉冲发生器的功能为产生周期为1 s的脉冲信号。由555定时器构成,通过在555定时器连接简单的阻容元件,构成多谐振荡器,通过合理设定参数,使得多谐振荡器的周期T = 1 s,占空比q = ■。
2.1.2 秒计时电路
使用74LS160和74LS161设计一个60进制计数器,每个计数周期为1秒,即每经过一个脉冲,秒计时电路计1个数,当计数60秒时,达到1分钟,此时秒计时电路归零、分钟计时电路加1。为了验证电路准确性,在Multisim中先对本部分设计进行仿真,仿真时用信号发生器代替秒脉冲,在数码管上可直观地观察到时间显示,仿真结果如***2所示。
2.1.3 分钟计时电路
分钟计时电路与秒计时电路原理非常相似,使用74LS160设计一个60进制计数器,但它的计数周期为1分钟,当计数60分钟时,分钟计时电路归零,同时控制小时计时电路加1。
2.1.4 小时计时电路
为了设计方便,小时计时电路也取用74LS160,当分钟计时电路和秒计时电路达到59分59秒时,小时记1,依此类推。
2.1.5 显示电路
秒计时电路、分钟计时电路和小时计时电路输出均为8421BCD码,而显示器件我们一般都选用7段数码管,若想使数码管显示正确的8421BCD码,需要在计数器和数码管之间连接显示译码器。
在Multisim软件中,将上述每一个环节都进行仿真验证,最后将整机***进行仿真。经过上述过程,已经设计出数字电子钟的原理***。接下来,设计数字电子钟的印刷电路板***。
2.2 数字电子钟的印刷电路板设计
Protel是一款非常简单、易用的制作印刷电路板工具。在验证了原理***设计正确之后,学生可以应用Protel软件进行印刷电路板设计。在实践过程中发现,通过使用Protel,能充分调动学生的学习自主性,例如有些元件学生需要建立自己的元件封装库、元件引脚间距必须与实际元件一致、放置元器件时要考虑布线安全等问题,这一系列的过程使学生掌握了元件库的建立、布局布线的基本规则与技巧,同时也锻炼了学生理论联系实际的能力和自我创新的能力。
以上设计的数字电子钟印刷电路板***如***3所示,其3D效果***如***4所示。
3 结 论
电子信息工程专业综合实践是课程教学体系中的一个重要环节, 它不仅对学生理论联系实际、加深对理论的感性认识有着非常重要的作用, 同时也是培养学生实践能力和创新精神的主要途径。学生按照老师的设计要求,可以自行设计电路,可以对比不同的输入情况下的输出结果,自主选择元器件,设计性能优良的电路,摆脱了传统实践课程中电路固定、元器件固定等方面的限制。在电子综合实践实施过程中,学生的学习热情被激发,大幅度提高了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力,以及学生综合运用所学知识的能力、实践动手能力和创新能力,取得了较好的教学效果。
主要参考文献
[1] 洪澜,蔡修奋,陈敏. 开放式电子实验与 EDA 技术结合的探索[J]. 实验室研究与探索,2010,30(8):307-308.
[2] 李松松,郭显久,曹立杰,等. 电子信息工程专业人才培养模式的探索与实践[J]. 中国电力教育,2011(22):51-52.
20世纪70年代以来,由于半导体激光器和光纤技术的重要突破,推动了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等技术的蓬勃发展,从深度和广度上促进了光学和电子学及其他相应学科(数学、物理、材料等)之间的相互渗透,形成了一个边缘的研究领域。光电子学一经出现就引起了人们的广泛关注,反过来又进一步促进了光电子学及光电子技术的发展。光电子技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息存储和处理等。因此,可以这么说,现代信息技术的支撑学科是微电子学和光学,光电子学则是由电子学和光学交叉形成的新兴学科,对信息技术的发展起着至关重要的作用。光电子技术是光频段的电子技术,是电子技术与光学技术相结合的产物,光电子技术是光电信息产业的支柱与基础,涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论,是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科,其技术广泛应用于光电探测、光通信、光存储、光显示、光处理等高新技术光电信息产业。同时,随着生物医学、生命科学等新兴学科的发展,其中的信息获取手段对光电子技术的依赖程度越来越高,加快了这些学科之间的交叉融合,从而诞生了很多边缘学科,比如生物光子学、光医学等。综上所述,可见光电子技术在现代信息产业技术中的重要地位,因此,光电子技术这门课程不仅是光学工程专业的基础必修课程,也应该作为电子信息工程专业的专业选修课程来开设。
电子信息工程专业的光电子技术课程的基础理论知识包括:光度学基本知识、光辐射传播、光束调制与解调、光辐射探测技术等。其中,光度学基本知识是最基础的内容,包括:电磁波波谱、辐射度学、光度学、热辐射基本定律、激光原理、典型激光器等。光辐射传播包括:光辐射的电磁理论、光波在大气中的传播规律与特性、光波在电光晶体中的传播规律与特性、光波在声光晶体中的传播规律与特性、光波在磁光晶体中的传播规律与特性、光波在光纤波导中的传播规律与特性、光波在水中的传播特性、光波在非线性介质中的传播等。光度学基本知识和光辐射传播这两个基础内容可以说是光电子技术课程基础中的基础,而对于电子信息工程专业的学生来说,这些知识点比较抽象,为了便于该专业学生对光电知识的接受和激发他们的兴趣,因此,在课堂上有必要多花时间重点讲解这部分的知识点,同时在制作PPT教案时尽可能使用***片或动画描述一些原理性的知识。
比如:在讲解激光是如何产生的时候,可制作动画描述自发辐射、受激吸收、受激辐射的原理;在讲解激光器的结构和工作原理时,可制作多色***片对激光在各种光学谐振腔中的受激放大过程进行描述;在介绍各种典型的激光器时,最好收集到它们的实物照片进行讲解;在讲解光波在各种光学晶体中的传播特性与规律时,最好能制作三维立体的***片描述光学晶体的各向异性的特性,相应的公式表达尽量简洁化,然后结合动画描述光波在其中传播时所发生的变化。光束的调制、扫描和解调技术的理论教学内容包括:光束调制的基本原理、电光调制技术、声光调制技术、磁光调制技术、直接调制技术、光束机械扫描技术、光束电光扫描技术、光束声光扫描技术、空间光调制器等。这些知识点的理论基础都是“光辐射在光学晶体中的传播规律和特性”。其中光束调制的基本原理移植了微电子学中微波调制中的很多概念,电子信息工程专业的学生易于理解,但是光束调制和扫描的实现技术中,除了需要使用各种光学晶体以外,还需要使用半波片、全波片、起偏器、检偏器共同组成一个系统完成光束的调制和扫描。这些光学器件对于没有光学工程基础的电子信息工程专业的学生来说比较陌生,因此,在讲解过程中应该通过动画或***片等手段形象地描绘线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光等基本光学概念,并借用相关的光学参考资料对这些光学器件的功能和原理进行简单介绍。
只有这样,才有利于电子信息工程专业的学生深刻理解光束的调制、扫描、解调等技术。光辐射探测技术的理论教学内容主要包括:光电探测的物理效应、光电探测器的性能参数、光电探测器的噪声、光电导探测器—光敏电阻、PN结光伏探测器的工作模式、硅光探测器、光电二极管、光热探测器、直接光电探测系统、光频外差探测的基本原理等。由于电子信息工程专业的学生已经具备了较好的半导体器件理论基础知识,而光电子器件本身也属于半导体器件,因此学生只要掌握了爱因斯坦的光电效应原理,就很容易理解各种光电子器件的工作原理、性能特点及应用领域。该部分所介绍的各种光电半导体器件很可能会在学生将来从事信息产业技术的相关工作中用到,也可能会在将来某些学生跨到光电信息或光学工程相关专业进一步深造时从事相关科研课题研究时用到,比如:PN结光伏探测器、光敏电阻、光电二极管、光电三极管等,都会经常用到。因此,建议在理论教学过程中,除了结合***片等多媒体教学手段介绍相关光电子器件的工作原理外,最好能够给学生展示光电子器件的实物,以便给学生一些感官认识。电子信息工程专业光电子技术课程的系统方面的知识点包括:光电成像系统、光电显示系统等。
其中,光电成像系统的基本器件是电荷耦合摄像器件(CCD),CMOS摄像器件和电荷注入器件(CID)。目前,CCD摄像器件的应用最为成熟和广泛,主要包括线阵CCD和面阵CCD等,其原理基础仍然是光电半导体器件和两相或三相电极电路的结合。因此,教学中应结合脉冲数字电路知识重点讲解CCD的原理和特点。光电成像系统的内容包括:系统基本结构、基本参数、红外成像系统、红外成像中的信号处理及综合特性等。其中红外成像系统涉及很多应用光学方面的知识,这对没有应用光学基础知识的电子信息工程专业的学生来说比较陌生,而且属于光学工程专业学生的研究方向之一,因此,这部分内容简单介绍即可。而红外成像中的信号处理都涉及电子电路方面的知识,属于电子信息工程专业的范畴,这部分内容可以重点讲解。光电显示系统包括阴极射线管原理、液晶显示原理、等离子体显示原理、电致发光显示原理及多色激光显示原理等,其中前三类显示技术的应用已很广泛和成熟,可以重点讲解,而后两类显示技术比较前沿,可以简单介绍,以便让电子信息工程专业的学生了解当今光电显示技术的发展趋势。电子信息工程专业光电子技术课程应用方面的内容包括:光纤通信、激光雷达、激光制导、红外遥感、红外跟踪制导、光纤传感技术等。这些应用技术可以分别举一个相应的实际应用系统进行介绍,让学生体会到光电子技术的重要性和广泛性,激发他们对这门技术的兴趣。#p#分页标题#e#
对于电子信息工程本科专业而言,毕竟培养的学生不属于光学工程或光电子技术领域的人才,而且电子信息工程专业已有很多属于本专业的实验课程及课程设计,笔者认为光电子技术课程的实验教学应根据该专业学生的理论基础和将来他们最可能需要的工程能力而设置。在该课程中,各种光电子器件和原理、功能及应用最易于电子信息工程专业的学生理解,而且也是电子信息工程师应该具备的基本知识,因此,笔者建议开设一些光电子器件的相关实验课。由于光电子技术课程的总学时设置为48学时,所以建议理论教学为40学时,8学时为实验教学(共4个实验)。
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