集成电路与应用范文

前言：我们精心挑选了数篇优质集成电路与应用文章，供您阅读参考。期待这些文章能为您带来启发，助您在写作的道路上更上一层楼。

第1篇

1医疗健康领域的需求现状

在医疗健康领域,关注的热点正在渐渐从最基本的疾病产业向保健产业转变。这二者都是以健康服务为最终目的,但是前者主要是有针对性的“对症下药”,而后者则更倾向于为一般消费者提供更全面的保健解决方案。

美国著名经济学家保罗・皮尔泽(Paul Zane Pilzer)曾是花旗银行最年轻的副总裁并出任布什、克林顿两任总统的经济顾问,在他的《财富第五波》一书中指出:二十一世纪人类面临严重饮食失衡,却人人希望更健康、抗老化,预防胜于治疗,从而开启保健产业的兆亿商机。这是继第四波网络革命后的明星产业,相比疾病产业的被动性,保健事业是主动积极的产业。

世界卫生组织(WHO)在2008年10月公开的一份档案中提到:人口老龄化助长癌症和心脏病病例上升;心血管疾病是全世界主要的死亡原因,听力丧失、视力问题和精神障碍是最常见的残疾原因。

庞大的老龄化群体和慢性疾病患者等群体的现状(换言之,是社会需求和市场需求的现状)使得疾病产业、保健产业中亟需发展应用新的技术和产品。

2.1 世界人口老龄化,对医疗护理产品提出了更高的要求。

随着医疗水平的提高,世界平均人口寿命增加,世界和中国都面临着人口结构老龄化的问题。如根据联合国经济社会部的研究数据(如图 1),到2050年世界60岁以上的老年人将达20亿,约占世界总人口的1/3,其中有79%生活在发展中国家;而中国国家人口发展战略研究报告也指出,我国在2007年老龄人口为1.43亿,占人口比重的11%,但是在2040年左右,这个数字将达到4.3亿,占全国人口的30%。这些数字意味着届时每4个人中将有1~2名老年人,同时也表明针对老年人护理的配套设施将会有很大需求。

近几年来,中国社会老龄化趋势日益明显,也引起了各有关方面的关注。“人口老龄化将伴随21世纪始终”。我国现在虽然还处于劳动力黄金时期,但60岁以上人口超过14%,65岁以上人口超过10%,按照国际社会标准,已经跨进了老龄化社会的门槛。老龄化问题将从多方面给中国社会带来巨大压力和挑战,同时也会带来新的机遇,其中最大的机遇就是老年人群消费所带来的“银发产业”发展。

我国老龄化的趋势及特点如下:

(1)老龄化速度快于全国总人口增长速度;

(2)我国老龄化速度快于世界老龄化速度;

(3)我国老龄化速度快于经济发展速度,呈现了“未富先老”的特征;

(4)经济发达地区率先进入老龄化;

(5)老年人生活质量有所提高;

在目前我国经济发展水平尚处于世界中下水平时,老龄化程度却己进入了发达国家的行列。老龄化的加速对经济社会都将产生巨大的压力。

老人占全球人口的比例越来越高,这助长了与年龄有关的慢性病增加,在发展中国家尤其如此。在世界各地,护理人员、卫生系统乃至整个社会均需作好准备,应付老人持续增长的需求。

1.2疾病特别是慢性病的威胁和困扰日益扩大化,以及家用保健产品需求的加强,对医疗保健产品的便携程度提出了更高的要求。

随着社会的发展和人们生活水平的提高,对一些多发性的慢性疾病、残疾障碍、以及神经功能失调疾病的治疗需求越来越迫切。

心血管疾病是全世界主要的死亡原因,主要是心脏和血管疾病,可造成心脏病和中风。通过健康饮食、经常性身体活动和避免使用烟草,可预防80%以上的心脏病和中风,而为了进一步减少威胁,这些病往往还需要长期的、经常性的检查和治疗。

最常见的残疾原因中如听力丧失、视力问题和精神障碍等,其中许多障碍是容易通过电刺激设备进行辅助治疗的(例如听力丧失和白内障)。这些疾患的总体罹患率较高,需要改善获得治疗的机会和方法,改善患者的生活质量,使人们过上有意义的生活。

另外,神经功能失调是一大类神经系统疾病,高发病率而且重症的帕金森病等运动障碍疾病、癫痫、顽固性疼痛等,导致病人明显残障,造成巨大的经济和社会负担。传统上,神经功能失调疾病的治疗有药物方法和外科手术毁损方法。但是长期服用药物副作用多且难以避免,而由于脑和神经的复杂性和人类认识的局限性,不可逆的手术毁损具有不可预知的恶性后果。

进入21世纪后,随着生活质量的提高,人们健康意识也普遍增强。特别是在医院内“一次性治愈”目标很难实现的阶段下,新的产业应运而生:除了医院的医生诊断,可家用的医疗及保健电子设备的需求明显,如疾病预防和协助诊断、慢性病的长期监测及治疗、特别是老年人护理等。另外,包括慢性疾病的监测和控制、治疗在内,医疗保健需要同时实现在临床上的诊断准确性和日常家用的普及性,以及建立以预防和早期诊断为导向的健康观念。比如对于盲人、癫痫症、糖尿病等患者,传统医疗护理手段所带来的长期的临床生活是社会和病人都无法承担的,而离开了医院又会造成生活质量的下降。于是医疗电子终端产品的普遍发展趋势将主要是便携式、穿戴式,某些特殊方面还向植入式发展,以实现“随时随地”的动态、连续的检测和初步诊断。可以预见在不远的将来,这些便携、可穿戴或植入式的医疗及保健电子设备将给人类的生活提供极大便利,产生重大的影响。

1.3 世界医用市场需求的迅猛发展,将成为半导体市场的重要推动力。

在世界范围内,医疗电子市场连续25年增长,很有可能成为未来(半导体市场的)主要驱动。全球医疗保健费用每年5万亿美元,而中国的医疗保健则消耗了GDP的5%,平均每年增加38%。特别是从全球医用半导体行业的收入来看,医用半导体行业的几个主要的部分预计在未来的5年内年均复合增长率(CAGR)在10%附近。

而另一份来自Databeans (Sept. 2008)的数据则预计在未来5年医用集成电路市场的年增长率将高达14%,甚至高于消费类集成电路(11%)和计算机集成电路(9%)的增长。可以看出,在21世纪医用集成电路的重大革新将会像上世纪80年代的电子计算机、90年代的移动通信一样,成为影响全球半导体市场的主要推动力。

世界范围内的医疗电子市场同时会带动我国的医疗电子产业。比如现阶段我国的“银发产业”刚刚起步,根据中国国家老龄委提供的数据,目前中国老年人用品市场的需求量为4000亿元,到2010年将达到10万亿元,而现阶段全国为老年人提供的产品不足10%,离市场需求差距巨大。而且随着中国经济社会的持续发展,各方面因素将为“银发产业”蓬勃发展提供更加强大的动力。在推动经济增长的同时,老年人生活质量能够提高、身心健康得到保障,借助产业发展也可以缓解老龄化问题给社会带来的压力。

2我国医疗电子产业面临的机遇

医疗电子产业的涵盖领域非常广,包括超声波成像、计算机断层扫描等应用电子设备,以及电子血压计、血糖仪等消费类终端产品都属于医疗电子领域。在我国的电子信息产业中,医疗电子产业是很重要的一环,是最贴近民生的电子信息产业细分行业之一。随着2009年4月份《电子信息产业调整和振兴规划》的出台以及国家新医改方案的公布,尤其是8500亿元医改的投入,我国医疗电子产业无疑面临着广阔的发展空间,这对我国的医疗电子产业将带来积极的影响。而且政策别还强调了要加强在医疗电子产业领域自主创新能力的建设,这无疑为我国医疗电子产业带来了很好的发展机遇。另外,医疗设备行业的高速增长也将刺激医疗电子市场的需求:据预测,当前我国医疗电子市场规模为250多亿元,同比增速在16%以上,超过了全球市场的增长率。

为了更好的应对这个难得的发展机遇,要在如下两个方面有所建树:一方面是在医疗信息系统领域。这一领域迫切需要提高远程医疗水平,以及其所依赖的信息传输和管理技术。另一方面是在医疗电子领域。这两个方面的要求,需要在技术上关注网络标准与便携技术的走势:第一是网络互联操作标准。几年前一些著名国际企业包括思科、IBM、英特尔、三星电子等就成立了“持续健康联盟”产业组织,以进行标准选择、互用性指南的编写等工作。ADI亚太区医疗事业部也认识到“为了适应医疗体系的网络化建设,从长远发展来看互联的数据平台变得非常重要”。第二是便携医疗产品与技术。随着人们健康意识、健康需求及相应支付能力的不断提高,以预防为主和早诊治的指导思想,以及医疗电子随着集成电路技术的发展不断涌现出小型化、集成化、网络化、数字化、智能化的趋势,这些都将成为便携医疗电子快速增长的催化剂。在便携医疗产品中,电子血压计、便携血糖仪、电子助听器等便携式设备占到家用便携医疗产品市场的90%,而便携式多参数监护仪、便携式超声诊断仪、便携式胎儿监测仪、便携式心电图仪位居我国医用便携设备市场前列。此外,基层医疗机构所需的低成本、高可靠性、操作简单的X光机、超声诊断仪、核磁共振设备和计算机断层扫描设备的市场容量也将大幅提升。而这些产品所涉及的智能化、小型化、低功耗、高分辨率的技术都备受关注。

3集成电路技术应用的概要介绍

集成电路技术在医疗电子领域内的应用非常广阔且多样化,大致可分为下述四种不同的应用类型:

(1)医学影像――这一类型包括超声波、计算机化的X射线断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射线、正电子发射断层显像等;

(2)医疗仪器――主要是实验室配套电子设备、透析机、分析仪器、外科手术设备、牙科设备等;

(3)消费型医疗设备――偏重于患者(可家用,非临床)使用的终端设备,包括数字体温计、血糖计、血压计、胰岛素泵、心率计、辅助听力(数字助听)等;

(4)诊断、患者监护与治疗设备――协助医生判断的(主要是临床使用)相应设备,都包括心电图、脑电图、血氧计、血压计、温度计、呼吸计、除颤器、植入设备等;

这四种类型基本涵盖了医疗电子领域的各种应用。其中后两类,特别是消费型医疗设备尤其需要通过先进的集成电路技术来达到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目标。

小型化、低功耗:通过这些便携、可穿戴、或是植入式的设备,才可以实现人体相关体征信号的动态采集和连续监测,在必要时还可以达到24x7的工作要求;

智能化、低成本:可医院用、家庭用、其他非医院环境用,并通过网络接入等技术实现远程医疗,从而更合理地配置医疗资源,提供更高水平的医疗服务,同时减缓医院就诊压力。还可普及供大范围内的人群使用:如病人用来治疗、健康人用来预防,或老年人用于辅助护理、年轻人用于锻炼健身,可提供早诊治的信息,对人体最小干预(无创/微创),等等。

世界上集成电路领域最权威的会议――国际固态电路会议(ISSCC)的技术专题委员会,围绕以上四种类型的医疗电子应用中日益凸显的关键技术问题,在2009年预测了在未来医疗电子应用领域中集成电路技术的研究热点:

(1)人工辅助听觉、视觉、无线肌肉刺激、神经刺激:这类研究重点在于需要对人体安全无危害,包括和人体组织的电极接触界面、泄漏电流检测、过热断电等。同时还对系统的可靠性、外壳包装、集成度和工作寿命等方面有要求;

(2)传感量:生物分子检测(如DNA等),神经感知、集成核磁共振等;

(3)超小型:遥控或远程诊断;

(4)自适应控制:场景分析、管理方法等;

(5)无线测量技术中的瓶颈:数据流压缩、拓宽频道等;

(6)带有马达和姿态控制的智能内窥镜胶囊;

(7)pH值的测量阵列(离子敏感的场效应管,ISFET);

(8)其他系统级需求。

在这些预测的研究热点中,既有针对某一种具体应用提出了更进一步的功能研究(如用于肠胃内窥镜中的马达和姿态控制),也有对从应用中提炼出的共性关键技术(如对于无线通信技术方面的瓶颈分析),还有对于生物医疗与集成电路的交叉学科发展趋势(如需要更完善的知识结构和传感技术完成生物分析检测等)。

从技术实现的角度来看,上述医疗应用中有关的信息工程在医疗电子领域面临的根本性问题可分为四个主要方面:

(1)数据采集:电子电路需要通过传感器来感知物理世界。在实际世界中的各种物理量需要首先转换成为电信号,之后才能够由集成电路进行处理。采用适合类型的传感器对适合的物理量进行采集,以及对传感器的接口进行完善的交互控制就显得尤为重要;

(2)数据处理:将外界物理量信息提取成电信号后,还需要做初步的信号调理和采样、变换、滤波等预处理操作,并将原始数据进行存储或是根据一定的算法做分析计算;

(3)数据传输:经过处理的数据还需要进行传递,通过由集总的控制设备进行数据融合后才能够判断。可分为基带通信和射频通信,前者大部分是电信号有线连接或是通过人体组织等导电介质,后者主要是用无线电磁波通过空气等介质;

(4)能量供应:对于一般的医疗电子设备而言,体积微型化和延长工作寿命是矛盾的,因为电源的体积往往与其可提供的能量大小成比例。这样就需要在进行低功耗、低能耗设计研究的同时,开发出新的能量供应方式如能量恢复、光电池效应、压电效应等,保证医疗设备(特别是便携式、植入式)的续航能力。

接下来以几个具体的研究课题项目为基础,针对不同的应用例做更深入的分析,来介绍一下目前国内在如下两个研究方向上取得的一些进展:

1)对较为基本的物理量如温度、脉搏等,待处理的数据量比较少,硬件系统的工作流程也非常类似,可以考虑采用一种具有共性的硬件结构进行实现。同时这些有共性的硬件系统还可以通过一种通信协议组成网络,实现人体区域的传感器网络。

2)在另一些特殊的应用中如人工辅助的听觉、视觉,以及智能内窥镜胶囊等,由于原始数据是语音和图像,过程中会涉及到傅里叶变换、数据压缩等更为复杂的算法,数据运算量相对于简单的生命体征信号要大得多,成为制约低功耗的瓶颈之一。

4实例

4.1 用于体征监测的传感器网络

无线人体区域传感器网络(Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一种能够满足前述应用要求的“通用”解决方案。它是进行人体生命要素信息采集与控制的小区域传感器网络,一般主要用于特定人群/人体的长时间健康状况监测、身体健康指标分析等。最典型的应用例为糖尿病患者、癫痫症患者、神经紊乱或衰弱患者,以及慢性心脏病患者等。通过这种网络内的可定制监测,人们可以根据实际需要对身体的一个或多个相关数据指标做连续采集监测,并通过良好人机交互界面进行控制。

1)WBASN的结构

WBASN通常由近人体区域的传感子节点和基站主节点组成。近人体区域包括体表测量、体内测量、探针测量和体检测量等。完成这些测量的传感子节点中包括前端的传感器件/能量转换器件,目标是由对有关健康状况的数据进行测量、处理和交换。基站主节点随时接受区域中每个传感节点的数据,并控制和调配这些传感节点的采集状态、休眠方案等,需要有能力做较大量的数据处理、累计、判断及交换。所测量的数据信息也都是与人体密切相关的,如心电、心率、血压、心音、肺音、血氧、呼吸、温度、加速度等。不同种类的数据采集需要不同的传感器件(能量转化器件,简称换能器),如单导电极、热敏电阻、惠斯通电桥、电流式传感器和3轴加速度计等。所有传感子节点的数据信息通过基站主节点进行统一的融合处理和分析判断,实现WBASN的基本功能。

图 3示出了简要的WBASN结构示意图。整个网络的基本功能是由传感子节点(位于体表或体内的粘附或植入式装置)完成的,如采集血压、温度等信息。这些信息由主节点(体外的便携装置,如PDA等)统一接收后进行数据融合,完成初步判断和处理,还可以给出信息的实时反馈、超限数据的安全警告等。另外,主节点还可以作为“网关”接入到因特网、GPRS等广域网络中,将本地的数据上传到远程服务器供医生远程诊断,实现远程医疗等。如果主节点初步判断后认为需要完成进一步的操作,会再次采集相关信息、给出警告信息或进行干预操作――给药、电刺激等,以实现慢性病护理或及时诊治。虽然这一网络的研究目前还处于实验室为主的原型验证,但是在一些应用中还是会或多或少的发现WBASN的影子:如前不久的“神七”宇航服中就实现了压力、心率、呼吸等传感器,采集的数据统一上传到宇航员之外的接收设备上,然后再发回地面指挥中心进行分析。

2)WBASN的子节点系统结构框图

一个典型的子节点系统结构框图如图 4,包括了传感器和电刺激驱动模块、模数转换器、微控制器MCU、数据流的预处理(协处理)单元、存储器和射频(RF)收发机,其中MCU与传感器模块之间还可以实现可配置的多标准数据接口、电源可视情况采用电池或无线供能方式等等。各模块连接后即可实现相应功能的子节点系统。若将图 4所示的结构进行高集成度的电路实现,就是片上系统(SoC)平台芯片。一种较为简单的平台芯片实现中不含有传感器模块和RF收发机(但包含对应的接口),通过外接(1)不同类型、不同功能的传感器件前端和(2)相同类型的射频收发芯片后,就可以完成相应种类数据信息的采集,进行一些预处理,然后与主节点建立通信并传输数据、接收配置等。还有一种集成度较高的SoC平台芯片中会带有片上RF模块,这样每个子节点系统就只需外接一个传感器芯片即可完成采集、组网等功能。SoC平台的作用是在功能异构的WBASN各个子节点应用中作为一个基础的“通用的”平台。

3)WBASN的子节点系统的设计重点

上述分析表明WBASN的近人体子节点系统的整体设计实现中,应该以超低功耗和高度集成的(SoC)设计为重点。于是就要综合系统的各方面需求,整合设计并实现出核心的数字微控制单元和电源管理单元,以便在达到功能上的灵活性、完备性的同时,实现系统的极低功耗。这些数字系统设计中的关键技术包括几个方面:(1)在各个功能相异的节点休眠间隔不等的情况下进行接入;(2)医疗用途的紧急情况下“给药”或“电刺激”的实时控制实现;(3)星型网络中单跳的组网方式对指令集的优化;(4)无线方式的节点功能更替;(5)兼容多标准的传感器器件接口;(6)电路级的低功耗技术如门控、多电压、异步电路设计等。在我们的研究中,综合考虑了上述方面进行了设计优化。这样还会带来很多其他的好处,如设计成本低、系统扩充性好、针对WBASN应用开发的软件/硬件效率高,等等。

下面针对上述子节点系统设计的几个关键技术进行具体说明:

第一,在低功耗方面,通过对具体实例的分析发现,“工作状态”和“空闲状态”的功耗一般相差20倍甚至更多,所以工作状态下的低功耗优化是首要任务。目前的绝大多数SoC实现方案基本上都是采用各种措施将工作时低功耗达到更低的指标。但是对于WBASN的具体应用而言,子节点通常都会处于非常低的工作占空比,也就是说在整个子节点寿命内的绝大多数时间里,子节点是在空闲状态的。如体温测量可以每1分钟测量一次,每次测量只需要几个毫秒;心率测量也只需要每100毫秒测量几个毫秒,等等。这样,子节点的总能量消耗往往更多浪费在空闲时的状态上。所以对于WBASN的优化需要从工作时功耗和休眠时功耗协同考虑完成,目标是提高电池的能量使用效率。

第二,子节点的实时控制。在许多研究中广泛采用了实时性操作系统(如TinyOS),其实只保证了子节点在工作状态下处理器处理各个任务的实时性。还需要子节点保证网络行为的“实时性”:如用于闭环施放药物的子节点系统,在接到主节点发来的“给药”指令之后应该以最短的反应时间给出操作。这就与低功耗的指标相矛盾:为了更快的反应速度,应该在空闲时采用“侦听”方案或者休眠间隔很短的方案――这样同时增大了空闲时功耗;反之,为了避免该给药子节点的电池能量大都浪费在空闲时状态,应该采用空闲时休眠的方案,并且该加大休眠间隔――这样在主节点开始发送唤醒要求(大多数这种时候都是紧急情况)之后还要等到子节点的下次定时唤醒才能够给出响应,最坏情况下的反应速度为子节点的定时唤醒周期。所以目前这一问题的解决方案就是空闲休眠间隔、侦听时间的折中选取。以具体数据进行分析:在“国内外研究动态”中的ADICOL项目中,胰岛素施放操作的闭环控制是每3分钟定时唤醒工作一次,以保证最坏情况下的给药控制延迟不超过3分钟。而保守情况下(按每天需施放胰岛素10次估计推算)都至少有97%的唤醒是不需要做给药的,这样就浪费了子节点大量的电池能量,降低了有效用能量的使用效率。

第三是功能的灵活性。由于每个子节点系统的RF模块和通讯协议都没有差别,所以通常的设计都主要考虑传感器接口模块的灵活可配置等等。很多现有的传感器件或芯片接口大致分为两种:模拟量(需要SoC提供ADC进行转换)和数字量(传感器自带ADC,仅需要满足相应时序)。已有的相关研究大多是基于这两类接口进行展开的。但是在不同功能的子节点系统内,除了传感器件前端需要采集的物理量类型和接口不一样之外,其软件程序在操作顺序、运算复杂度、处理方法等方面都有区别,SoC本身的软件部分就需要根据具体子节点的功能进行调整。如果在每个子节点设备封装前预先写好软件算法,还需要专门的“烧写”设备。我们的研究中采用一种可由主节点远程配置子节点软件的协议,就可以在满足“软件灵活性”要求的同时不引入其他设备。

4)总结

如前述,WBASN的优化重点在于子节点系统, 而子节点系统的核心是SoC平台。为了保证子节点SoC平台的超低功耗、高集成度、灵活性、高效率、可靠性等,需要SoC平台中的数字系统有完善的功能和异常处理能力、优化的结构、良好的可靠性和能量管理等。

系统内各个传感器设备(或称网络内“近人体节点”)的主要指标可以归结为:系统集成度,小型化/微型化,低功耗电路设计,无线遥感链路和信号处理算法等。除此之外,其他一些指标如服务质量、安全性、多传感器数据融合和诊断支持等也都是世界上相关领域内各研究组正在研究的课题。

4.2 带有植入式处理器的电刺激器

电刺激治疗方法是当今临床和日常的物理康复最常用的、重要的治疗手段之一,在心脏起搏器、人工听觉、人工视觉、脑电刺激等许多领域中有着非常重要的作用。该方法通过将一定量的电流通过特制电极施加到人体组织,实现促进恢复正常的神经传导和调节功能等治疗作用,不仅可起到镇痛、消肿、消炎、脱敏、缓解肌肉痉挛等功效,有时甚至还可以修复、替代某些受损的人体组织和器官。一般的电脉冲刺激时采用无极性微分型指数波形,由电荷相等的正负脉冲波构成,负指数脉冲起神经纤维去极化作用,正脉冲起电荷平衡的作用,可避免组织损伤。集成电路技术,特别是植入式的处理器控制应用在电刺激器中,可以完成复杂的信号处理,同时极大的保证操作的可靠性和无侵害性。

心脏起搏器是最早的医用电刺激仪器之一,它发放电脉冲,通过与心内膜相接触的电极导线,刺激心脏使之激动收缩,以模拟心脏的冲动发生和传导等电生理功能,起到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍。心脏起搏器的结构包括脉冲发生器(pulse generator)和电极-导线(lead)两大系统。脉冲发生器由电池、释放与调节电脉冲的电路和外壳构成。脉冲发生器控制起搏节律,犹如整个系统的“大脑”。现在的脉冲发生器是非常小的,一种典型的尺寸为5cm x 5cm x 6mm,重量在30克左右。

在正常的听觉系统中,声音的机械震动通过外耳和中耳之后,会在耳蜗的各处与基底膜发生共振。基底膜的振动带动毛细胞纤毛的振动,产生毛细胞的感受器电位,进而产生听神经的动作电位发放。脑的中枢听觉系统能够根据听神经中不同神经纤维的发放情况判断基底膜的振动情况,进而推断声音的频率成分。在一些患有感觉神经性耳聋的病人内,毛细胞由于多种因素如遗传、疾病等而遭到损伤或者数量减少,无法正常地驱动听神经。而人工耳蜗的基本工作原理就是绕过毛细胞这一环节,直接对听神经进行电刺激。于是这种电刺激的效果就好像是听神经被声音通过正常的基底膜和毛细胞驱动一样。

人工耳蜗只是一种听觉假体,并不能“治愈”耳聋或其他听觉障碍。人工耳蜗的工作是基于耳蜗的不同部分与不同声音频率之间一种规则的对应关系(频率拓扑性质)。一般需要使用更加复杂的处理方法以避免造成组织、电极损伤等一些不良影响。

视觉假体技术也属于功能电刺激的一种。大多数盲人的视觉通路中往往只有一部分发生病变,而其余部分神经组织的结构和功能尚完好。于是就能够对视觉通路的完好部位施加特定的人工电刺激,来兴奋神经细胞以模拟自然光刺激的效果,使盲人产生视觉感受。

视觉假体的工作原理与人工耳蜗相似。视觉假体系统包括一个位于病人体外的视频采集设备(如小型摄像机),视频处理模块,电刺激编码模块和植入到视觉通路特定部位的多电极阵列。由视频采集设备采集到的实时视频图像经过处理,转化为驱动多电极阵列的信号。多电极阵列对视觉神经组织施加一定幅度、波形和频率的电流刺激,兴奋视觉神经元,从而使病人产生视觉感受。

人工视觉刺激器主要包括视网膜刺激器、视皮层刺激器和视神经刺激器。其中视网膜刺激器发展最快。视网膜刺激器是在视网膜下或视网膜表面植入不同微电极,使外界光线转换成电流,通过微电极刺激并激活视网膜神经细胞及其网络,而产生光感。这种装置可使失明或接近失明的眼重新获得部分有用视力。其优点是可以产生较准确的视觉感知,而且所需电流强度较小,玻璃体有利于热量的散发,以及可直接观察到植入刺激器及植入后的反应。至今已有较多实验表明视网膜前或膜下芯片植入方法可行,有较好的生物相容性及长期稳定性,达到预期效果。

目前全世界范围内已经接受植入的病人较之佩戴人工耳蜗的病人要少得多。而且目前美国食品药品监督局(FDA)也尚未批准任何类型的视觉假体的临床应用。

下面以人工听觉的具体系统为例,详细介绍一下带有植入式处理器的电刺激器:

带植入式处理器的双模人工耳蜗系统

人工耳蜗就是通过电刺激末梢神经系统的方式来修复听觉的一种医疗电子装置。它把外部的声音转换为听神经需要的电刺激,将这种刺激通过植入电极刺激听觉神经,帮助传感性耳聋患者恢复(人工制造出)听觉。它是迄今为止治疗极重度耳聋唯一有效的方法,也是唯一被商品化的感官神经修复技术。目前各种人工耳蜗产品在设计上细节不尽相同,但它们的基本硬件构成和工作原理却是一样的。

1)人工耳蜗的硬件构成

人工耳蜗的基本硬件构成如图 6所示,主要分为体外和体内两个部分,其工作原理和流程如下:

(1)体外的麦克风首先把采集到的机械声音信号转换成模拟电信号;

(2)模拟电信号经过模数转换器转换成数字电信号;

(3)数字信号处理器(DSP)对数字声音信号进行分析并决定如何驱动埋植于耳蜗内的电极去刺激听神经,形成刺激指令序列;

(4)刺激指令序列经过调制后以无线电波的方式发送给体内部分;

(5)体内的解调器从无线电波中获取体内电路工作所需的能量,并对刺激指令序列进行解析;

(6)体内的刺激器对解调出来的指令序列进行译码,然后根据指令要求在电极上产生相应的电流,刺激听神经产生听觉。

2)新型全植入系统的应用

在当前植入式电池不足以支撑数字式全植入人工耳蜗系统,而模拟式全植入系统又存在着诸多缺陷的情况下,新型全植入系统的设计思路除了继续降低数字系统本身的功耗外,还可以在结构上进行调整,降低系统对电池的使用量。基于这些考虑,我们提出了带植入式处理器的可双模工作的新型人工耳蜗系统,如图 7所示。

该系统在体内集成了一套完整的语音信号采集、处理电路,以及与体外的无线接口,同时配有植入式电池。所谓“双模”,是指该系统既可以工作在不带任何外部辅助装置的体内单机模式下,如图 7(b)所示,也可以工作于体外语音信号采集电路与体内处理电路协同的联机模式下,如图 7(c)所示。从技术可行性的角度上讲,联机模式下的系统在当前的电路技术条件下是可以实现的,而单机模式则受制于电池容量和安全性等非电路因素。

这种系统的意义在于,通过两种模式的交替使用可以很大程度上减少对植入式电池的使用量。而且该系统包含了一个完整的全植入数字式子系统,对该系统的研究可以涵盖下一代全植入式系统的关键技术难点。也就是说,该系统的很多关键技术将可以直接应用到下一代全植入系统当中。实际上,在植入式电池的容量和安全方面的性能提升到一定程度之后,这个系统可以自然而然地转换成一个全植入式系统。

3)植入式数字信号处理器的低功耗设计

在双模系统中,最大的技术难题就在于植入式数字信号处理器(DSP)的设计(图 8),因为它几乎是整个系统里功耗最大的部件。传统人工耳蜗中的DSP 处在体外,对功耗的要求还可以宽松一些,毕竟体外的电池可以随便更换。而在新系统中,无论是哪一种工作模式,对DSP 的功耗要求都是非常苛刻的。在体内单机模式下,DSP 的功耗直接影响着植入式电池的寿命,而植入式电池又不可以随便更换,所以这种情况下DSP 功耗的重要性自不待言。在联机模式下,由于无线能量传输效率低下,DSP 的功耗将会被严重放大,这比DSP 在体外时的情况要恶化很多。

实际的设计和测试结果表明,基于开放源代码硬件的专用指令集处理器(OSH-ASIP)设计方法有助于提高效率并降低成本,同时可以有助于去除通用处理器中存在的冗余,从而提高处理器的执行效率、降低功耗。通过综合运用指令集简化、等待模式、循环暂存、存储器切割、操作数隔离和时钟门控等多种低功耗设计技术,在0.18μm CMOS 工艺下设计实现的一款人工耳蜗专用的低功耗DSP实际测量结果为:在10MHz 的时钟频率下执行连续交织采样(CIS)算法的功耗小于2mW,低功耗效果显著。

4)总结

就当前的技术水平来讲,数字式全植入的人工耳蜗系统仍然因为能量供应不足(功耗大而电池容量小)的缘故无法实现。但是除了功耗外并没有其他理由可以阻碍数字系统的进一步发展,况且相比于模拟系统中那些固有的缺陷,功耗实际上是一个会随着微电子设计和制造水平的提高而逐步得到解决的问题。因此,从长远看数字式全植入系统才是人工耳蜗系统最优的选择方案。

4.3 智能内窥镜胶囊

传统医用内窥镜(如胃镜和肠镜)需要使用光纤或电缆插入人体体腔内拍摄病征图像以供医生诊断,这些连接线会给病人带来很大不适,而且诊断存在盲区,并可能会有消化道伤损等并发症。智能内窥镜胶囊的出现给消化道疾病的诊断带来了便利,克服了上述缺点。如图 9所示,病人在吞服了胶囊内镜以后,胶囊依靠消化道的蠕动在其中缓慢移动。移动的过程中会采集人体内消化道的图像并以无线的方式发送至体外记录仪,并可以上传至基站以供医生诊断病情。胶囊内镜不会给病人带来不适,在检测时病人也可活动,而且它可以完成全消化道的检测,扫除了传统内窥镜存在的盲区。

1)智能内窥镜胶囊的发展历史

智能内窥镜胶囊(消化道胶囊内镜)的概念最早于2000年由以色列科学家提出并实现,之后Given Imaging公司生产出第一款商用的胶囊内镜产品Pillcam。最近的几年里各国的工业界和学术界相继开始对这种产品的研发,一些新产品和新技术陆续面世:日本的奥林巴斯公司推出的EndoCapsule产品在日本也开始商用;日本NORIKA Syaka RF lab正在研发用无线供能,代替电池供电的技术,以及控制胶囊内镜姿态的控制技术;韩国研究机构推出了以人体作为导体来直接传输信息的技术,用以代替射频收发机,目前也已成功地利用到胶囊内镜产品中。在可预见的将来还将出现集诊断、活检、给药及消化道行走等各种功能于一体的产品。

2)胶囊内镜的结构

完整的口服式智能内窥镜胶囊系统由胶囊内镜、体外便携式记录仪和工作站三部分构成。胶囊内镜是整个系统最为重要的部分,也是设计难度最高的部分,在集成电路设计时尤其要注意功耗等问题。外壳内的电路系统主要由五个部分组成,如图 10所示,包括一个商用CMOS图像传感器、白色发光LED、一个商用射频收发机芯片及天线、一块用于控制和数据处理的专用集成电路和两节钮扣电池。

商用的CMOS图像传感器位于整个胶囊的一端,负责采集消化道中的彩色图像数据。支持多种图像分辨率,最高速率可达30fps。高亮度的白光LED均匀地排布在图像传感器镜头座外的环形PCB上,在采集图像时提供照明光线。高性能、低功耗的商用射频收发机位于胶囊的另一端,保证胶囊系统的无线通信。射频收发机工作在433MHz的ISM频段,采用FSK的调制方式,有效码率最高可达500kbps。两颗1.5V的钮扣电池串联后为整个电路系统提供所需的能量。它们位于胶囊的中部,在图像传感器和射频收发机之间。用于控制和数据处理的专用集成电路位于图像传感器与电池之间,它将系统各部分的功能组合起来,形成完整的电路系统。

专用集成电路是胶囊内镜的控制核心(图 11),它由数字基带、电源管理单元和无线唤醒子系统三部分组成。其中数字基带部分主要实现通信控制和图像压缩两大功能。电源管理单元可将电池电压转换为系统各个部分所需的电源电压。无线唤醒子系统可以对密封在胶囊中的电路系统进行开启、关闭、复位和配置操作,提高了系统可靠性,也便利了产品的组装和生产过程。

3)胶囊内镜的低功耗实现

在胶囊内镜的电路系统中,射频部分消耗的能量一般超过总能量的60%。为了在不增加射频电路功耗的前提下缩短有效的射频传输时间,在系统的数字基带中引入了信源编码――图像压缩。这样大大减少了射频收发机发送一帧图像的数据量,也就相应地减少了每帧图像射频部分的能量,并且有利于进一步减小系统工作的占空比,延长电池的工作时间。

引入图像压缩功能实际上是使用数字电路的能量去换取射频部分的能量,而且数字电路的低功耗技术比较容易实现,使得降低数字电路的功耗相对于降低射频电路的功耗更为容易。因此,只要对图像压缩的计算复杂度做出仔细的评估,电路系统整体能量的降低不难实现。

目前智能内窥镜胶囊系统还没有正式的产品国家标准,但一般包括如下几个重要指标:

1)工作时间:至少为8小时,因为一般胶囊内镜通过人体消化道的时间为8小时。

2)尺寸:为方便病人吞服,胶囊尺寸一般直径为10~12mm,长度为20~30mm。

3) 图像帧率和分辨率:目前产品的图像帧率一般为2fps。当然,在满足基本工作时间的条件下,图像帧率和分辨率都是越大越好。

4)总结

基于上述胶囊内镜的结构,可以对其应用需求做出细致的分析,对系统的供电方式、体积尺寸、通信方式、工作时间、可靠性等要求进行综合考虑。分析和测量结果表明,在系统级设计上采用了图像压缩、双向通信和无线唤醒等功能能够满足性能要求,而且这些技术的应用对于有类似的大数据量、高码率的植入式电子医疗集成系统也具有参考价值。

目前国内有清华大学、中科院合肥智能机械研究所、重庆大学、重庆金山科技集团等单位都在分别从事这方面的研究。

5 结语

本文从医疗健康领域的社会需求、市场需求现状入手,对我国医疗电子产业面临的机遇进行了分析,并对其中的关键技术――集成电路技术应用做了基本介绍。多方面的数据分析表明,医学微电子系统研究设计的核心发展趋势可以归结为小型化/微型化、集成化、网络化、数字化、智能化。最后还通过几个在研项目实例进一步阐释了集成电路技术在医疗健康领域的应用。

第2篇

关键词： 任务驱动； 电路与数字逻辑； 任务型教学； 传统教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）06-61-03

The application of task driven teaching method in the course of circuit and digital logic

Xue Yuli， Sun Yan， Tang Yan

（School of Information Engineering， Shandong Youth University of Political Science， Key Laboratory of Information Security

and Intelligent Control in Universities of Shandong， Jinan， Shandong 250103， China）

Abstract： Aiming at the characteristics of strong practicality of the circuit and digital logic course， the task driven teaching method is adopted. Teachers design the task of real life closely related， and with the driving of task， guide students to analyze the function of task and divide the function modules， guide students to search for information， analysis and design， select components， fabricate and debug； by solving the practical problem， cultivate students' practical ability and stimulate their interest in learning. This education method of openness and innovation overcomes the disadvantages of traditional teaching methods， contributes to the cultivation of the application ability of students， improve students' ability to analyze and solve problems， and cultivate team spirit of cooperation.

Key words： task driven； circuit and digital logic； task driven teaching； traditional teaching

0 引言

“路与数字逻辑”是计算机科学与技术专业的一门学科基础课，在整个课程体系中占有重要地位[1]。该课程理论知识点多，涉及到的逻辑门电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与整形等内容较难理解，初学者无法实现思维的转变，从而在做实验时一筹莫展。传统的教学一般由教师循序渐进地讲授知识点，以小型简单的例子来加深学生的理解，这种教学方法的不足之处在于：学生在学习过程中只是掌握一些零散知识点的应用，没有建立起系统的思维方式，因此，在应用知识时缺乏整体感[2-3]。

本文探讨在“电路与数字逻辑”课程中应用任务驱动教学法，在教学过程中，教师设计与实际生活联系紧密的任务，在该任务的驱动下，指导学生分析任务的功能，划分功能模块，引导学生查找资料、分析并设计方案、选择元器件、制作调试，在这一系列的实际工程体验活动中增强对所学知识的理解，获得较强的动手能力和设计制作电路的能力。

整个教学过程由任务驱动，以学生为主体，注重学生实践能力的培养，同时注重团队协作、小组间有效沟通等综合职业索质的培养。学生在教师指导下完成一个任务的分析、设计、实现全过程。这种开放性、创新性的教育方法，克服了传统教学法的弊端，有助于培养学生的工程应用能力，提高分析问题、解决问题的能力，同时培养了团队合作精神。

1 任务驱动式教学法的特点

1.1 教学内容的重组

在教学中使用任务型教学法，首先要把理论知识进行模块化分解，合理划分成若干知识单元，以满足任务实施的需要[4-5]。“电路与数字逻辑”课程在开始的章节主要讲述了数字逻辑基础，其中一部分内容学生在之前的“计算机文化基础”课程中已经学过，所以可以将这部分内容适当简化。逻辑代数的基本概念、公式和定理，逻辑函数的各种表示方法和化简，半导体二极管门电路和CMOS、TTL门电路，这一部分中公式化简和分立元器件门电路在实际应用中已趋于淘汰，可以根据组合电路的设计需求重点学习逻辑代数的基本概念、卡诺图化简、各种表达方式的相互转换，并将其作为一个任务，引导学生掌握电路的各种表示方法之间的转换，通过电路仿真软件Multisim的使用，让学生对电路的软件仿真有一定的理解。组合逻辑电路的分析与设计，包含多种集成芯片的功能分析、使用与设计，可以分解为若干个任务，利用编码器、译码器、数据选择器、加法器和数值比较器等多种中规模芯片完成实际组合电路的设计与制作。触发器和时序逻辑电路的分析与设计，可以分解为多个任务，利用触发器、计数器和移位寄存器等集成芯片完成实用时序逻辑电路的设计与制作。脉冲波形的产生与整形电路和模数数模转换电路，可以分解为若干个综合设计型任务，切实提高学生解决问题的能力。

1.2 教师角色的转换

任务型教学法强调学生在教学过程中的主体地位，教师由知识传授者转变成一名向导，引导学生搜集资料、自主学习、小组讨论，激发他们学习的主动性和创新的设计思维[6]。集成电路种类繁多，在电子设计中不可避免的会用到不曾接触过的集成电路，因此需要培养学生阅读集成电路数据手册的能力。教师以某个集成电路芯片为例，引导学生学会查看集成电路的功能表，理解集成电路完成的功能，注意不同型号集成电路性能指标的区别，进而选择合适的芯片完成设计。

1.3 理论与实践相结合。

在日常生活中寻找设计任务，比如交通灯的控制、流动文字显示、数字显示温度计等，从身边有趣的题目入手，可以增强学生对所学知识的兴趣，提高其学习积极性，不会产生所学知识与生活脱节的感受。对于较难理解的知识点，鼓励学生搭建验证性电路，观察电路的运行状态，思考为什么会出现这种结果，加强对知识点的理解。

1.4 被动学习转变为主动学习

在任务型教学法中， 为了完成任务，学生必须主动查找资料，主动思考解决问题的办法，与小组成员讨论完成电路设计。在教师的指导下，学生自主完成电路的制作与调试，遇到电路故障，需独立思考问题，观察实验现象，运用仪器仪表来检查出现某种现象的原因以及解决办法。这种任务式教学方法，大大提高了学生的学习兴趣，使得学生由过去的被动学习转变为主动学习，提高了该课程的学习效果。

这样，学生在明确目标的任务驱动下，将所学理论知识与生活实际问题联系起来，对所学知识点能够灵活运用，通过分析、设计、制作、调试电路，这个过程中，学生通过小组成员合作，共同完成一个综合任务，过程中可以互相讨论、有效沟通，既学到知识，又学会独立思考、与人沟通、分析策划、动手操作，不但可以⑺学零散的知识点串联起来，还可以提高团队协作、沟通能力、创新能力、解决复杂问题的能力，学生可以逐渐成长为应用技术型人才。

2 任务驱动式教学法的实施

任务驱动式教学法需要对课程的基础性实验、综合设计性实验和提高发挥性实验，分别分配一定比例的课时，教学过程包括任务分析、设计制作、成果展示几个阶段。

首先对全班学生进行分组，根据学生自愿的原则，每组3人，尽量使各个小组的总体能力相当，每个成员轮流担任组长，负责电路总体设计、小组成员之间任务分配、与教师沟通和成果展示等。

⑴ 分析任务。任务来源于实际生活，教师负责指导学生分析任务，明确需要哪几个功能模块实现该任务，针对涉及的知识点，引导学生查阅资料自学。教师可以将本任务的实物教具示范给学生，让学生对任务的基本功能有直观的了解。

⑵ 设计制作。根据所作的任务分析，小组成员查阅资料、制定方案、设计电路。首先使用电路仿真软件进行电路功能仿真；然后组长对成员分配功能任务，在实验室小组成员自主完成电路制作和调试，教师在旁边进行指导。遇到电路问题时，应充分利用仪器仪表，耐心检查，可寻求教师帮助，还可以上网查阅解决问题的方法，这样能锻炼学生的动手能力和解决电路故障的能力，进而提高学生的专业技能。

⑶ 成果展示。任务完成后，由小组长负责成果展示，将电路设计过程、制作中遇到的问题及解决方法与同学分享，在查阅资料过程中学习了哪些新的知识，实现结果与设计期望有哪些不同的地方。这个过程可以让学生加深对理论知识的理解，同时锻炼了表达能力，学生之间可以取长补短，对设计进行改进，有利于培养学生的创新意识和创新能力。针对每个小组的实际电路设计和成果展示，教师和其他小组共同给作品打分，作为一次实验成绩。

成立电子协会，开展第二课堂作为该课程的有力支撑。电子协会可以组织学生走进电子市场，了解市场上不同功能芯片的价格，然后查看它们的性能，对芯片的性价比做到心中有数，在实际设计电路时才能选择最适合的芯片去完成设计。以协会为载体，教师带领学生开展实用的设计项目，鼓励部分优秀的学生设计、制作和调试实用的电子产品，培养学生的团队协作能力和创新精神，增强学生理论联系实践的能力。通过校级电子设计竞赛，筛选出优秀的学生，参加国家级的电子设计竞赛，充分发挥学生的自主学习能力和创新性，让高一届的学生带动低一届学生，能力强的带动能力弱的，形成互帮互助、共同成长的氛围，增强学生的专业兴趣，提高专业技能。

3 结束语

通过在计算机专业学科基础课“电路与数字逻辑”中引入任务驱动式的教学改革，从生活中的实例入手，带动理论的学习和电路的设计制作，大大提高了学生的学习效率和兴趣，培养其独立探索、勇于开拓进取的自学能力。通过对一个完整任务的分析、设计和实现，学生获得了满足感和成就感，从而激发了他们的求知欲望，形成一个学习的良性循环。通过小组讨论和分工合作，增强了学生的团队合作意识。这种开放性、创新性的教育方法，克服了传统教学法"只见树木，不见森林"的弊端，有助于培养学生的工程应用能力，提高学生分析问题、解决问题的能力。

实践证明，任务驱动型教学法把理论教学和实践教学有机地结合起来，其实质是追求探究式学习，学生处于积极的学习状态，每位学生根据个人对任务的理解，查阅资料，将所学知识和自学知识融合提出方案、解决问题，课堂教学过程充满了民主和个性，课堂氛围真正活跃起来。学生在学习过程中提高了学习兴趣，从被动学习转变为主动学习，学生提出问题、分析问题和解决问题的能力得到提高，专业技能也迅速提高。

参考文献（References）：

[1] 王瑞峰，殷刚.任务驱动教学法在数字电子技术课程中的应

用[J].中国职业技术教育，2012.32：81-84

[2] 姜春燕.项目教学法在数字电子技术教学中的研究和实践[J].

中国电力教育.2010.35：51-52

[3] 叶晶晶，马晓春.“数字电子技术”课程工程教育培养的探讨[J].

电气电子教学学报，2015.37（4）：27-29

[4] 吴游.任务驱动教学法在数字电子技术课程中的探索和设

计.教育教学论坛[J].2015，31：133-134

[5] 白顺先，樊荣.项目教学法在“数字电子技术”课程中的探索[J].

现代计算机，2015.5：26-29

第3篇

关键词：纳米尺度互连线 集总参数模型 电路仿真 CMOS射频集成电路设计

中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0176-02

1 引言

随着半导体技术的发展，纳米尺度的CMOS工艺射频集成电路（RFIC）在工业、科技、医药医疗的应用越来越广泛，且其工作频率已经进入微波、毫米波段，如X波段、Ku波段及60GHz应用等[1]。然而，当电路的工作频率进入到这种高频频段时，电路模型的精度是电路能否成功实现的关键所在。在电路版图设计之后，通常是利用Assura和Calibre等工具来获得互连线的寄生电阻和寄生电容。然而，由于电路的寄生电感比寄生电阻和寄生电容复杂且精度低，很难利用版图验证设计工具得到寄生电感值，因此，需要借助于电磁场仿真软件对传输线进行准确模拟。然而，在电路设计初期通常需要考虑用于互连的微带传输线对电路性能的影响，传统单纯利用电磁场仿真软件进行参数提取的方法无法准确根据设计要求进行参数调整。本文构建了基于物理特性的互连线模型，该模型的寄生参数通过传输线物理特性和电磁场仿真软件得到，易于计算和电路设计分析。同时，该模型的参数和频率无关，易于电路分析，适用于射频集成电路的设计。最后，论文详细论述了将模型用于集成电路设计中的流程。

2 互连线寄生参数仿真模型

射频集成电路设计中使用的互连线结构按照其类别可分为两类：第一类是微带线是以芯片衬底地作为其地平面，第二类是互连线是以某一金属层（通常是第一层金属M1）作为其地平面。对于这两类互连线结构而言，采用衬底地平面作为公共地平面的互连线比采用底层金属M1作为公共地的互连线更加灵活，因为在实际电路设计中受限于电路结构，其底层金属需要作为信号线进行器件之间互连，这种情况下需要采用第一种结构来实现信号互连。然而，使用底层金属M1作地线可以隔离衬底，减少衬底的损耗，因此在集成电路设计中两种传输线结构相互并存。

图1是互连线的模型图，该模型为单π集总参数模型，与常规的电感π模型相似[2]。图1中模型并联部分表示寄生电容和电阻，串联部分表示寄生电感和电阻。在设计窄带宽的电路时，尤其是进行放大器电路设计，关注的是工作频率附近的参数。所以，方框模型可以视为独立于工作频率，即模型在窄带电路设计中依旧可以使用。模型中，电感L2和电阻R2为互连线自身的分布电感和分布电阻，包含了集肤效应和邻近效应对电路的影响，而并联电容和电阻为导线和衬底之间等效电容和等效电阻。

对于该传输线模型，其离散参数的矩阵近似于模拟值和实际测量值。根据等效规则，电路的参数都可由Y参数推导得出[3]。在得到每一模块的参数后，串联电感值，电阻值和并联电容值都可以求出。

根据等效规则，工作频带的S参数应该与模拟和测试值相同。根据对Y矩阵的定义，可以推导出以下公式：

式中，为工作频率，函数real（）和函数imag（）分别代表着复数的实部和虚部。

以上的公式对于大多数传输线是可用的，无论传输线是否对称。在大多数情况下，传输线的Y1，Y3部分在结构上并不对称。但是，当两端口的反射系数的值相同时，将出现对称的特殊情况。此时传输线可化简为相同的部分，且可从电报方程中得出各元件的值。

在以上的分析中，电容，电感和电阻分别是频率的参数，而本模型中各部分数值处理成和频率无关的数值，这将在电路设计中产生误差。由于替换产生的误差可有下面公式得出：

是仿真实际S参数值，是模型的S参数值。

通常，当电路的频率与正常工作频率差异较大时，由于集肤效应和邻近效应，这个误差将会造成更加严重的影响。依照上述的模型，我们利用电磁场仿真软件ADS-Momentum构建了互连传输线，该传输线采用第二类结构，该传输线位于的TSMC 0.18um射频/混合信号工艺的第6层金属上，金属线宽6um，线长115um。工作频率为10GHz，根据公式（2）得到集总参数模型各个参数如下：

为比较模型和实际电磁场仿真数据之间差别，公式（4）中各个数据对应模型的S参数和电磁场仿真软件得到的S参数进行了对比，图2是采用电磁场仿真软件ADS-Momentum和模型部分参数对比，从图中可以看出，电磁场仿真软件的模型和本模型S参数的误差远离工作频率段误差越大，这是由于公式（2）中对频率进行了近似处理，远离工作频率的点采用工作频率来代替，由于这种代替，数据之间误差越大。在其偏离中心频率50%位置处（即15GHz和5GHz），模型和Momentum仿真数据的差异低于5%。在实际电路设计，通常需要电路设计师关注于传输线寄生参数对电路性能影响，此时工作频率点附近模型简易、准确是电路设计重点，而偏离工作频率点的模型误差在窄带电路设计是可以接受的。

3 模型在射频集成电路设计中应用

CMOS射频集成电路设计是利用已有的有源器件和无源器件模型进行电路设计。传统的集成电路设计首先进行电路原理图设计，然后进行电路版图设计，再进行参数提取，在参数提取中主要利用Cadence系统自身已有的仿真工具Assura来实现，在参数提取结束后再进行后仿真。当电路设计不满足要求时，需要重复上述过程，然而，在上述的传统集成电路中，由于参数提取过程的参数为分布参数，难以直接用于电路O计参数调整。同时，传统的参数提取方法只进行了电阻和电容的参数提取，而对寄生电感没有进行提取，这将导致电路设计的预期结果和实测结果出入较大。

为克服传统的射频集成电路设计的上述不足，可以将本论文的参数模型和集成电路设计相互结合。图4是本论文的模型应用于射频集成电路设计中流程图，在原理图和版图设计中依然类似于传统的集成电路设计方法，但版图设计及参数提取时将版图中的互连线单独分离出来，利用电磁场仿真软件ADS-Momentum电磁场仿真，仿真结束后利用模型将其中的各个互连线参数提取出来，由于互连线的宽度、长度和图1中模型的各个参数密切相关，故将互连线得到的各个参数代入到版图后仿真设计中，检测互连线参数是否满足电路设计要求。如果互连线参数满足设计要求，则电路设计完成；否则，根据要求适当调整互连线参数，并判断调整后参数是否满足电路设计要求，如果满足电路设计要求，则依据重新设计的要求进行版图调整，完成电路设计。如果调整后的互连线参数依然不满足电路设计要求，则依据要求进行原理图设计调整，然后依次重复上述过程。如图3所示。

从上述的电路设计流程可以看出，在射频集成电路设计中应用本模型可以及时了解电路中的各个互连线参数，根据电路设计要求调整互连线参数，满足电路设计要求。在整个设计流程中，首先根据互连线提取参数判断是否满足电路设计要求，进而根据设计要求调整互连线参数来满足电路设计要求，这将简化传统电路设计循环，减少电路设计时间，同时通过互连线参数调整将互连线作为电路设计的一部分进行综合考虑，这将有助于提高电路综合性能。

4 结语

本文提出了适用电路后仿真的纳米尺度互连线模型，该模型基于物理意义而构建，模型的各个参数皆为集总参数，各个参数都可以通过电磁场仿真软件而获得并在集成电路设计中进行调整。该集总参数的模型结构简单，易于使用，适合于CMOS射频集成电路设计分析中使用，同时文中给出了该模型应用于射频集成电路设计的流程并分析了其特点，分析表明采用文中模型可以根据电路设计要求进行调整互连线的尺寸，并可将互连线参数作为电路设计的一部分进行综合考虑，有助于提高电路综合性能。

参考文献

[1]A.Niknejad， “Siliconization of 60 GHz”， IEEE Microw. Mag.， pp.78-85，Feb.2010.

[2]J.Rong， M.Copeland，“The modeling， characterization， and design of monolithic inductors for silicon RFICs”，IEEE Journal of Solid-state Circuits， Vol.32，No.3，pp.357-369，March 1997.

[3]廖承恩.微波技g基础，西安：西安电子科技大学出版社，1994.12.

收稿日期：2016-09-28

第4篇

关键词：电力输配电线路；节能降耗；工程；应用

我国是人口大国，对任何能源的需求量都非常大，电力能源作为支撑我国工业发展、经济繁荣的重要能源，在我国国民经济中占有很重要的地位。电力系统的巨大损耗对我国的长久发展是极为不利的，而且城市配电网是电力系统能量损耗的主要部分。因此，对配电网使用过程中的能量损耗和浪费现象必须进行严格整改，实现对配电网线路能量损耗的降低和节省，促进其对经济效益的提高。由于符合增长速度快但配电网建设投资相对落后，因此，配电网在节能降耗方面具有很大的发展潜力。对城市的配电网进行节能降耗工作的进行能够在很大程度上节省电力用户的电费支出，提高企业的经济效益，节省电力企业的电量，以供更多的用户使用，不仅减少了用户的费用支出，而且增强了供电能力，改善了电力供应不足的现状；另外，更重要的是，能够实现对我国整体能源的节省利用、减少环境污染、优化资源配置，对我国的整体发展起到促进作用。

1 加强电力输配电线路节能降耗技术的必要性

首先，为了减少主干线的长度和水平电缆的敷设长度，同时方便消防切除非消防的电源，使输出电流较小，减小线路的损耗，需要在建筑物中使用技能降耗技术。

其次，当前的许多用电设备都是电感性负荷，会产生许多无功的滞后性电流，这种电流一经流出并经过高低压线路后，穿入用电设备的末端，线路的功率消耗就会增大，造成对电能的浪费。因此，需要对这种现象进行相应的改进，使这种电流的流出减少，从而提高功率，降低功率消耗。

再次，在供配电线路中会存在有增加电能损耗的谐波电流，它会危害到个供配电线路及其设备。因此，对这种电流的抑制不仅可以保护供配电的线路和设备，而且还可以减少能量的消耗。

2 实际过程中节能降耗的具体措施

2.1 优化电网规划

电网规划就是通过对城市电网的进行规划的总体过程中的计划方案进行合理的调整，实现线路节能降耗的目的。电力部门可以充分利用专业的技术手段对电力设备进行相应的调整。也可以从源头做起，即在对电力系统的自动化设计上就作出必要的调整，另外，对线路损耗的内在检测也是降低电能损耗的有效手段。通过对这些手段的利用，实现对电网规划方案的合理选择，从而有效降低输配电网络的高效低能运行。

2.2 通过电力变压器节能

输配电变压器是输配电线路损耗的主要内容，要对其损耗进行合理的控制，科学的措施是相当重要的，其中，利用节能型的变压器作用比较大，能够有效降低整个输配电网的损耗。在降低输配电网的能量损耗过程中，对低损耗的容量的合理配置，而且使用新材料进行对配电变压器的空载损耗值的降低，是一项行之有效的措施和途径。

2.3 保证变压器的经济运行

在传输电量相同的条件下，选择不同的变压器运行方式，会对变压器的能量损耗有所影响，进而可能会导致其对电能的浪费，达不到节省能量、降低损耗的目的。对于变压器的经济运行，只需要科学管理供电和用电工作，就能够达到节省用电和提高功率的目的，而不需要增加对其的资金投入。变压器的质量，也就是运行参数，和变压器的容量、电压器等级、铁芯材料质量等反面有着密切的联系，在选择变压器时，只需要对这些参数进行合理的选择，就可以达到提高变压器的节能降耗的目的。

2.4 对变压器设备的更新

变压器的设备性能将对电流流入后的电能利用产生很大程度的影响，老式的变压器在使用时会产生大量的热，散失于设备之外，造成严重的能量损耗。新型的变压器对这种现象有较好的改善，能够有效减少电流流经变压器时造成的能量损耗，明显能够降低该过程中的能量利用，节省能量。因此，在对变压器进行购买时，需要选用新型的节能变压器，有效降低能量损耗。

3 总结

总之，电力能源是我国在新时期发展过程中各项事业顺利发展的有力保障，如果电力系统出现了问题，整个国家的运转将处于瘫痪之中，人们的生活将停滞不前。因此，在电力输配电线路中注重对节能降耗的实施是非常有必要的。在具体的实施过程中，需要根据实际情况，采取科学合理的措施，真正做到节省能量和降低能量损耗的目的。

参考文献：

[1] 袁力.李彦国.电力输配电线路节能降耗技术饼究与工程应用[J].电子世界，2014，8（5）：57-58.

[2] 孙凯.浅谈节能降耗技术在电力输配电线路中的运用[J].黑龙江科技信息，2011，15（31）：44.

第5篇

【关键词】 智能电网 电力通信网 集成电路 通信

一、引言

目前，坚强智能电网则是我国全面电网建设的目标，其通信系统的特点则是体现出实时性、双向性、高速性和集成性。在柔性电力体系、双向通信系统中，能够保证电网安全，有效提高电能质量，具体实现相关的电路拓扑管理、受扰后电路自动重配、故障定位以及电网系统的负荷评估等功能。但是通信技术在电力系统中发展十分迅速，包括多种技术，主要有无线通信、电力线载波通信、光纤覆盖技术、RS485总线技术等。不同技术都有着自己不同的特点，在链路及终端价格、通信距离、带宽、保密性等各个方面都有各自优势，为了满足未来电力通信网的灵活、高速特点，必然根据系统需求进行相关的综合通信技术发展。文主要针对集成电路在电力通信网中的应用进行具体分析和讨论。

二、集成电路在电力通信网应用分析

电力通信网中的通信系统经过分析，一般在逻辑上可以简单分为三层，即物理与网络层、传输层和应用层。不同的集成电路都在每一层相对应的使用，同时，这样多层协议也集成在集成电路中。在物理层中，主要包括数据的打包、翻译网络地址到对应的物理地址，可靠性传递数据、物理连网媒介；在传输层中，则主要负责数据的加密、解密等、相关的数据安全等方面；在应用层中，主要负责格式化在网络能理解的方案下的数据，并且能够根据要求的网络类型的不同而进行不同类型你给的格式化处理。

2.1 物理与网络层

（1）RS-485。在机电一体化产品、多媒体网络、仪表、仪器以及其他工业控制中，已经广泛应用相应的RS-485接口芯片。在飞速的智能电网发展过程中，联网实现数据和控制信息的交换成为一种必然，这在继电保护设备、电网一次设备等各种电力设备中更是基本要求。其中，联网功能并不能在RS-232芯片中实现，这是因为其是点对点的通信方式。而对于RS-485接口芯片来说，则不存在这个问题，能够在不同场合选择不同的功能要求的RS-485接口的芯片来使用，完全能够满足电力设备的通信要求。通过应用RS-485接口芯片，为了保证智能电网的安全与稳定，应该保证芯片具有通信速率快、终端匹配性好、光电隔离特点，并且能够进行有故障保护、抗电磁干扰和终端反射、抗静电雷击的功能。

（2）光纤。在光纤通信系统中，主要有三部分组成，包括光发送机、光纤和光接收机。发送的信号由发送机首先经过一定的模数转换，带有信息的光波的发出，则是利用相关的转换后的数字信号调制发送机的光电器件来实现。光接收机能通过光纤传输而接受到光波，光波中的数字信息也就能够相应解调，这在一次的光纤通信全过程中，就完成了数模转换恢复原始信号的过程。光纤通信系统的基础则是集成电路，其对于光信号的调制、解调、放大、检测具有非常重要的作用，能够保证光信号的顺利通信。在未来的智能电网的光纤通信系统中，应该充分综合利用并且统一规划相关的各类数据、图像和语音通道，这样能够把继电保护、电网自动化、和管理信息系统相关的数据信息进行有效整合，能够有效保证电力系统安全稳定运行，所以说，光纤通信将会成为电力系统生产生活中非常重要的内容。

（3）PLC。双向通信能力需要在电网中具备，以满足现代电网的智能化要求。对于电力线载波技术（PLC）来说，其具有独特优势所在，在智能电网的通信技术中是一项关键技术，并不需要对于新的通信线路进行架设，障碍物和距离也对传输没有任何影响。分析在智能电网通信中的网络部分，主要有个域网（HAN）、临域网（NAN）和广域网（WAN）三个部分。其中，在个域网终端间的通信、临域网的数据传输和广域网的中压部分能够成功应用相应的PL技术。在智能电网的物理层中，PLC应用主要负责调制解调网络层传输的数据包，在这方面的应用最为广泛。另外，在从应用层获取的数据以后，按照相应的PLC在网络协议层的要求，可以转换为PLC网络可以理解的数据，同时，网络功能具备管理和控制通信；用电信息并执行通/断控制则是应用层的主要任务，另外，PLC通信传输数据给网络协议层也会有所涉及。最近，工控领域中的的电力线波芯片应用增长非常快，一般分为数据传输领域、多媒体传输领域、指令传输领域等几个方面，这是从载波芯片应用功能的分类。比如，道路监控、楼宇监控、石油开采监控等这些的音视频多媒体传输的应用都是采用多媒体传输领域的芯片；智能家居、远程抄表等方面则是采用指令传输领域的芯片；电力宽带网络终端设备电力Modem中则是主要采用相关的数据传输领域方面的芯片。

（4）无线。在智能电网通信体系中，不断涌现出新的无线通信技术，消费类领域已经广泛应用了CMOS集成收发信机，但是，在电力系统与用户侧方面的技术还不能有效应用，几种比较常见的且有一定应用潜力的无线通信标准包括3G移动通信；WiFi无线网络；Zigbee。

2.2 传输层

开放性和系统复杂性则是现代化智能电网的重要特点，这就必须注意外界交互中的侵扰问题。一方面要求智能电网具有自己保护能力，一方面还应该具备一定的自我修复功能。在考虑电网自动化系统的安全方面，涉及到的因素比较多，包括物理环境、数据信息，相关的硬件、软件的设计、实现和运行等，还包括相关的越来越推广的智能电表等设备，所以说，电网安全是一个重要问题。

可信任平台模块TPM就是所谓的安全芯片，其在内部能够拥有独立的处理器和存储单元，完成相关的独立地密钥生成、加解密的操作，并可以对于密钥和特征数据进行存储，还能帮助电脑实现加密和安全认证服务。安全芯片应用比较广，能够应用在智能电网的用户端信息安全，以及智能电网的链路层数据传输中的安全中。

采用的方式在实际操作过程中则有两种，用对称加密算法加密数据，用非对称加密算法管理对称算法的密钥，主要特点就是能够把两类加密算法的优点进行综合集成，满足了快速加密且安全方便管理密钥的要求。

2.3 应用层

在变电站自动化的通信协议中，主要应用IEC61850，其中，过程层、间隔层和变电站层则构成了变电站通信体系的三个层次。在抽象通信服务接口映射下，变电站层与间隔层之间的网络能够传递到TCP/IP以太网或光纤网、传输控制、制造报文规范（MMS）中。点向多点的单向传输以太网则是间隔层与过程层所采用的方式。其中，信息通过网络交互，这在变电站的测控设备、智能设备、继电保护装置中都是采用相关的统一协议。

高稳定性、集成化、智能化以及模块化则是电力自动化设备的发展趋势，为了更好实现通信协议的芯片化，一定要加大自动化变电站的IEC61850专用通信芯片的研制工作，因为这样能够有效提高设备可靠性、提升标准化程度、使得系统设计的复杂性大大简化、节省智能化配电设备开发的难度和成本。

三、结语

在现代化坚强智能电网建设的大潮中，为了实现安全化、互动化、数字化和信息化的下一代智能电网，就应该不断加强以集成电路为核心的通信系统研究。再结合相关的集成电路在网络层、传输层和应用层应用基础上，对于当前技术发展进行分析，提出了电力通信集成技术发展情况及存在的不足，明确了未来电力通信系统的集成电路一定会朝着多功能集成、一次设备就地化、统一专用标准的方向发展。

参 考 文 献

第6篇

关键词：多媒体；仿真；电路

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 06-0172-02

随着半导体集成和微电子技术的迅速发展，集成电路的品种和数量与日俱增，应用也越来越广泛，集成电路变得无处不在。集成电路的使用大大简化了电路的设计，并且使系统及设备的性能指标得到了很大提高。《集成电路原理与应用》课程作为电子测量技术与仪器专业的一门职业技术基础课程，其内容涵盖电路基础、模拟电子技术和数字电子技术等多门课程[1]。在本课程的教学中，我们充分利用了多媒体教学方式，以动画形式展现集成电路的相关知识，大大激发了学生学习的积极性，大大丰富了教学内容，同时，我们充分利用了计算机软件仿真技术，将集成电路的典型应用电路通过ProtelDXP进行仿真实验，摆脱了有限的实验环境的限制，让学生在学习集成电路相关知识的同时掌握了先进的计算机辅助工具，最后，我们给予了学生在万能板上实现电子电路的机会，学生通过亲身体验制作和调试电子电路的过程，让学生具备了一定的分析问题和解决问题的能力，同时收获了通过自己努力实现目标之后的成就感。经过教学实践表明，本课程的教学内容容易实现，安排合理，学生参与的积极性高，取得了很好的教学效果。

一、教学内容的安排

本课程的内容繁杂，讲授时间有限，因此结合我院电子测量技术与仪器专业人才培养方案的要求，将本课程的教学目标定位于应用，教学的重点在于典型集成电路芯片及其典型应用电路的分析讲解、仿真和制作。首先应用线性集成稳压器制作出5～15V可调稳压电源，以供后续的集成电路应用电路使用。接着应用运放集成电路、定时集成电路、功放集成电路、非门集成电路和与非门集成电路制作出贴近生活的电子电路。具体教学内容如表1所示。

二、教学实施的特色

（一）充分利用多媒体教学方式

随着现代科技的发展，我们已经进入了一个信息化的时代，多媒体已经广泛的用于教学领域。多媒体教学以声音、图片、动画等丰富的媒体形式最大程度地调动了学生的视听感官系统，充分展示了教学手段的多样化，改变了传统的“一张嘴一支粉笔一块黑板”的教学模式，为现代教育改革注入了新的生机和活力，从而为本课程改善教学效果带来了福音。

本课程所涉及的集成电路芯片众多，受到经费的限制，不可能一一购买给学生展示，但是采用多媒体教学方式后，就可以将典型芯片的图片一一展示给学生，大大降低了教学成本，同时也丰富了学生的视野。另外，有些集成电路的典型应用电路很多，如果采用板书的方式，受到课时的限制，不可能一一给学生讲解，但是多媒体教学可以迅速地把课程资源显现在学生面前，可以大大节省教师板书的时间，使教师可以传授更多的知识，从而提高教学效率。同时，在电路的展示中配以动画，丰富了电路的生命力，从而大大激发了学生的学习积极性。

（二）充分利用计算机软件仿真技术

随着电子技术和计算机技术的快速发展，电子产品的设计与计算机的联系越来越紧密。作为以社会需求为第一要务的高职教育，在《集成电路原理与应用》课程的教学中，我们充分利用现有硬件条件，充分利用计算机软件仿真技术，培养学生应用集成电路设计和分析电子电路的能力。

我们在教学中使用的软件是ProtelDXP，学生已经在前续《电子CAD》课程中学习了如何使用该软件设计和仿真电子电路。使用ProtelDXP作电路仿真的基本流程[2]如图1所示。

在本课程的学习中，学生在ProtelDXP中通过选择元器件、连接电路、确定元器件参数实现集成电路的应用电路，还可以方便地对电路进行测试和修改，有助于增强学生对学习内容的感性认识，培养学生主动思考的能力，而且可以将本专业所开设的课程联系起来，实现几门课程之间的融会贯通，促使学生学好相关专业课程，并且做到学以致用。

（三）动手制作电子电路

电子产品的设计与制作要求学生有较强的实际动手能力，因此，在本课程的教学中，全班学生以小组（一般4-5人一组）为单位，要求学生在已经绘制好的电路原理图基础上设计出单面PCB图，然后在万能板上制作出相应的电子电路。

学生在电路原理图和单面PCB图的指导下焊接并调试电路。在整个制作和调试过程中，教师主要起指导作用，在必要时帮学生分析故障产生的原因，而学生才是主体，一切问题得由学生自己动手解决，从而大大提高了学生学习的主观能动性。

制作和调试电路在整个教学过程中占用时间是最多的，无论多么简单的电路，总是会有个别小组出现问题。但是，学生正是在不断发现问题、解决问题的过程中加深了对所学知识的理解。另外，电路的调试离不开常用电子仪器仪表如万用表、示波器等的辅助，这也让学生实际体会到了在《电子测量技术》课程所学习知识的实用价值。

三、结束语

在本课程的教学中，通过任务引领，结合先进的计算机技术，学生在学中做，做中学[3]，学做结合，充分调动了学生的学习兴趣和积极性，学生的出勤率很高，而且参与率很高。学生通过动手制作和调试电路，学习能力和动手能力有了较大提高，从一开始遇到问题不知如何是好，到最后能够查找电路中的简单故障，可见学生解决问题的能力有了一定的提高。但是，也存在一些问题。首先，本课程的教学对教师的要求较高，教师不仅要具备深厚的理论知识水平，还要了解集成电路在实际应用中的情况，这就需要加强与企业间的联系，在这方面需要进一步加强。其次，在当前的教学中，受到成本和课时的限制，集成电路芯片多采用引脚数量少的插针式元件，避免使用引脚数量多或贴片封装形式的元件，这与当前集成电路在实际使用中情况有点相悖，在今后的教学中需要改进。

参考文献：

[1]向继文，刘昕.“集成电路原理及应用”教学改革[J].中国电力教育，2011，193（6）：179-180

第7篇

[关键词]应用技术教育 电路 教学方法

《电路》课程是研究电路及磁路现象的基本规律及分析方法的一门技术基础课，是电气设备施工与维护专业的重要基础理论课。但该课程概念多，理论性强，与数学课程联系紧密，题型灵活多变。而应用技术本科学生来自中专、技校、职高，学生难以驾驭。因此，如何激发学生的学习热情，提高教学质量，为后续专业课程打好基础，一直是应用技术本科《电路》课程教师关注、探索的问题。本人结合多年来的教学经验，在此谈谈几点看法。

一、明确学习《电路》课程的目标及重要性

电路的能源提供者―电能，在工农业生产、国防、科技及日常生活中得到了广泛的应用。我们应用技术本科教育是培养具有职业定向性的技术型、技能型、应用型、复合型人才的高等教育，面向地方，为地方服务。《电路》课程是 一门基础学科，其内容必须与后续专业课相结合，其基础理论，以必要够用为度。减少数理论证，以掌握概念，突出应用，培养学生技能为教学重点，为后续课程打下良好基础。

二、以人为本，因材施教

《电路》作为一门机电类专业基础课，其中涉及大量电路分析、计算，而其中的计算涉及到数学知识、如三角函数、复数、拉普拉氏变换等。如果学生基础知识掌握不牢固，将直接影响到《电路》的正弦交流电、三相电路及复频域分析章节的学习。只有掌握学生的基础情况，才知哪部分内容是学生的薄弱环节，才能有的放矢地教学，提高教学质量。

三、重视学生学习方法的培养，提高教学质量

学生步入大学，首先学习的专业基础课是《电路》课程，学生学习的思路、领悟性较弱，且《电路》这门课程概念多，定律多，相互间容易混淆。因此，在教学中不仅要讲究教法，而且要给学生学习方法，想方设法让学生牢固掌握所教内容。我在教学中反复强调概念，定律的内容，重视一题多解法。在复杂直流电路章节中，一题有多种解题方法；如电源等效互换，支路电流法，叠加定理，戴维南定理等。由于各种方法各有特点，掌握每种方法的特点。利用一题多解复习，能巩固学生所学的概念，也调动了学生学习的积极性。各种方法最后得到同一个答案，可以让学生体会多种方法的特点，以便在计算时选用合适的解法，节省计算时间。同时也利于培养学生的科学探索精神。再有：每章学完后，让学生学会归纳、总结、抓住每章的重点、难点所在，归纳总结后，学生思路自然清晰，也容易记忆。如在正弦交流电一章，学完单一元件的正弦交流电后，研究由基本元件组成的串、并联电路的电压、电流的计算，电压与电流相位关系、功率关系、解析式、相量图，尤其是由电压电流三角形可推出阻抗三角形，功率三角形。这样学生本章的基本思路清晰了，内容也掌握了，学生的解题思路自然清晰。学生学习电路课程的视野开阔，积极性提高了，教学质量自然提高。

四、教师采用启发式教学，调动学生学习积极性

教师重视学生课堂教学信息反馈，给学生学习信心和勇气。学生学完一节课后，教师应根据课堂学生反映，把握教学效果，以便及时巩固，同时每堂课留出几分钟时间出一道本堂教学基础题，验证一下学生的学习效果，然后有的放矢地纠正，以免学生学的吃力，甚至有的学生失去了学习的信心。教师要时刻鼓励学生，尤其是后进生，争取让每一个学生不掉队、不落伍。

五、利用多媒体技术，改变教学手段

多年的教学研究，我对教材深入分析和挖掘，围绕每章的重点内容制作本课程的多媒体课件。多媒体的使用，一方面，既保证了课堂的多样划，又吸引了学生学习的积极性，使课堂知识得以及时传播，拓展学生的知识面。同时，由于课堂环境的改善，教师可以从传统的书写和绘制图形的时间中解放出来，从容展开对问题的深入讲解，使课程的教学效率和质量得以提高；另一方面，可以联系工程实际，采用实物录像或制作易理解的电路，从而促进学生对本课程学习的积极性。提高课堂效率，实现教学目标。

六、理论联系实际为目的，努力提高学生的应用能力

实践教学是应用型人才培养的重要环节，对学生分析问题和解决问题能力的培养具有其它教学环节所无法替代的重要作用。培养学生理论联系实际的良好习惯，教师在讲授中应不失时机地结合实例进行讲解，增强学生的直观印象。如日光灯中镇流器的自感现象，电磁炉中利用涡流原理加热烧水、炒菜等。这样讲授可以使学生学以至用，学生积极探索，较好地发挥学生的主观能动性和学习积极性。

七、强化学生实验教学环节，巩固所学的理论知识

应用型人才教育是为地方服务，培养生产、建设、管理和服务第一线高级技术应用性专门人才，应用型人才教育培养目的，决定了学生实验环节的重要性。通过实验学生不仅掌握了各种电工仪表的正确使用，更重要的是使理论知识得到了验证与巩固。通过动手连线、数据的测得，将原来理解问题的漏洞排查出来，通过实验过程加以解决。巩固所学的理论知识。如戴维南定理，学生学习起来普遍认为较抽象，难以掌握，但学生通过实验的方法测开路电压、等效电阻。学生用测得的开路电压、等效电阻再组合成新电路，测得电流值与原电路电流值相等。从而定理得以验证。学生通过实验的过程，理论知识得到进一步的巩固、加深。

八、例题精讲，多做练习，让学生多实践

教师根据课堂内容的要求，适时安排习题课，这是《电路》课程必不可少的教学环节。教师在组织习题课的教学中要精选例题，可以按照例题的难度，结构特征，思维方法等各个角度进行全面剖析，不片面追求例题的数量，而重视例题的质量。教师在课堂上应腾出时间，让学生进行课堂练习，思考问题，或解答学生的提问。课外应适当布置作业，让学生进一步巩固所学知识。对学生提出的疑点问题，应进行有针对性的引导，启发学生自己解决问题，达到举一反三的效果。

总之，教师对教学方法的探索是教师在教学中应长期坚持的一项工作，经过多年的思考与经验积累。我认为教师应根据学生不同的情况，采用适宜、科学的教学方法，《电路》课程教学才具有鲜明的特色，学生发自内心地愿意学习《电路》课程，教师才能全面推动教学的展开，提高教学质量。真正实现以人为本的教学目标。

[参考文献]

[1]蔡元宇，《电路及磁路》，北京：高等教育出版社，1998

[2]沈道云，《电工基础》教法探讨 [J]，职业教育研究2004，[7]

[3]何立志，《电工学》课程的创新教学研究[J]，2006，[12]

第8篇

关键词：层分配；解析式布局算法；三维集成电路；穿透硅通孔；最小代价流

三维电路的出现，不仅能够在很大程度上解决由于电路规模的急剧增长带来的互连性能优化问题，而且提供给设计者一种新的芯片设计模式。因此，具有三维结构的芯片设计、实现与制造在近年来得到了学术界和工业界的极大关注，成为当前集成电路研究一个新的热点。

与传统的二维电路相比，三维电路具有特殊结构，其布局设计需要新的算法实现。现有的三维布局算法包括堆叠布局、力驱动布局、基于划分的布局、二次规划布局和解析式布局。

文献[2]提出一种堆叠布局方法。它首先建立一个三维空间；然后把二维布局的结果通过堆叠方法形成三维的层结构。这种方法对单元重新分配层，提高了布局质量，但是运行时间比较长，比较复杂。

力驱动的三维布局方法[3]把立体空间离散成元素，或化成网格，然后计算力的方向得到单元位置。最后把单元在垂直方向上排序，就近分配到层上。因为坐标在垂直方向上是连续的，层分配过程需要取整，这样会产生错误。

基于划分的方法[4]以总的线长结合温度、穿透硅通孔（ThroughSiliconVia，TSV）数量和热效应为最小割的目标将单元迭代划分到立体空间的特定区域中，然后整体或局部移动互换单元进行优化调整。即使在没有I/O的情况下，它也可以快速有效地达到目标。但是同二维情况下问题一样，此方法容易陷入局部最小解，得到的布局结果的质量没法与解析的方法相比。

基于二次规划的方法[5]进行三维布局是用拉格朗日松弛法求解目标函数：二次线长和离散余弦变换的密度矩阵。但它使用二次线长模拟半周长会引起一些误差，同时它不能整体进行优化。

解析式布局方法[6]基于线长模型，同时考虑TSV的位置、大小和数量。但是它没有对层分配进行说明。文献[7]松弛离散的层分配使单元在垂直方向上的移动是连续的。它的基本思想是用一个夹层密度函数，消除位于两层之间的单元。

层分配将空间内的单元放置到合适的层上，这将直接影响TSV的数量。TSV一般都占有较大的面积，在三维集成电路布局中应该考虑TSV。这样就使层分配过程在整个三维布局算法中变得非常重要。现在大多的三维布局算法都没有合适的层分配算法或是没有具体说明。所以，本文提出并且详细阐述一种新的层分配算法，然后将新的层分配算法加入到三维集成电路解析式布局算法流程中。本文主要贡献如下：

1）提出一种新的使用最小代价流的层分配算法。在实现三维空间极大扩散后在垂直方向上进行合法化。算法将TSV的数量作为代价函数，每一层面积阈值作为限制条件，然后用最小的代价值将单元分配到合适的层上。它可以保护三维空间优化的线长并且减少解空间的损失。

2）提出一种三维集成电路解析式布局算法，最终得到合法化的三维空间分布状况。算法分为三部分：三维空间扩散、层分配和二维整体优化。工作的目标是先开发一个高质量的简单的三维集成电路布局算法，这样就可以将其作为一个基础引擎来考虑三维集成电路中其他的限制和目标。

3）实验观察到多层次模式可以有效地控制TSV数目，以此来减少TSV数量，并且加速层分配过程。

第9篇

关键词：Peer-Instruction理论 协同教学 自主性学习 电路教学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-1578（2017）01-0022-02

1 引言

在传统的讲授式电路教学方法中，学生是被动的接收者，他们在课堂的注意力主要集中在对知识点的掌握和相关公式的推导和记忆上，对基本的物理概念和电路本质并不清楚。在通常情况下，课堂讲述的内容直接呈现在教材或是相关讲义上，这对于学生专心于课堂教学没有什么较好的激励作用，所以传统的课堂教学几乎是在一个带有问题的、被动的听众面前的一场独角戏，师生之间没有任何的互动，学生之间更谈不上交流、合作学习[1-2]。目前很多的学生在学习过程中只记住相应的解题步骤，并不了解其基本概念，当题目条件发生一定变化或是其以前未碰见的题目便无从下手，因此电路教学方法的改革对提高学生对电路的基本物理概念和原理的进一步理解、学生的思维能力、自主学习能力、激发学生学习兴趣等都是至关重要。利用学生与学生的平等关系进行学习的交流，进而达到学生之间的互动[3-4]，从而激发学生的学习兴趣和对电路基本概念的理解。老师在整个的教学过程中起主导作用，学生起主体作用，学生之间合作学习，师生之间协同教学，因此本文将基于Peer-Instruction（以下简称PI）理论的协同教学法应用在电路课程教学中，取得了良好的效果。

2 基于Peer-Instruction理论的协同教学法

Peer-Instruction理论是哈佛大学著名教授Eric Mazur创立的，变传统的单一讲授为基于问题的自主学习和学习之间的合作探究。坚持以学生为主体，教师为主导的教学理念，是将传统的灌输式授课形式转化为学生的合作学习、自主性学习的形式，重在培养独立自主学习能力，实现多元化主体的互动、师生协同教学[5]。

基于Peer-Instruction理论的协同教学法的基本目标是利用课堂时间进行学生互动、师生互动，把相应的注意力学习的概念上来，而不是传统的对教材或讲义上细节内容的详细介绍，基于PI的协同教学发是由一系列关键知识点的简短讲授构成，每个关键知识点一个相关的概念测试题目，也就是学生所讨论的知识点的概念测试小题目。教师在整个教学过程中讲述内容的重点、难点和关键点，启发学生思维，营造一个学生互动、师生协同教学的环境，通过某些能够影响学生认知能力的问题来调动他们的学习主动性，并逐步激发，引导学生合作学习、积极讨论，培养其批判性思维，并使学生在获得更多知识的同时能反思自己和别人的观点，最后完全理解问题本质[6]。基于Peer-Instruction理论的协同教学法特别为学生设计了相应的基本概念测试题，在简短的测试后便可与同学相互讨论，合作学习，使学生有机会争辩，交流，共同解决问题，从而对物理概念和电路本质理解更深刻。学习者在与他人的相互辩论、相互影响、相互交流之中达到更完善的发展。

Peer-Instruction理论的协同教学法设计的概念测试题与传统的题目考核方向不一样，其重概念、轻直接带公式计算。某些题目看似简单，却能有效地检测学生对相关概念的理解正确与否，从而引发学生的讨论，真正理解基本概念。当学生在课堂上的时间大部分用来理解理解基本概念，因此在课堂上便没有相应的时间来进行相关内容解题技巧的训练，为此，特将解题技巧的训练放到课外作业，因为课外作业和课外学生讨论部分有相应充足的时间来进行解体技巧训练，这样一来基本物理概念和解题技巧都得到了训练，基本概念的准确理解是有助于解题技巧的训练的，因此不必担心学生的解题能力得不到训练。

3 基于Peer-Instruction理论的协同教学法的教学组织

基于Peer-Instruction理论的协同教学法不同于传统教学对课本或讲义中各个层次和知识点的详细讲解，而是由大量关键知识点的简短讲授构成，每个知识点都有一个需要讨论的概念性小测试题目。学生课前事先预习，课堂给简短时间作答，然后学生相互讨论并可修改答案，该过程一方面可促使学生思考并理解问题，另一方面也给教师提供了一个评判学生对该基本概念的理解程度。如选择正确答案的学生比例太低，教师则可放慢讲解速度。然后通过另外一个概念测试题来再次评估学生对该知识点的掌握情况。教学组织流程图如图1所示。

课堂教学组织安排：

（1）概念题目测试 1分钟

（2）学生思考时间 1分钟

（3）学生作答（选择题） 1分钟

（4）学生互动，说服同伴（Peer-Instruction） 12分钟

（5）修改答案并提交最后答案 1分钟

（6）反馈给教师：公布正确答案和成绩分布 1分钟

（7）讲解正确答案（含知识点的简短讲授） 5分钟

（8）另一测试题评估学生掌握情况 3分钟

（9）提交答案并复习该概念和讲解相应解体技巧 6分钟

重要知识点可按照上述的安排进行教学组织，约20分钟左右，简单知识点可省略（8）（9）步，整个知识点教学约10分钟左右。该方法可使得教师实时了解学生对该知识点的掌握情况，以防止学生对知识点的理解程度与教师的预期教学效果之间的鸿沟越来越大，因为随时间的增长，学生的不理解就会导致失去对该课程的学习兴趣，从而使得整个课程的教学失败。

从表1可知，在实施了基于Peer-Instruction理论的协同教学法后，学生对基本概念的理解比传统教学法的正确率高，由图1的期末考试成绩对比可以看出，实施PI教学法的期末考试平均分比传统的平均分高10.3分，最低分数也比传统教学法的最低分数高，因此对基本概念的较好理解可使得在传统计算题的成绩得到了提高。

4 结语

电路课程是电气信息类的重要专业基础课，通过在该课程中使用基于Peer-Instruction理论的协同教学法能有效提高学生对基本概念的理解，从而提高该课程的教育教学质量和学生自主学习能力，让学生养成终身学习的习惯，把学习转化为自觉的行为。采用该教学方法在提高学生对基本概念和期末成绩的同时，通过培养学生的批判性思维，比起那些只掌握了专门知识体系的人，这样的学生更具有灵活性和适应性，更有可能进行创新，成为能够终身为社会服务的现代化人才。

参考文献：

[1] 赵郁聪，陈满儒.双语教学引入Peer-Instruction教学方法的实践[J].中国校外教育，2011（9）：86.

[2] Eric Mazur.同伴教学法――大学物理教学指南[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 王祖源，武荷岚，顾牡.以同伴教学法促进学生互动式学习[J]. 物理与工程，2013（23）：45-48.

[4] 张萍，涂清云，莫艳萍.课堂中的合作学习[J].中国大学教学，2012（6）：56-59.

第10篇

该文论述了项目化教学改革的意义，从教学内容、教学模式、教学方法和考核评价等几个方面探讨了项目化教学的实施过程，并对项目化教学过程中出现的问题进行了相关思考。

项目化课程改革的意义

高职院校以往的电路基础课程偏重于专业理论的传统教学模式，过于强调知识的学科性和系统性，而缺乏针对性和应用性，理论与实际联系不紧密，实用性不强，不能满足我国高职院校教育教学改革及人才培养目标的实现，无法体现出职业教育特色。

高职学生由于基础较差，理解能力不强，针对理论性较强的知识普遍出现学不懂、不愿学的现象。通过传统教学曾发现学生比较倾向于动手的训练，更热衷于一个具体的实训项目的完成，例如，安排日光灯的组装和调试任务，通过确定方案、自主学习相关知识、实施计划到任务完成，整个过程中学生能自主获得综合知识和专业技能，同时也收获了成功的喜悦，培养了良好的团队协作精神。职业教育中，学生更愿意通过在实际工作中完成具体任务来获得相关知识。因此，完全打破学科体系，按照企业实际工作任务、工作过程和工作情境来组织课程，利用“工学结合”的任务载体对学生进行全面培养，形成围绕工作过程的新型教学项目的课程开发势在必行。

项目化课程教学的改革与实践

从课程的教学内容、教学模式、教学方法和手段以及考核方式几个方面进行探索和实践。

项目的分析与选取。在课程教学内容的编排上，突破原有体系章节，注重把工程背景和科技发展史引入教学。以“认、知、用”为主线，课程由9个理论和实践一体化的项目组成。《电路分析与应用》课程以典型的实际应用电路为单元，共设置了手电筒电路的分析、串并联照明电路的分析、双电源电路的分析、电桥电路的分析、闪光灯电路的分析与设计、日光灯电路的安装与测试、家庭配电电路的分析与设计、滤波器的设计、变压器的应用与设计共九个项目。

项目设计遵循学生的认知规律，先做入门项目：首先从“麻雀虽小、却五脏俱全”的手电筒电路入手，学习电路的基本概念，认识基本的电路元件，学会基本的测试方法；再到基本应用项目，这类项目从应用的角度学习电路理论和方法，应用理论和方法来解决实际问题。最后进行综合设计类项目，由浅入深，由单一到综合，让学生“学得通”、“做得顺”。

每个项目下分成若干个模块，每个模块分为若干个工作任务。如项目六家庭配电线路的设计分成3个模块，如下表1所示。模块1为家庭配电电路的分析，其中有3个工作任务；模块2为家庭配电电路的设计，其任务是对两室一厅配电电路进行设计，并选择相关器件；模块3为家庭配电电路的安装，其任务是安装两室一厅家庭配电电路。

表1

教学过程以各个项目中的工作任务为焦点，进行有关知识与技能的培养和训练，使学生集学习与讨论、实验与反思、认识与拓展、实践与创新为一体，在以项目完成的过程为导向，实施教学。

教、学、做一体的教学模式。秉承陶行知思想的精髓，在项目化教学中真正做到：在做中教，教育方法改教授法为教学法，引导学生积极主动学习。在做中学，改变学生被动的学习方式，在项目实践中主动探究和学习知识。教学做合一，教与学互动，在项目的实践中实现知识的传承。

教学方法和手段的改革。在项目化教学实施过程中，以实际的工作任务为载体，精心创设教学情境，让学生易于融入教学情境，激发出学习兴趣，主动参与任务，在完成任务的同时获取知识、能力，真正做到“教、学、做”相结合，形成“教师引导式学习、学生自主性学习、师生共同研习”的研究型学习氛围。教学中充分应用项目法、任务驱动法、启发引导式、案例教学、仿真教学、现场教学等。例如在项目六“日光灯照明电路的安装、调试和分析”的教学设计时，采用现场教学，首先在实验室完成日光灯的安装，排故，启发探究日光灯的发光原理，并训练基本测试技能，引导学生对测试参数：电压、电流、功率进行分析，从而掌握正弦交流电路的相量分析法。要求学生在这个项目中获得的技能和知识能够迁移到其他相关项目中，例如下一个项目“家庭配电电路的分析与设计”：家庭配电电路中的参数计算，器件的选择等任务，从而实现由实践-理论-再实践的知识和能力的螺旋式上升过程。

基于过程考核的综合评价。考核评价是项目化教学的重要环节，是提高教育质量、促进学生获取知识、提高应用知识的能力、培养素质和职业素养的重要手段。《电路分析与应用》这门课程属于理论知识和技能并重的课程，我们将每个项目的教学内容按“知、技、能”要求进行划分，配合以“教、学、做”相结合的教学模式。每个项目结束后以及全部课程完成后，进行各项目的考核和综合考核。项目考核内容主要包括项目学习过程、知识应用能力以及理论知识素养这几个方面进行。

项目学习过程考核的重点集中在学生项目成果和项目实施过程中的表现上，将职业素养、能力、知识的考核评价融合于项目任务的完成过程之中。职业素养的考核贯穿整个教学过程。根据企业对专技人才的要求，比如团队精神、吃苦耐劳、爱岗敬业等，教师平时对学生严格要求，考勤、实训项目中相关操作规范等都认真记录。工作表现的考核包括工作积极性、主动性，知识运用能力、自学能力、分析和解决问题能力、自我评价和评价他人能力以及相关操作技能的掌握程度、熟练程度等等。

知识应用能力考核学生如何运用所学知识分析问题与解决问题的能力，题型为分析题和综合设计题等。这种考核不仅使学生熟练掌握了重要的理论知识，为培养学生“可持续发展能力”奠定基础，更重要的是培养了学生的创新能力。

理论知识素养考核以机考的形式在课程网上考试系统中完成，主要是客观性命题：填空题、选择题和判断题，考核学生对电路基本概念、基本分析方法的掌握情况。

实施项目化教学的教学效果

实施项目化教学后，学生的学习兴趣明显提高了。以前学生普遍认为《电路分析》课程认为理论性太强，与实际工作和生活结合不紧密，只是进行枯燥的分析计算，有些基础不太好的同学甚至产生厌学情绪。改革后，学生该课程的及格率由09年的74.5%提高到11年的79.3%，优秀率由18.5%提高到27.7%。伟大的科学家爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师。”学生对项目、任务产

生了浓厚的兴趣，很自然就会去探究，去学习。伴随着项目、任务的完成，学生既掌握了相关知识与技能，还锻炼了表达能力和知识应用能力，对后续课程的学习以及班级优良班风、学风的形成都起到了举足轻重的作用。

项目教学法实施中的相关问题思考

项目选择的科学合理性问题。在项目化课程教学中，如何最大限度地引入工程概念，将项目融入到电路知识的学习中去，培养学生的工程实践能力，激发学生对工程实践的兴趣是一个值得深入研究的课题。同时在项目的选取上考虑科学合理性、要求从项目中所训练的能力一定是可迁移的。选择的项目能覆盖主要知识点和能力，不能有重大遗漏。如果有遗漏，则应设计其他项目来覆盖，否则的话造成专业理论的缺失，学生可持续发展的动力不足，高职教育培养高素质、高技能人才的目标就无从谈起。

项目化考核的可操作性。项目化考核的重点是项目实施过程中的过程评价，是形成性评价，贯穿整个项目，包括职业道德、工作表现、知识应用能力、自学能力、自我评价和评价他人等。如果考核指标过细，面面俱到，则操作性不强。如果考核过于宽泛，则又难免流于形式。由于形成性评价存在主观性，因此如何建立一个客观、合理、可操作性强的评价体系是关键。

第11篇

[关键词]高速公路；机电工程；过程检测；应用实践

绪 论

有幸参与浙江省龙庆高速机电工程检测工作，我们公司在江西、云南、山西等省份做了好几个机电过程检测后，得到各业主的认可，认为我们的工作在把好质量关中能取得鲜明的效果，同时我们也积累了较丰富的经验，考虑到之前在浙江省内高速公路机电工程没有过程检测这一块，故在浙江推行此举。作为浙江省第一条推行机电工程过程检测的项目，在此探讨一下过程检测工作的应用与实践。高速公路机电工程过程检测是机电工程质量保证体系中一个重要的因素，在高速公路机电工程建设过程中，任何一个工序，都需要大量的检测。如果离开检测，就很难把握高速公路机电工程质量，因此搞好过程检测工作，对确保高速公路机电工程质量具有非常重要的意义。高速公路机电工程的过程检测工作同主体工程的检测一样，对提高工程质量起到至关重要的作用。

一、过程检测的重要性

高速公路机电工程过程检测首先要对高速公路机电工程采用的原材料、预制构件、定制产品等进行试验检测，在施工过程中要进行过程试验检测，完工后进行最终交工验收检测。

高速公路机电工程施工阶段是一个工程中最基础和最关键的阶段，在高速公路机电设备的应用中存在巨大质量隐患，最终导致了高速公路在后期机电设备使用中出现各种问题。在当前时期下，我国高速公路机电工程的质量不是那么理想。如：在实际过程中，往往会出现设备质量较差、以次充好、有些监理单位缺少必要的检测仪器，不能对现场材料、产品的质量进行进一步确认；还有的项目没有对几大系统进行自检等等一系列的问题，这些都直接的或间接的对工程质量埋下了隐患，给工程质量、后续的维护管理及使用寿命留下隐患。如果这些问题没有得到很好的解决，就有可能影响设备使用寿命，甚至导致出现工程质量事故，在交工检测时自然不会通过的。

在此，我们提供了必要的检测仪器和检测方法，这就解决了施工单位和监理单位缺少检测仪器的问题，同时我们也会根据以往的检测经验，提出一些在施工过程中和交工过程中易出现的问题，并针对本项目情况提出合理化建议。也为监理单位和建设单位提供技术支持，对现场出现的不合格产品，现场检测人员根据设计要求及机电产品在全国的使用情况和本项目的实际情况，客观的向项目业主说明不合格项目的严重性及其带来的后果，同时检测人员还要根据本项目情况提出解决办法。第三方检测单位的介入，完全将交工检测的后期质量控制移到前期控制，避免了交工过程中出现了大量不合格，又无法更换的局面。

二、过程检测的流程及重点

过程检测是控制工程质量的技术保证。工作的流程及重点是：我们在进场后就向业主、监理、施工单位提出，只有明确了工程的内容及重点，大家才能更好的互相配合，保证过程检测的顺利进行。技术保证在过程检测中主要体现在以下几个阶段：

1.核实工程量

在驻地建设结束后（包括配置好车辆、检测设备），尽快熟悉施工图纸、设计文件要求及现场情况，结合检测投标文件从工程量清单里摘出需要检测的材料、产品，再由业主、监理、施工确认清单清单，明确需要检测的内容，最后制定检测方案，提交业主。

由于主要检测内容摘自于检测投标文件和本项目工程量清单，应让业主、监理、施工单位明确每一项检测内容，检测单位对每一项材料、产品进行严格把关，这样也能让业主监督，以免出现漏检的情况。

2.设备（材料）质量检测

机电工程基本上由设备安装及系统集成组成，设备、材料占了工程很大一部分，其质量是工程实体质量的基础，它们的好坏决定了工程的质量，所以要求设备质量要过关，选型时要选择经过工程实践考验的，加强材料设备的型式检验和现场抽样检查。目前普遍存在的问题是以次充好的问题，这样就使整个工程质量存在巨大隐患，这样的事故屡见不鲜。因此我们必须加强原材料、半成品及工程设备的质量控制，加强检验其与设计文件要求的相符性，试验检测指标与标准规范要求的相符性，控制材料、设备进场验收程序的正确性急质量文件资料的完整性。对设计工程质量控制重点的材料设备进行严格监控检验。如配电箱防腐层是关键，施工中就应对防腐层的质量进行重点控制，并按要求进行镀锌层和喷塑层的检测等。

（1）当各种需要检测的材料进场后，在施工单位自检和监理单位抽检合格的基础上，由监理单位通知检测单位到指定地点抽样。我们将在现场对材料随机抽样检测，最终检测结果以书面形式提交，仅提供数据，不下结论。

（2）当需要检测的产品进场后，检测单位进行现场检测或现场包封（需邮寄至北京检测的产品）。由于报检不及时造成产品无法及时检测的，后果由相关单位承担。最终检测结果以报告形式提交业主。考虑检测周期较长，我们一般会要求施工单位联系厂家提前发货，以免耽误施工安装时间。

3.施工性能检测

在把好材料、产品质量关的同时，对龙泉高速公路机电施工过程进行全程跟踪，随时发现施工过程中可能出现的问题，特别是隐蔽工程可能出现的问题。过程检测中后期的一个环节是对整条路进行系统检测，通过对施工性能分阶段检测，逐步排除在交工验收检测中可能会出现的问题。在确保施工安装质量合格，以保证未来通车运营管理的效果，为项目交工验收打下良好基础在系统联调的同时，本阶段检测依据JTGF80/2-2004中分项工程实测参数指标要求，派人进场实施检测。在检测结束后，以书面形式提交检测意见。

4.复测

将检测过程中发现的问题提交业主及监理单位后，业主依据检测初步意见下发整改通知，施工单位整改后我们将进行复核测试，合格后工程进入试运行阶段。

三、过程检测中的应用、实践

在过程检测中，我们不仅对材料产品进行把关，而且对施工过程中出现的施工工艺问题也进行纠正等。经过对高速公路机电工程的分析，可以总结出存在着以下几点影响工程质量的因素：

1.产品、材料设备因素

（1）在工程前期，我们随同业主、监理、施工单位去杭州华承高低压配电柜、金盾风机、江苏新远程电缆、广州威创拼接屏、埃特斯ETC、东莞易事特UPS、深圳华为通信设备厂家进场厂验，在厂验会议上将检测指标告知各方，以保证进场材料及设备满足要求，并在有条件的厂家现场完成厂验测试工作。

（2）材料的现场检测，由业主、监理工程师见证。我们在现场对每批次进场材料进行检测，如：在本项目施工初期对第一批进场的隧道照明电缆敷设用的槽式钢桥架及支架进行检测，发现其镀锌层厚度不符合标准要求，我们及时汇报业主，业主下令整改，施工单位在后期就能及时根据标准要求去更换材料，避免在高速公路机电工程施工过程中，不合格材料和产品产出和流转到下一过程和工序，同时可以及时进行纠正，避免造成质量隐患及直接经济损失。通过施工过程的检验和试验，使高速公路机电工程质量受到控制，离开过程的检验和试验，高速公路机电工程质量往往得不到控制，因此，它是控制高速公路机电工程质量的重要技术保证。

（3）前面提到过由于产品检测周期较长，在施工过程中我们会提醒施工单位将需检测产品、材料提前进场，实际情况往往不令人满意，由于房建、土建未提供界面，施工单位担心产品提前进场后被偷盗，我们在每周例会上提出了建议施工租用一个安全可靠的仓库，提前将产品、材料进场，方便抽检，这样就不会耽误后期的安装时间，此建议也被业主采纳并使用。

2.施工过程中的因素

龙庆高速公路含1个长隧道及9个短隧道，是本路段重要组成部分，高速公路的隧道工程是一个系统工程，构成复杂、数据采集量大，控制站点多，设备分布分散，而且隧道环境恶劣，系统可靠性要求高。既需要从车辆检测器以串行通讯方式获取大量交通数据，同时也需要以串行通讯方式向可变情报板发送大量信息，另外还要完成对风速、VICO、照度的模拟量的采集以及照明回路、车道灯等开关量信号的检测与连锁控制。因此，我们加强对隧道的检测工作，要求施工单位通过采用PLC可编程序控制器，实现了所有数据采集以及控制功能，并提供优良的网络传输性能，整个系统性能优良。

3.系统调试问题因素

针对交工验收中容易出现的问题进行重点检测，结合本项目具体情况及全国机电工程交工时易出现的施工问题，在工地例会上对施工单位及监理单位提出过一些建议。如：

（1）机箱涂层问题。外场配电的环境相对室内、隧道内配电箱的环境较差，易锈蚀，在其他路段往往出现运行不到半年就出现锈蚀情况，建议施工单位在进货前，跟供货方进行技术交底，保证进场后的设备机箱达到设计及规范要求。

（2）紧固件、连接件锈蚀问题。常出现紧固件和连接件锈蚀问题，建议施工单位选择镀锌层较厚的材料，参考GB/T18226-2000，在施工结束后做好防腐保护。

（3）施工工艺问题。由于机电施工工期紧，在施工过程中对施工工艺要求有所放松，经常会出现一些布线不整齐、无标识、进线孔未封堵、配电箱无配电简图和无“高压危险”字样、设备未固定、监控室静电地板等电位带未实施、立柱竖直度不符合要求等现象，这些都是在后期交工检测过程中经常出现的问题，也对后期维护有很大帮助，望施工单位引起重视等等。

四、结论

高速公路机电工程质量检测工作非同小可，应加强对高速公路机电工程的过程检测的监督检查。同时，也只有运用到实践中，在实践中不断改善、优化才能更好地、有效地完成高速公路机电工程安装与质量的检测，才能保证高速公路安全、有序的运行，满足人民的生产、生活的需要，促进经济又好又快地发展。我相信，龙泉高速公路的在我们过程检测严把质量关的情况下，在交工验收时一定会有一份满意的答卷。

参考文献：

[1]韩文元，等.公路高速公路机电工程质量检验评定标准.第二册 机电高速公路机电工程.人民交通出版社，2004.

第12篇

关键词：小型机载激光雷达技术；植被覆盖区三维测绘；电力优化选线

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A

0.引言

输电线路勘测优化设计在是输电线路工程中最基础最重要的工作，优化设计输电线路路径需要综合考虑行政规划、运行安全、经济合理、施工难度、检修方面等因素。而在输电线路优化设计工程中，特别是工程工期紧、测绘面积较大、精度要求高且测区地形较为复杂的情况下，输电线路优化设计难度较大，尤其是在我国西南地区以高山大岭为主，地形起伏大，植被覆盖率高且平丘地区房屋密集，分布不规则。传统的线路优化设计主要采用的测量方法是工测量方法或者工程测量与航测相结合的方法。传统的线路优化设计方法具有外业劳动力强大，数据精度低且无法获取植被以下地形及交叉跨越的高度，工期比较长等缺点。将激光雷达技术应用于电力线路优化设计中能降低选线难度，提高设计效率。因为机载激光雷技术具有数据产品丰富、数据精度高，能够获取植被以下的地形及交叉跨越高度且自动化程度高，能够保证线路走向合理，大大降低外业工作量，缩短工期等优点。

我单位采用绵阳天眼激光科技有限公司自主研发的小型激光雷达测绘系统搭载在动力三角翼上对四川广元某山区测区进行数据采集，应用高精度激光雷达数据成果，在基于激光雷达数据输电线路三维优化选线软件中进行优化设计，高效快速对该区线路进行优化设计，降低了选线难度，提高了工作效率，具有良好的社会效益及经济效益。

1.小型机载激光雷达系统原理及技术优势

1.1 机载激光雷达系统原理

机载激光雷达系统是集激光测距、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）及高分辨率航拍相机于一体的系统。利用高精度的激光扫描测距技术获取三维激光点云、惯性导航单元系统获取飞行平台姿态信息、机载GPS获取飞行平台的空间三维位置信息；利用高分辨率数码相机获取真彩色数据影像。机载激光雷达测量原理：机载激光雷达激光脚点定位采用飞行航迹来计算激光脚点的坐标。因此基行航迹和系统瞬时姿态的激光点的坐标计算如公式（1）所示，公式（1）中的L是瞬时激光脉冲源到地物的距离，基行时间测量原理的测距由公式（2）求得。公式（1）中是激光发射角，XL、YL、ZL是激光器的位置坐标，通同转换矩阵就可以精确的计算出每一个地面光斑的XG、YG、ZG。

机载激光雷达系统包括以下4部分：机载激光扫描雷达单元；DGPS及IMU惯性导航单元；高分辨率航拍相机；系统控制及数据实时记录存储单元。各部分用以太网协议交换数据，供电选用航空电池供电。小型激光雷达系统原理如图1所示，不需要或需要极少地面控制点即可快速获取地表及植被以下地表的精确三维信息。

1.2 小型机载激光雷达系统在输电线路优化设计的技术优势

小型机载激光雷达系统以其体积小、重量轻且精度高等优点，选择的飞行平台较为灵活，快速响测绘作业任务且数据采集周期短。搭载平台可以选择有人直升机、无人机、无人氦气飞艇及动力三角翼等，根据任务需求可以选择不同的飞行平台。针对本次山区及植被较为密集的作业区域，选择搭载动力三角翼作为飞行平台对测区进行数据采集。机载激光雷达技术具有穿透性，能够获取植被以下高精度地形数据及交叉跨越高度；数据精度高、点云密度高；且能快速高效进行作业；数据产品丰富，能获取高精度的三维激光点云数据和高分辨率数码影像经过数据处理得到高精数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、高分辨率数字正射影像DOM及精细分类的点云数据（包括电力线点、植被点、房屋点）等。

机载激光雷达数据成果，在电力选线以及后期设计工作中提供多种辅助参考信息。生成的高精度DEM数据可以实时获取线路各个方向断面信息及塔基地形、塔基断面；通过数据分类处理，获取地面、电力线三维点云数据，设计人员在室内即可完成线路交叉跨越测量工作；高分辨率真彩正射影像DOM利于选线避开房屋、库区、坟墓等重要地物，综合参考DEM和DSM可实时获取房高树高，精确评估树木砍伐量与房屋拆迁量等；DEM结合DOM得到真实的三维场景，可从不同视角查看线路周围的地物、地貌信息，直观可视的三维地形浏览及选线，大幅度提高工作效率。

2.技术路线

基于小型机载激光雷达技术在植被覆盖区输电线路勘测优化设计中的工程应用主要技术内容包括数据获取、数据处理、数据应用。采用小型机载激光雷达系统进行电力选线数据的获取具体技术路线如图2所示。

机载激光雷达数据获取的原始数据包括原始激光点云数据、原始数码影像、惯性导航（IMU）数据、机载GPS数据、地面基站GPS数据。对机载激光雷达获取的数据处理技术路线如图3所示。

经上述数据处理后得到的数据成果高分辨率德胗跋DOM、高精度数字高程模型DEM、高精度数字表面模型DSM及精细分类后的电力线点云数据LAS，加载于专门基于LIDAR数据成果的三维输电线路优化设计系统，对激光雷达获取的数据进行管理与浏览，进行三维选线，主要技术路线如图4所示。

3.工程应用

我公司应用小型机载激光雷达技术，对地势起伏较大且植被覆盖率高的广元中子（中子-明月峡220kV线路工程、中子-雪峰220kV线路工程）约86km的输电线路工程勘测优化设计，应用动力三角翼搭载机载激光雷达测绘系统进行数据采集，通过数据处理制作高精度DEM、DSM、高分辨率DOM及精细分类电力线点云。运用三维输电线路优化设计系统对该工程进行室内快速可视化三维优化选线设计。

3.1 工程测区概述

广元中子镇位于广元市朝天区东北部，属于低中山区，南北边缘高峰耸立，海拔在500m～1600m，植被^为密集，高差较大。本次220kV输电线路工程包括中子镇―明月峡乡、中子镇―雪峰乡两条线路，测区全长约86km。

3.2 数据采集

在航测前，进行控制点的踏勘、选址和埋设桩位，用于静态观测。GPS网形规划与控制点之分布有关，为使整个网形的点位误差分布均匀，在测区布设4个基站，覆盖测区。结合小型机载激光雷达系统自身的特点，对航高、航速、相机镜头焦距及曝光速度、扫描频率等航摄参数进行设置；为获取高质量的数据，本次工程共设计了两条航线，能充分满足测区的带宽和激光点云密度要求。

3.3 数据处理

数据处理包括数据预处理和数据后处理。数据预处理是对的激光点云数据大地定向和计算影像外方位元素；数据后处理是在预处理的基础上经过点云去噪、滤波及精细分类，快速自动分离出精细的地面点（图5）及分类后的电力线点云数据（图6），可以快速提取交叉跨越高度。通过对精细的地面点构建不规则三角网格TIN即可快速生成DEM数据（图7），去噪后的所有地物点即可快速生成DSM。使用精细分类的地面点对数码影像单张正射纠正，通过镶嵌匀色即可生成高分辨率正射影像DOM（图8）。

（1）精细分类后的地面点

（2）精细分类后高密度电力线点云数据用于获取交叉跨越高度

（3）高精度数字高程模型DEM和数字表面模型DSM

（4）高分辨率正射影像DOM

3.4 线路优化设计

通过后期数据处理得到的成果有DOM、DEM、DSM、分类后的电力线点云，将数据成果导入到基于激光雷达数据输电线路三维优化选线软件中，充分利用机载激光雷达系统的多种数据成果，进行室内可视化电力线路选线优化设计，为线路设计提供多种辅助信息，如房高树高、面积坡度量测、线路交叉跨越高度测量、快速平断面/塔基断面/塔基地形图等。

在三维输电线路优化设计系统中能够快速对已有电力线路交叉跨越高度进行量测（图9）；在线路设计过程中基于精细DEM快速获取不同方向、不同深度的断面数据（包括植被以下区域）；高分辨率正射影像图结合DSM数据可以从中精确量取待拆迁房屋面积及待砍伐植被面积，同时能够实现线路的优化，减少线路与房屋、植被的跨越，同时对重要地物（高速路、铁路等）跨越角度进行评估（图10）；根据优化选线结果及DEM，可以快速自动获取线路平断面图、塔基断面图及塔基地形图，最终优化选线结果如图11所示。

3.5 精度分析

通过外业实地检查对本次植被覆盖区输电线路测区应用机载激光雷达技术勘测获取数据进行精度评估，整个测区获取了高密度点云数据，平均个平方米有6～7个点；整个线路测区高程中误差为31cm，平面中误差为65cm，完全满足电力选线需求。

结语

通过应用小型机载激光雷达技术在植被覆盖区域输电线路勘测优化设计，通过将小型机载激光雷达系统搭载在动力三角翼上能够快速灵活响应工程需求，快速获取线路走廊区域精细的三维地形数据且数据精度高，满足电力设计精度要求；通过应用基于LIDAR数据成果的三维输电线路优化设计系统，对激光雷达获取的数据进行管理与浏览，进行三维优化选线，为电力选线提供多种多样的信息辅助选线，避免了大量的外业测量，减少了树木砍伐量及房屋拆迁量，提高了作业效率，具有很大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]徐祖舰，王滋政，阳峰.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉：武汉大学出版社，2009.

[2]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2007.

第13篇

关键词：统一用户，单点登录，系统集成，门户

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0188-03

Abstract： With the development of enterprise informationization，a wide variety of application are used in the enterprise .In order to integrate the arious application systems and data resources into a single information management platform， and provide users with a unified user interface， single sign-on is the first problem to be solved. This paper describes a method through uniform user management and single sign-on technology to achieve enterprise application integration. It soved the problem of a single login， surfing on the internet or intranet freely. This method has been applied in the authors' institute， an achieved good effect.

Key words： Uniform User； Single Sign-on； System Integration； Enterprise Information Portal

随着企业信息化水平的不断提高，越来越多的应用系统投入使用，例如OA系统、人力资源系统、项目管理系统、PDM系统等。这些独立的应用系统都有自己一套完整的用户管理与权限认证体系。用户如果需要访问这些应用系统，就需要记住各个系统中的账号、密码，频繁的在不同系统之间登录切换。这样给用户带来了很大的不方便，同时也容易引起系统安全性的降低。

企业信息门户是一种应用集成框架，它将各种应用系统、数据资源和互联网资源集成到一个信息管理平台之上，并以统一的用户界面提供给用户。

在企业信息门户平台上，让用户仅输入一次用户名、密码，通过一套安全身份认证体系的身份鉴别，就可以分别登录到OA系统、人力资源系统、项目管理系统、PDM系统等不同的应用系统，而不需要重复登录进行身份认证。这是一个在企业应用系统集成中迫切需要解决的问题，而解决这个问题的关键技术就是单点登录技术（Single Sign-on，SSO）。

1 单点登录技术

1.1单点登录基本流程

单点登录流程可以简单描述如图1所示。用户访问应用系统时，先检查其是否登录，如果登录则进入应用系统中具体请求页面，执行后续操作；如果尚未登录，则跳转至用户身份认证系统中进行登录认证。认证系统首先根据用户的登录信息进行身份校验，如果通过校验，则返回给用户一个认证的Ticket作为认证凭据，用户之后再访问其他的应用系统时就会带上这个Ticket，作为认证的凭据。应用系统接收到用户请求之后会把Ticket送到认证系统中进行校验，检查Ticket的有效性。如果Ticket有效，则进入应用系统中具体请求页面，执行后续操作；否则跳转至登录页面，对用户身份进行验收。

作为用户凭据的Ticket具有时效性和不可伪造性，以此保证用户登录安全可信。

单点登录中的认证服务器为所有用户提供身份认证管理，所有没有经过身份认证的匿名用户访问应用系统时都要求被重定向到登录页面进行身份验证。未注册的用户需要先经过注册初始化后方可被验证通过。

1.2 统一用户管理

在单点登录流程中，可以发现对用户进行统一管理并认证是最重要的环节。将所有应用系统的用户进行统一管理并与之前的系统内部账户进行映射，不再需要各应用系统进行独立认证，通过统一认证服务器来实现统一认证。

统一用户就需要首先在统一的用户管理系统中进行用户录入与维护，然后通过系统API接口或WebService服务对系统资源、用户角色、用户权限进行关系绑定，进而达到对用户进行统一管理、对应用系统权限进行统一分配。

中国飞机强度研究所内部有HR-人力资源管理系统对全部员工的信息进行统一管理，因此HR系统就作为中央用户数据源，用户的部门、个人账号、岗位等信息在该系统中进行注册。之后，利用WebService接口将用户信息同步至门户（Portal）的统一用户身份库中，由门户的统一用户管理系统再通过接口对账户进行应用系统的使用权限分配并将账户同步到相关的应用系统中。

统一用户管理流程如图2所示。

目录服务器是统一用户管理与身份认证的基础平台，对用户信息进行统一管理，保证数据的一致性和完整性。本方法中通过轻量级目录服务协议LDAP（Light weight Directory Access Protocol）将用户及组织的信息以层次结构、数据库的方式进行统一管理。

2 基于门户的单点登录实现

本方法中，通过企业门户平台负责管理企业各个应用系统访问入口，将各应用系统的身份认证功能集中控制。实现用户在门户平台认证通过后，无需二次认证，即可访问其他应用系统的效果。

2.1 用户同步

1）用户数据初始化

用户数据初始化分为两种：一种是已正式运行的应用系统（例如OA系统），采用统一命名规则的用户账号，因系统中的部分历史数据跟用户信息关联，用户账号命名规则改变后，为能保持历史数据的正常查询等操作，各业务系统自行在用户数据库中建立新、老账号的对应关系。一种是在建和未建的应用系统，必须严格按照命名规则新建系统账号及密码。

2）用户数据同步

将统一用户管理系统中的用户及组织机构数据单向同步到个应用系统中，可以采用即时触发、单向、增量同步方式。当统一用户系统的数据发生更改后，根据之前制定的身份同步规则，即时将变更的账号数据同步到对应业务系统中。同步实现方式可以通过数据库中间表的方式，也可以通过Webservice的方式。

2.2 单点登录

单点登录方式可以根据业务系统的开发需求分别采用两种认证方式：

（1）基于Cookie的认证方式

Cookie方式是基于客户端页面中存储的加密登录信息，由业务系统提供验证页面，自主解析用户名、密码并认证，同时跳转至获取的目标URL地址，实现单点登录。业务系统需要对登录认证模块做相应的功能改造。

在用户通过单点登录系统的认证后，单点登录系统将通过注入机制在Cookie中添加表示用户关联的账号信息和请求的URL地址，并将请求转发到业务系统，业务系统获取账号信息，确认用户身份后决定是否允许用户跳转至所请求的系统资源。

单点登录系统在Cookie中注入的参数信息包括：

a） 系统编号：对应业务系统账号、密码（加密后）信息，通过#号分割，编码由企业门户分配；

b） url：用户请求的目标地址url。

业务系统获取Cookie中的参数值的Java示例代码如图3、图4所示：

（2）基于header的认证方式

http-header认证允许将已认证的用户身份信息插入到联结的第三方服务器为目的地的请求的HTTP头，HTTP头信息使已联结的第三方服务器上的应用程序基于用户身份信息执行特定于用户的操作。

客户机浏览器请求收保护的第三方服务器上的应用程序，通过网关认证系统进行身份认证，建立新的基本认证头，将请求通过联结发送到第三方服务器的应用程序上，第三方服务器的应用程序不需要用户认证，直接读取基本认证头中的用户身份信息，并进行相应的用户操作。

认证头中存储的header信息：iv-user

第三方应用程序获取header信息：request.getHeader（"iv-user"）；

应用系统获取Http Header中的参数值的Java示例代码如图5所示：

3 应用效果评价

在2016年初，中国飞机强度研究所对现有应用系统进行了改造升级，将已有的和在建的应用系统进行统一整合。整合过程中采用了本文介绍的方法，完全实现了一次登录、全网通行的目标。1000余个账号登录各应用系统效率高，未发现重复认证或登录延时等问题，成功完成了对多个业务系统的集成整合工作。

4 结束语

本文针对企业在信息化建设过程中出现的各应用系统用户系统独立、身份认证系统独立的现状，深入分析、研究统一用户管理技术、单点登录技术，在确保各应用系统正常运行不受较大干扰的前提下，实现了对OA系统、人力资源系统、项目管理系统、PDM系统等多个应用系统的单点登录。该方法在研究所内部得到了高度认可，同时也在其他行业得到了认可，可以在行业内部以及其他行业推广应用。

参考文献：

[1] 胡建鹏. 基于Portal的统一身份认证与系统集成研究[J].计算机工程与科学， 2010，32（12）： 30-33.

[2] 吴茂传，郭阳，胡昌平.基于Web的单点登录技术在企业集成中的应用[J].淮海工学院学报（自然科学版）， 2008，17（1）：29-32.

第14篇

关键词： 启发式教学 学习能力 《半导体集体电路原理与实践》课程教学

《半导体集成电路原理与实践》是微电子技术专业的一门重要的专业课程，与前后课程联系紧密。学好这门课程对于学生掌握专业知识来说非常重要。

从学生的情况来说，有些学生的专业基础比较薄弱，特别是理科方面的基础。对于基础的数学计算和电路分析方法有一定的了解，却不能熟练掌握应用。

从课程来说，这门课程本身有一定的难度，理论性比较强，包含了很多分析。这就使得学生在理解和掌握上往往存在困难。传统教学方法是教师单向地讲授，这种单向的讲授只是枯燥地向学生灌输，重点在于老师而不是学生，缺乏让学生自己思考研究的过程，最终获得的学习效果肯定不是很理想。

因此在目前的授课过程中，普遍采用启发式的教学方法，这种教学方法更注重教与学的双向沟通，重点在于学生。在教学中，通过老师开其意，实现学生达其辞的目的，重视学生受启而发的过程。教学中，通过启发让学生展开研讨，使学生在教学的过程中能更多地发表自己的观点，更多地提出疑问。让学生能够主动思考，反复思考，加深理解。

课程中每个单元的教学过程都可以分为以下几个步骤。

（1）明确教学目的。

（2）教师讲授（启）。

（3）学生讨论，并自己完成相应的练习。（发）

（4）总结练习过程中存在的问题，并让学生再次通过讨论完成更深入的练习。（加深）

（5）最终由学生自己得出相应的结论，总结出适合自己的分析方法。

如在讲授COMS逻辑门电路这个单元的时候，首先明确这个单元的学习目标：掌握CMOS逻辑门电路的一般电路结构和设计分析方法。然后教师先讲授关于CMOS逻辑门电路的一些理论知识。如复习已经学过的关于CMOS互补对的知识，并根据CMOS互补对的特点提出CMOS逻辑门设计的一般方法。

图1 MOS逻辑规则

*对每个输入使用一个NMOS/PMOS互补对

*将输出节点通过PMOS与电源VDD相连

*将输出节点通过NMOS与地（0V）相连

*确保输出总是一个正确定义的高电平或低电平

根据这个方法，给学生演示常用的二输入与非门电路基本结构是如何得到的，并根据电路中器件的工作状态分析电路的功能与器件间连接方式之间的关系，进行验证。

图2 CMOS与非门

针对CMOS与非门电路，除了讨论其电路工作原理外，另外还在简单地讨论其开关特性。结合已经学过的CMOS反相器，引导学生发现为了保证良好的开关特性，二输入与非门中NMOS的尺寸应该对应CMOS反相器中NMOS尺寸的两倍。并进一步得到结论：为保证开关特性，多个晶体管串联时，晶体管的尺寸变大，芯片占用面积增加，因此电路设计中应尽量避免多个晶体管串联，特别是多个PMOS管串联。

教师对二输入与非门电路进行设计，分析过程的演示，让学生自己设计分析一些其他的CMOS逻辑门。

图3 CMOS或非门

这个可让学生自己画图得到，可以叫一个同学在黑板上演示，并让大家一起分析得到的电路有没有错误。并根据巡查的结果，由教师总结存在的问题。

第15篇

关键词 电力拖动 实训教学 六步教学法

中图分类号：G424 文献标识码：A

Application of "Six-step Approach" in Electric Drive

Control Circuit and Skills Training Teaching

Natsuki Xi Nuer

（Bozhou Secondary Vocational School， Bole， Xinjiang 833400）

Abstract The paper argues that a typical task as the carrier， through mission-driven - Teacher demonstration - Students explain - Students practice - exercises to consolidate - six steps to complete the project evaluation electric drive control circuit training courses and skills training the teaching process. This paper presents a six-step after teaching and explained its meaning， in the case of the narrative of the implementation of the six-step process.

Key words electric drive； practice training； six-step approach

0 引言

由劳动和社会保障部教材办公室组织编写的《电力拖动控制线路与技能训练》（中国劳动社会保障出版社，2007年第四版）这部教材是以专业理论知识与技能训练一体化的模式来编写的。因此，这部教材可使中等职业技术教育的理念“做中学，学中做”得到较好的体现或实现，同时，也易于突出职业技术教育的教学特色。在使用该教材进行电力拖动控制线路与技能训练课程教学时，通常可使用基于任务驱动的六步教学法来进行。所谓基于任务驱动的六步教学法是指，通过任务驱动―教师演示―学生讲解―学生练习―练习巩固―项目评价等六个步骤来完成电力拖动控制线路与技能训练实训课程的教学过程。教学实践证明，基于任务驱动的六步法是一种有效的教学方式，值得在电力拖动控制线路与技能训练实训课程以及其他实训课程的教学中推广使用，尤其，对于现今的中职教学来讲，更是如此。这里，以基于任务驱动的六步教学法在电力拖动控制线路与技能训练课程教学中应用来具体阐述其使用过程。

1 基于任务驱动的六步教学法在电力拖动控制线路与技能训练课程教学中应用

一般来讲，在教学中使用基于任务驱动的六步教学法时，必须重点搞好课程教学设计以及六步法方面的教学内容的实现等基本工作。

1.1 课程教学设计的基本任务

在电力拖动控制线路与技能训练课程中应用基于任务驱动六步法进行教学时，首先要做的工作是进行课程教学设计。课程教学设计的基本任务是根据教学大纲的要求，在不降低标准的情况下，对即将进行的教学内容进行合理化的组织与优化，给出适当或恰当的教学任务，这一教学任务能让六步法得以实施和实现，最好是那些能使学生有积极性或情趣性的任务。

1.2 六步教学法

一般来讲，电力拖动控制线路与技能训练课程的教学在许多情况下可用六步教学法（简称：六步法）来完成。六步法的六步是指：任务驱动―教师演示―学生讲解―学生练习―练习巩固―项目评价。这里，以“三相异步电动机的正反转控制线路”为例来阐述六步法的具体实施或实现过程。

（1）任务驱动。任务驱动是指对实训教学项目进行的目的、目标、以及相关的理论知识的说明与回顾。在对电力拖动控制线路与技能训练课程实施基于任务驱动的六步教学法时，首先要进行的就是项目任务说明。例如，在实训教学项目“正反转控制线路”开始之前，用一段工业生产视频和前节课内容相结合引出学生对三相异步电动机正反转控制的思考，演示实现电动机的正反转的方法，使学生明确本次实训进行的目的，同时还要引导学生了解正反转控制线路的基本原理、工作过程。

（2）教师演示。教师演示是指教师亲自演示并解答或解决相关知识或问题的思维与操作的过程。任务驱动之后需要告诉学生应该怎么办、如何做，这就需要教师进行教学演示。常见的演示方式有实物法和视频法等。由于这两种演示方式具有直观性，因此被受学生和教师的欢迎。这里，以“正反转控制线路”的实训教学为例来简要地说明一下如何正确地使用这两种演示方式。一般来讲，在使用这两种演示方式之前，教师首先要引导学生进行有关的知识与原有的技能的思考和复习。然后，教师在进行实训教学任务和内容的系统性的演示活动，与此同时，教师要对演示的每一个动作进行说明，其中，还包括对诸如“正反转控制线路”工作过程，工作原理，选取电器，固定电器，接线等方面的任务和知识内容的解释。最后，就是进行操作要领及注意事项的解释工作。

（3）学生讲解。学生讲解是指学生亲自表述或回答相关知识或技术技能方面问题的过程。经过教师的教学和学生自学，学生基本上理解了教学内容后，此时，可请几位学生亲自表述或回答相关知识或技术技能方面问题。例如，可请几位学生对照具体的控制线路，给其他学生再讲解一遍控制线路的工作原理，其他学生则倾听他们的讲解；与此同时，对其讲解不对的地方给予指出并提出改正意见。

（4）学生练习。学生练习是指学生通过对教师演示过程进行模仿或效仿，以学生自我练习的方式实现对相关知识与技术技能进行自我内化的思维或操作的过程。在学生练习时，应以学生为本，让学生自己来完成练习任务，但教师应及时对学生练习过中的思维过程和外部动作进行点评，并与学生共同讨论出现的问题，探索改进方法。

（5）练习巩固。练习巩固是指学生通过大量反复的再实践、在认识使其对知识的思维过程、技术动作过程加以巩固，逐渐内化的过程。在进行这种练习进行时，教师应该给予及时的关注和指导，督促学生进行扎实的练习，教师应不断地纠错，学生应不断练习，让技能逐渐地内化并巩固，并将那些感性体验较为彻底地内化为可靠的技术技能。

（6）项目评价。项目评价是指进行教学效果的检验，进行教学信息的反馈。项目评价由教师进行，在项目评价中要明确给出知识与技术技能的评价标准。教师要充分利用考核结果的信息，及时发现问题，及时查缺补漏，及时解决问题。一般来讲，在进行项目评价时要有具体的考核项目，同时，教师对考核项目的点评以及学生自己的讨论与评价往往也是不可或缺的。比如，在对学生安装与维修电气线路准确性进行考核时，教师对考核项目的点评往往是很重要的，是不可或缺的；因为教师对考核项目的点评以及学生自己的讨论与评价往往是学生对安装与维修电气线路的准确性得到进一步提高所应有的必要性举措。

2 结束语

众所周知，电力拖动控制线路与技能训练实训课程是电气专业的一门集理论知识与技能训练一体的核心专业技能课程，是以研究电力拖动控制线路的基本工作原理及生产机械上的应用为主的一门学科。其基本任务是培养能从事电气控制设备和机电一体化设备的运行、安装、调试与维护技术人员。基于任务驱动的“六步教学法”的提出为高效地完成这一任务提供了一种较为可靠的教学方法，是十分值得在中等职业技术教育学校的电力拖动控制线路与技能训练课程教学中应用与推广的。事实上，由于基于任务驱动的六步法在其整个教学过程中充分地考虑到学生在教学中的主体地位，给学生创造更多的时间和机会来参与教学，能及时利用反馈效应，及时了解学生对知识的吸收情况，使学生在操作中懂理论，使学生在练习中长技术、技能，充分实现了实训课程的人才培养的目标。实践证明，通过基于任务驱动的六步教学法可以比较好地完成电力拖动控制线路与技能训练实训课程的教学任务，对于现今的中职教学来讲，基于任务驱动的六步法确实是一种比较适合的教学方法，值得在电力拖动控制线路与技能训练实训课程的教学中使用与推广。

参与文献

[1] 宋亚明.项目教学法在实习实训教学中的应用[J].农业机械化与电气化，2006（3）.

[2] 陈均.项目教学法的设计、组织和实例[J].交通职业教育，2005（2）.

[3] 罗娟丽.实训教学五步法的探素与实践[J].中国职业技术教育，2012（5）.

[4] 徐炳文，杨育标.目标教学法：课堂教学模式探讨[J].职业教育研究，2006（8）.