面向綜合交通信息工程的電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)探討

黃世澤 歐冬秀 董德存 朱遠(yuǎn)津 沈拓

摘要：交通信息工程專業(yè)是服務(wù)于我國(guó)軌道交通建設(shè)和智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要學(xué)科，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的講授對(duì)于該學(xué)科的建設(shè)顯得尤為重要。本文結(jié)合行業(yè)需求、學(xué)科要求和課程特點(diǎn)，在課程內(nèi)容設(shè)定、實(shí)踐教學(xué)、仿真軟件應(yīng)用以及能力培養(yǎng)方面談了作者的心得體會(huì)，希望能夠?qū)煌ㄐ畔㈩I(lǐng)域的電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)起一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：交通信息工程；電子技術(shù)基礎(chǔ)；實(shí)踐教學(xué)；能力培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）39-0172-03

一、學(xué)科背景

面向交通行業(yè)和交通運(yùn)輸工程學(xué)科未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院整合原交通信息工程系、交通工程系和道路與機(jī)場(chǎng)工程系的部分師資力量，于2014年底組建成立綜合交通信息與控制工程系，重點(diǎn)建設(shè)“交通工程”的二級(jí)學(xué)科“交通信息工程與控制”。交通信控系以綜合交通運(yùn)輸為對(duì)象，以工程應(yīng)用和理論創(chuàng)新為背景，以交通信息和控制技術(shù)及相關(guān)現(xiàn)代交通技術(shù)為手段，以綜合交通系統(tǒng)智能化為特色，開展教學(xué)、科研與社會(huì)服務(wù)工作，重點(diǎn)發(fā)展“軌道交通信息與控制工程”、“道路交通智能管控及服務(wù)工程”和“航空交通信息與管控”三大板塊。“軌道交通研究團(tuán)隊(duì)”面向我國(guó)高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和管理需求，在“軌道交通自動(dòng)化與控制”、“軌道交通主動(dòng)安全與管理”、“綜合交通信息與通信工程”和“軌道交通智能檢測(cè)與評(píng)估”等領(lǐng)域開展系統(tǒng)研究。“道路交通研究團(tuán)隊(duì)”以國(guó)內(nèi)智能交通系統(tǒng)進(jìn)一步大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展為契機(jī)，追蹤國(guó)際前沿研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)，著重在“道路智能交通安全與風(fēng)險(xiǎn)管理”、“道路交通信息全息感知與處理”、“道路交通協(xié)同管理與控制”、“多模式智能公共交通系統(tǒng)”、“車路協(xié)同與主動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)”和“共享交通系統(tǒng)優(yōu)化”等領(lǐng)域取得突破。“航空交通研究團(tuán)隊(duì)”面向規(guī)模日益增長(zhǎng)的航空系統(tǒng)，在“航空交通信息集成與服務(wù)”和“航空交通管控與優(yōu)化”等領(lǐng)域展開研究。

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是“軌道交通信息與控制工程”的重要基礎(chǔ)課，按照“自動(dòng)化”學(xué)科的特點(diǎn)，分模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)講授。隨著技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)也是“道路交通智能管控及服務(wù)工程”和“航空交通信息與管控”的重要技術(shù)內(nèi)容。[1，2]因此，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》不僅要服務(wù)于“軌道交通信息與控制工程”方向，同時(shí)要服務(wù)于“道路交通智能管控及服務(wù)工程”和“航空交通信息與管控”兩個(gè)方向。另一方面，由于學(xué)科寬口徑方向的拓展，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》的課時(shí)有所壓縮，這給綜合交通信息工程方向的《電子技術(shù)基礎(chǔ)》授課帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

二、課程的培養(yǎng)目標(biāo)及要求

本專業(yè)《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的培養(yǎng)目的是使交通工程專業(yè)（交通信息工程與控制方向）的學(xué)生掌握電子學(xué)的基本原理和實(shí)用技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析、設(shè)計(jì)交通電子系統(tǒng)的能力，為成為開拓信息時(shí)代的新交通系統(tǒng)的合格人才奠定基礎(chǔ)。

課程主要講授電子學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，研究電子技術(shù)在交通信息工程與控制領(lǐng)域的應(yīng)用。課程的內(nèi)容涵蓋了半導(dǎo)體分立元件和集成電路、模擬與數(shù)字電路、電子系統(tǒng)集成技術(shù)等微電子學(xué)的基本內(nèi)容以及若干新穎的交通電子系統(tǒng)案例，力求反映微電子學(xué)的新器件、新技術(shù)、新潮流。

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生能夠了解半導(dǎo)體器件與集成電路的構(gòu)造原理，掌握其外部特性；熟悉模擬電路的基本單元電路，掌握模擬電路的基本分析方法；熟悉數(shù)字電路的基本單元電路，掌握數(shù)字電路的基本分析方法；學(xué)會(huì)閱讀電子系統(tǒng)原理圖；通過(guò)對(duì)交通電子系統(tǒng)實(shí)用案例的學(xué)習(xí)，了解電子系統(tǒng)集成的原則與方法。

通過(guò)本課程的完整理論體系的學(xué)習(xí)，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備研發(fā)的興趣，樹立良好的職業(yè)道德、人生價(jià)值觀；綜合提高和運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)的能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生建立正確的思維方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)作風(fēng)、提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力等方面都有重要作用；通過(guò)實(shí)驗(yàn)及程序開發(fā)仿真環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生整合資源、收集資料、完成工程任務(wù)等多方面能力，培養(yǎng)學(xué)生為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及進(jìn)一步的研究工作提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

三、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

按照本學(xué)科的培養(yǎng)要求及課時(shí)情況，在課程內(nèi)容上進(jìn)行了針對(duì)性的調(diào)整。

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)部分，遵循“先器件后電路，先基礎(chǔ)后應(yīng)用”的規(guī)律，重點(diǎn)介紹一些關(guān)鍵的基礎(chǔ)性電子元器件：二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和集成運(yùn)算放大器。介紹這些器件的構(gòu)造、基本原理、特性，弱化數(shù)學(xué)模型的介紹。結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹元器件的額定參數(shù)，通過(guò)一些工程實(shí)例介紹元器件的選型方法。電路方面，密切結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的《電路》課程，重點(diǎn)介紹共射級(jí)放大電路的構(gòu)成、基本原理及電路參數(shù)計(jì)算；重點(diǎn)介紹集成運(yùn)算放大電路的線性分析方法和非線性分析方法。在應(yīng)用上，結(jié)合交通信息工程的典型案例，圍繞著信號(hào)的采集、信號(hào)的處理、波形的發(fā)生、信號(hào)的轉(zhuǎn)換等進(jìn)行介紹，希望學(xué)生能夠達(dá)到“堵圖”和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的要求。

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)部分，集成芯片的發(fā)展越來(lái)越快，將這部分課程定位為“電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課”，重點(diǎn)講授數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本知識(shí)、基本理論和基本技能，為將來(lái)在交通信息工程中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)這一定位，在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)方面，重點(diǎn)講授數(shù)制和碼制以及邏輯代數(shù)基礎(chǔ)。電路方面，重點(diǎn)講授組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法、時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法，弱化對(duì)集成芯片的引腳和功能的記憶，希望學(xué)生通過(guò)基本方法和基本理論的學(xué)習(xí)，能夠通過(guò)閱讀集成芯片的資料，達(dá)到分析和設(shè)計(jì)數(shù)字電路的要求。

四、實(shí)踐教學(xué)的密切結(jié)合

對(duì)于電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，實(shí)踐教學(xué)非常重要[2，3]。因此，在交通信息工程的課程計(jì)劃中，在有限的課時(shí)中，還是拿出1/3的課時(shí)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

通用的電子技術(shù)基礎(chǔ)試驗(yàn)課程，有一套成熟的實(shí)踐教學(xué)大綱，目的都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)熟悉和鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是關(guān)鍵元器件的應(yīng)用以及關(guān)鍵電路的驗(yàn)證和分析。這些實(shí)踐教學(xué)，在一開始能夠通過(guò)“好奇”提升學(xué)生興趣，但是很難持續(xù)保持。電子技術(shù)基礎(chǔ)課程是在大三上學(xué)期開設(shè)，學(xué)生正在逐步步入專業(yè)課的學(xué)習(xí)中，他們對(duì)于專業(yè)課懷有較強(qiáng)的好奇心。因此，在實(shí)踐教學(xué)的后半部分中，我們重點(diǎn)圍繞未來(lái)的軌道交通信號(hào)控制和智能交通系統(tǒng)，密切結(jié)合課程內(nèi)容，創(chuàng)造性的設(shè)立一些交通特色課程。

五、電路仿真軟件的有效應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)與各行各業(yè)深度融合，“數(shù)字化”的浪潮已經(jīng)席卷了電子技術(shù)應(yīng)用的一切領(lǐng)域。由于電子產(chǎn)品的更新周期日益縮短，新產(chǎn)品開發(fā)速度日益加快，因而對(duì)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）提出了更高的要求，也有力地促進(jìn)了EDA技術(shù)的發(fā)展和普及。EDA技術(shù)也為電子工程師提供了一個(gè)非常好的工具。電子工程師可以通過(guò)EDA來(lái)分析電路的原理，可以通過(guò)EDA仿真來(lái)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，這些都大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。[4，5]

EDA的使用卻與課堂教學(xué)有一定的沖突。如果鼓勵(lì)EDA使用，學(xué)生完全可以不去管電路的基本原理，直接在EDA里建立模型，就可以得到習(xí)題的答案。然而，未來(lái)的電子工程師使用EDA是一種必然趨勢(shì)，課堂教學(xué)應(yīng)該積極引導(dǎo)，既要學(xué)生掌握基本原理，又要鼓勵(lì)他們熟練掌握EDA軟件。但是存在的問(wèn)題是，系統(tǒng)講授EDA軟件使用，課時(shí)不允許。為了解決這些矛盾，我們要求課后作業(yè)按照課堂學(xué)習(xí)的基本理論方法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)用EDA軟件給出計(jì)算結(jié)果。一般要求手工計(jì)算出結(jié)果，EDA軟件給出波形。這樣既能掌握課堂的基礎(chǔ)知識(shí)，又能熟練掌握EDA軟件，還能通過(guò)EDA的仿真結(jié)果對(duì)手工計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

六、注重學(xué)生能力培養(yǎng)

教育的最終目的不是僅僅為了傳授知識(shí)，更是為了學(xué)生能力的培養(yǎng)。電子技術(shù)基礎(chǔ)課，有很多的知識(shí)點(diǎn)，在講授時(shí)都可以進(jìn)一步拓展，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于方法的思考，從而達(dá)到能力培養(yǎng)的目的。[6]本文分別就模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)各舉一例。

差分放大電路是模擬電路中的一個(gè)重要電路，如圖1所示。

差分放大電路能夠很好的抑制電路的零點(diǎn)漂移。在講授完基本原理以后，可以引導(dǎo)學(xué)生思考，抑制零點(diǎn)漂移我們常規(guī)的做法是什么？我們通常都會(huì)在元器件上下功夫，但是由于元器件特性的差異并不能很好的解決問(wèn)題。差分放大電路給我們完全提供了一個(gè)另外的思路，既然無(wú)法解決誤差問(wèn)題，那么就設(shè)置一個(gè)一模一樣的電路，讓誤差相互抵消。這種問(wèn)題的思考方法，在軌道交通和道路交通中都有一些成熟的例子。通過(guò)這種方法的引導(dǎo)，說(shuō)不定會(huì)在未來(lái)的職業(yè)生涯中，幫助學(xué)生很好得解決工程中遇到的具體問(wèn)題。

再比如數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)上的卡諾圖，如圖2所示。

卡諾圖通過(guò)一個(gè)小小的方格，把復(fù)雜的邏輯代數(shù)化簡(jiǎn)變得一清二楚。在熟練掌握卡諾圖的基本原理和化簡(jiǎn)方法以后，可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步的引導(dǎo)。在進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)和學(xué)術(shù)研究時(shí)，盡量的使用圖形。通過(guò)自己的定義，用一副簡(jiǎn)單的圖形把自己的觀點(diǎn)表達(dá)的清清楚楚，讓團(tuán)隊(duì)成員或者審稿人一目了然。在軌道交通信號(hào)中，這種例子更是數(shù)不勝舉。比如運(yùn)營(yíng)圖的編制，就是將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題變得非常簡(jiǎn)化。

七、結(jié)語(yǔ)

隨著“一帶一路”的建設(shè)和智能交通系統(tǒng)（ITS）的大力發(fā)展，電子技術(shù)在未來(lái)的交通信息工程中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。未來(lái)我們的交通規(guī)劃設(shè)計(jì)工程師、交通運(yùn)維工程師都需要在本科教育中學(xué)習(xí)和掌握電子技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié)合行業(yè)的需求和課程的特點(diǎn)，筆者分別從課程內(nèi)容設(shè)定、實(shí)踐教學(xué)、仿真軟件應(yīng)用以及能力培養(yǎng)角度談了自己的心得體會(huì)，希望能夠?qū)煌ㄐ畔㈩I(lǐng)域的電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)起到一定的參考作用。

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