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作者:張亞婷 丑修建 郭濤 熊繼軍 單位:中北大學(xué)
近年來,為了探索新型的使用壽命長、能量密度高的微能源,國內(nèi)外學(xué)者開始收集人體、聲音、道路、高層建筑等周圍環(huán)境中的振動(dòng),以實(shí)現(xiàn)微納機(jī)電系統(tǒng)的自我供能,這將有望解決能源微型化過程中電池體積大、一次性使用壽命短、能量密度小等問題。靜電式微能源目前,T.Sterken等人[5]提出的靜電式發(fā)電機(jī)采用靜電梳齒結(jié)構(gòu)和MEMS工藝,在150V的激勵(lì)下、振動(dòng)頻率為1020Hz的環(huán)境中,獲得1μW功率輸出;在3750Hz下得到16μW功率。美國Berkeley大學(xué)S.Roundy等人[6]研制出的靜電式發(fā)電機(jī)采集120Hz的低頻振動(dòng)(圖略),采用變間距式改變電容,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)變間距式的結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢,當(dāng)在120Hz,2.25m/s2的加速度振動(dòng)下,輸出功率密度達(dá)116μW/cm2。(圖略)為變面積式結(jié)構(gòu)。Y.Chiu等人[7]提出了一種靜電式微能源,利用鎢球調(diào)節(jié)裝置的固有頻率,整合機(jī)械開關(guān)被安放在換能器內(nèi),實(shí)現(xiàn)同步能量轉(zhuǎn)換。東京大學(xué)T.Tsutsumino等人[8]提出了一種靜電式發(fā)電機(jī),其利用高性能的有機(jī)膜全氟樹脂(CYTOP)作為駐極體材料來提供電荷,加載20Hz振動(dòng),振動(dòng)幅度的峰峰值為1mm,最大輸出功率達(dá)6.4μW。電磁式微能源目前在電磁能量轉(zhuǎn)換研究方面工作較突出的是英國Southampton大學(xué),從2004年開始采用硅微加工技術(shù)制作了微型電磁式振動(dòng)能量采集器,在1.615kHz的振動(dòng)頻率下,輸入加速度為0.4g時(shí),其產(chǎn)生的最大輸出功率為104nW[9];此外還提出了一種發(fā)電機(jī)在9.5kHz,1.92m/s2加速度振動(dòng)驅(qū)動(dòng)下,獲得21nW的電能[10]。D.Spreemann等人[11]設(shè)計(jì)了一個(gè)雙自由度電磁式能量采集器,中心轉(zhuǎn)子帶動(dòng)磁鐵運(yùn)動(dòng),使磁通量產(chǎn)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,克服了單自由度能量采集器固有頻率的限制,適用于實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)。在低頻環(huán)境中30~80Hz,可得到3mW的功率。H.Kulah等人[12]提出了一種鐵圈同振型發(fā)電機(jī),通過一個(gè)電磁式頻率放大器將低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻振動(dòng),而輸出功率與振動(dòng)頻率的三次方成正比,從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率。P.H.Wang等人[13]提出了一種銅平面彈簧式結(jié)構(gòu),為了獲得更低的固有頻率,測試結(jié)果顯示在121.25Hz頻率和1.5g的加速度下,開路電壓為60mV。以上研究初步達(dá)到了電磁發(fā)電單獨(dú)供能的目的,但在提高電源的能量密度和轉(zhuǎn)換效率,以及輸出能量收集與控制方面仍需要進(jìn)行大量的研究工作。
壓電式微能源為了在低頻低強(qiáng)度的普通環(huán)境中提高轉(zhuǎn)換效率,大多數(shù)研究對微能源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。S.Roundy等人[14]制作的矩形單懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電機(jī)在120Hz、加速度為2.5m/s2下,產(chǎn)生25μW/cm2的能量。D.Shen等人[15]研制的低頻(183.8Hz)能量采集器,采用單矩形懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu),體積僅為0.769cm3,輸出平均能量為0.32μW,能量密度為41.625μW/cm2。E.K.Reilly等人[16]研究了矩形、梯形、螺旋形等不同結(jié)構(gòu)的壓電懸臂梁。研究表明,螺旋形結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力最大,可產(chǎn)生較大的形變,輸出較高的電能,梯形結(jié)構(gòu)次之。但是由于矩形結(jié)構(gòu)加工簡單,故被廣泛應(yīng)用。2010年,G.Zhu等人[17]收集說話聲音,采用豎直結(jié)構(gòu)的ZnO納米線陣列代替常用的PZT壓電材料制成了納米發(fā)生器,通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在-100dB強(qiáng)度的聲波振動(dòng)下,輸出峰值為50mV的交流電壓。近年來國內(nèi)吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)等[18-20]也開展了關(guān)于壓電振子發(fā)電的微能源研究工作,并在壓電微能源應(yīng)用研制方面取得了一定的研究成果。通常環(huán)境下振動(dòng)分布在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi),如果微能源帶寬過窄,則不能滿足實(shí)際需求。目前的頻帶擴(kuò)展方法主要有陣列式[21-22]、多梁-多質(zhì)量塊系統(tǒng)[23]以及頻率可調(diào)式[24-25]。陣列式是通過具有不同固有頻率的單懸臂梁-單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)頻帶擴(kuò)展,即使振動(dòng)頻率改變,某些頻率的懸臂梁也會處于工作狀態(tài);多梁-多質(zhì)量塊系統(tǒng)是通過使結(jié)構(gòu)某兩階頻率接近來實(shí)現(xiàn)頻帶擴(kuò)展;頻率可調(diào)式分為主動(dòng)調(diào)頻和被動(dòng)調(diào)頻。主動(dòng)調(diào)頻需要調(diào)頻器,而調(diào)頻器耗能大于產(chǎn)生的能量,故不可行;被動(dòng)調(diào)頻需要激勵(lì)和傳感器,這提高了復(fù)雜性和成本。2006年,M.Ferrari等人[26]提出了一種多頻能量轉(zhuǎn)換器,覆蓋100~300Hz波段;2007年A.IbrahimSari等人[27]采用不同長度懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了微型發(fā)電機(jī)的帶寬,在4.2~5kHz的振動(dòng)頻率下,產(chǎn)生4μW的能量,覆蓋800Hz的波段。上海交通大學(xué)的馬華安等人[28]采用永磁鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)量塊,并且在質(zhì)量塊的上方和下方也放置了不同極性的永磁鐵,通過吸引力和排斥力來調(diào)整壓電懸臂梁的固有頻率,固有頻率范圍拓寬為80~100Hz。電能采集、存儲電路微小能量的采集、存儲也是微能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),否則振動(dòng)產(chǎn)生的微電壓并無實(shí)用價(jià)值。能量采集存儲電路主要包括整流電路、升壓電路和存儲電路。對于此部分的研究已經(jīng)較為成熟,但大部分都是基于經(jīng)典的分立器件所搭建而成,具有靜態(tài)電流高、采集存儲效率低的特點(diǎn)。LINEAR公司[29]新推出了一款專門面向能量收集的集成芯片LTC3588,它內(nèi)部集成了AC/DC、電荷泵以及電源管理模塊,可以直接采集微小交流電壓信號,持續(xù)輸出100mA的電流信號,且其靜態(tài)電流只需950nA。TI公司[30]在2011年底推出的BQ25504芯片,也同樣集成了采集存儲電路的幾個(gè)模塊,其靜態(tài)電流僅為330nA,可以將能量存儲在鋰電池、薄膜電池以及超級電容中,同時(shí)其良好的電源管理實(shí)現(xiàn)了充放電保護(hù)的功能,極大地提高了系統(tǒng)的集成度。它們都具有操作簡單、能量采集存儲效率高、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的特點(diǎn),可以廣泛地應(yīng)用于由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微能源系統(tǒng)。電能存儲的介質(zhì)選擇也是研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。沈輝[31]對超級電容、鎳氫電池和鋰電池的儲存電荷能力進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)電容器的充放電速度較快,可以迅速地回收產(chǎn)生的電能,同時(shí)其充電效率最高可達(dá)95%,并且充電次數(shù)理論上也可達(dá)無窮次;與之相反,電池的充電速度慢,不能立即使用回收的電能,同時(shí)其充電效率僅為92%(鋰電池)、69%(鎳氫電池),使用壽命為500~1000次,但其具有放電時(shí)間長、輸出電壓比較穩(wěn)定的特點(diǎn)。經(jīng)過一個(gè)月的自放電測試,超級電容自放電效率最高,剩余電量僅為65%,鎳氫電池為70%,鋰離子電池為95%。但是對于需要經(jīng)常充放電的場合,自放電可以忽略,超級電容憑借其可以無限次重復(fù)使用的特點(diǎn),受到了科研人員的青睞。三種不同類型的微能源相比較,壓電式微能源有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成和微型化的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)應(yīng)用到生活中。日本的研究員在東京火車站的地面上鋪上了四塊包含壓電發(fā)電裝置的地板,其可以顯示產(chǎn)生的能量,可為自動(dòng)檢票門提供能量[4]。以色列Innowattech公司[32]建立了第一條發(fā)電公路,用預(yù)制塊和環(huán)氧樹脂作保護(hù),防止壓電晶體破損。英飛凌公司[33]推出了MEMS傳感器、MCU、RF、MEMS自供電電源四合一的新型TMPS。
電磁式微能源的設(shè)計(jì)僅在理論指導(dǎo)下進(jìn)行,對器件進(jìn)行仿真分析較少[34],所以,難以得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型;壓電微能源的大部分研究都通過改變幾何結(jié)構(gòu)來降低共振頻率、優(yōu)化電路以提高能量轉(zhuǎn)換效率,而對于研究新型的壓電材料來提高系統(tǒng)性能的研究相對較少;由于MEMS的微加工、微裝配與封裝技術(shù)處于發(fā)展階段,使得振動(dòng)式微能源不能按照設(shè)計(jì)要求達(dá)到精確制作與裝配,從而難以得到理想結(jié)果。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源技術(shù)存在以下應(yīng)用方面的問題:實(shí)際生活環(huán)境中振動(dòng)頻率范圍比較寬,從十幾赫茲到幾百赫茲,至今沒有提出有效調(diào)節(jié)頻率的方法。因此,有人提出使用非線性振動(dòng)模型來研究微能源[35],但目前,這方面的研究還很少。儲存電能的介質(zhì)需要做進(jìn)一步研究,特別是超級電容,其放電速度快、輸出電壓不是很穩(wěn)定的特性需要改進(jìn)。理論上微能源具有壽命較長的優(yōu)點(diǎn),但是實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中振動(dòng)加速度和頻率對微能源壽命有很大的影響。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源已成為各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。目前,電磁式、壓電式微能源的研究相對較多,但是為了提高其性能指標(biāo),從而更快應(yīng)用到實(shí)際中,振動(dòng)式微能源的結(jié)構(gòu)還在不斷得到改進(jìn)、優(yōu)化,并且提出新的結(jié)構(gòu)模型。而靜電式微能源由于需要外部電源,限制了其應(yīng)用,因而研究相對較少。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源技術(shù)向低頻、多頻、寬頻、非線性振動(dòng)模型、復(fù)合微能源發(fā)展[36-37]。同時(shí),將幾種不同轉(zhuǎn)換形式的微能源集成在同一芯片上,可以綜合不同原理微能源的優(yōu)點(diǎn),提高能量密度,這些都是微型化和實(shí)用化的關(guān)鍵。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源有望為野外和置入結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)提供高可靠、長時(shí)間的電能,為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和便攜式微電子產(chǎn)品提供充足的電源,所以研究振動(dòng)式微能源有重要的實(shí)用意義。
關(guān)鍵詞:通信電源開關(guān)技術(shù)
通信電源是通信行業(yè)的動(dòng)力,在電信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著不可替代的作用,具有無可比擬的重要基礎(chǔ)地位。通信電源又是通信設(shè)備系統(tǒng)的心臟,即使是瞬間的中斷也是不允許的,因?yàn)橥ㄐ烹娫聪到y(tǒng)發(fā)生直流供電中斷故障是災(zāi)難性的,往往會造成整個(gè)通信局(站)和通信網(wǎng)絡(luò)的全部中斷和癱瘓。通信電源是電信網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的重要組成部分,是一個(gè)完整、規(guī)模日趨龐大和復(fù)雜的交換、傳輸、數(shù)據(jù)、信息、業(yè)務(wù)、智能等通信網(wǎng)的基石和后臺保障,因此通信電源直接關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、可靠和暢通,而開關(guān)電源因效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)被大量運(yùn)用在通信設(shè)備供電中。
一、開關(guān)電源占據(jù)通信電源的主導(dǎo)地位
通信直流穩(wěn)壓電源按照其實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓方法的不同,可分為:線性電源、相控電源和開關(guān)電源三種。
1.1線性電源是通過串聯(lián)調(diào)整管來連續(xù)控制,其功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)。由于調(diào)整管上功率損耗很大,造成電源效率較低,只有20~40%,發(fā)熱損耗嚴(yán)重,安裝有體積很大的散熱器,因而功率體積系數(shù)只有20~30W/dm3。因此線性電源主要用于小功率、對穩(wěn)壓精度要求很高的場合,如通信設(shè)備內(nèi)部電路的輔助電源等。
1.2相控電源是將市電直接經(jīng)整流濾波后提供直流,通過改變晶閘管的導(dǎo)通相位來控制直流電壓。由于相控電源的工作頻率低,工頻變壓器的體積和噪聲大,造成對電網(wǎng)干擾和負(fù)載變化的響應(yīng)慢,設(shè)備笨重,且危害維護(hù)人員的身體健康。另外,其功率因數(shù)較低,只有0.6~0.7,嚴(yán)重污染電力電網(wǎng),效率較低,只有60~80%,造成能源的極大浪費(fèi)。因此傳統(tǒng)的相控電源已逐漸被淘汰。
1.3開關(guān)電源的功率調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài),主要的優(yōu)點(diǎn)在"高頻"上。其工作頻率高,大都在40kHz以上,無煩人的噪聲。體積小,重量輕,適用于分散供電,可與通信設(shè)備放在同一機(jī)房。效率高,大于90%,在當(dāng)前能源比較緊張的情況下,能夠在節(jié)能上做出很大的貢獻(xiàn)。功率因數(shù)高,大于0.92,當(dāng)采用有效的功率因數(shù)校正電路時(shí),功率因數(shù)可接近于1,且對公共電網(wǎng)基本上無污染。模塊化的設(shè)計(jì),可實(shí)行N+1配置,可靠性高。維護(hù)方便,可在運(yùn)行中更換模塊,而不影響系統(tǒng)供電,擴(kuò)容方便、分段投資,可在初建時(shí),預(yù)留終期模塊的機(jī)架,隨時(shí)擴(kuò)容。調(diào)試方便,內(nèi)設(shè)模擬測試電路,無需另配假負(fù)載。具有監(jiān)控功能,并配有標(biāo)準(zhǔn)通信接口,可實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控,無人值守。
二、開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)
開關(guān)電源中具有技術(shù)突破主要有體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:
2.1均流技術(shù)
大功率電源系統(tǒng)需要用若干臺開關(guān)電源并聯(lián),以滿足負(fù)載功率的要求,另外通信電源必須通過并聯(lián)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)模塊備份,以提高電源系統(tǒng)的可靠性。因此并聯(lián)技術(shù)在供電系統(tǒng)中必不可少,而并聯(lián)運(yùn)行的整流模塊間需要采用均流措施,它是實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵,用以保證模塊間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配,防止一臺或多臺模塊運(yùn)行在限流或滿載狀態(tài),同時(shí)延長電源系統(tǒng)的壽命和平均無故障時(shí)間。
2.2軟開關(guān)技術(shù)
DC-DC變換器是開關(guān)電源的主要組成部分,因此功率變換技術(shù)一直受到全世界電力電子學(xué)科和行業(yè)研究的關(guān)注。而如何降低開關(guān)損耗,提高開關(guān)電源的頻率和開關(guān)電源的系統(tǒng)效率,代表了開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。在經(jīng)過了硬開關(guān)PWM(或PFM)技術(shù)和硬開關(guān)加吸收網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后,軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。這樣能夠極大地降低開關(guān)損耗,減小功率器件電和熱應(yīng)力,改善器件工作環(huán)境,降低電磁干擾,提高功率密度等,為開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、體積小、重量輕和高可靠性的要求做出了貢獻(xiàn)。軟開關(guān)技術(shù)有:諧振技術(shù)、準(zhǔn)諧振技術(shù)、PWM和準(zhǔn)諧振相結(jié)合的技術(shù)。
2.3功率因數(shù)校正技術(shù)
功率因數(shù)校正技術(shù)有:采用三相三線制整流,即無中線整流方式,可使諧波含量大大降低,功率因數(shù)可達(dá)0.86以上;采用無源功率因數(shù)校正技術(shù),即在三相三線整流方式下加入一定的電感,可使功率因數(shù)達(dá)0.93以上,諧波含量降到10%以下;采用有源功率因數(shù)校正技術(shù),即在輸入整流部分加入一級功率處理電路,使無功功率幾乎為0,功率因數(shù)可達(dá)0.99以上,諧波含量降到5%以下。
2.4智能化監(jiān)控技術(shù)
開關(guān)電源大量應(yīng)用控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù),進(jìn)行各種異常保護(hù)、信號檢測、電池自動(dòng)管理等,實(shí)時(shí)監(jiān)視通信電源設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),記錄和處理有關(guān)數(shù)據(jù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障,以先進(jìn)的、集中的、自動(dòng)化的維護(hù)管理方式來管理通信電源設(shè)備,從而提高供電系統(tǒng)的可靠性。智能化監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用,使得維護(hù)人員面對的不再是復(fù)雜的器件和電路,而是一個(gè)人機(jī)表達(dá)和交流的信息,大大改進(jìn)了維護(hù)管理方式。
三、開關(guān)電源的發(fā)展
開關(guān)電源在發(fā)展,今后仍要不斷提高開關(guān)電源和供電系統(tǒng)的高新技術(shù)含量,以支撐高速發(fā)展的現(xiàn)代化通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)管理為主導(dǎo)方向,以高可靠性、高穩(wěn)定性和可維護(hù)性為最終目的。具體有以下幾個(gè)方面:
3.1小型化
隨著通信設(shè)備日益集成化、小型化和分散化的發(fā)展,以及勢在必行的分散供電的廣泛應(yīng)用,要求開關(guān)電源也相應(yīng)小型化,而開關(guān)電源工作頻率高頻化和控制電路集成化,使開關(guān)電源的小型化成為可能。特別是隨著小型化開關(guān)電源的市場迅速擴(kuò)大,如接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、移動(dòng)基站、無線市話等,一些小功率模塊插件形式的開關(guān)電源將應(yīng)運(yùn)而生,大有蓬勃發(fā)展之勢。如中興通訊的ZXDU45嵌入式電源,在結(jié)構(gòu)上采用標(biāo)準(zhǔn)的19英寸插框設(shè)計(jì),高度為4U,功能齊全,使用起來極為安全方便。
3.2高智能化
隨著開關(guān)電源在通信領(lǐng)域多方面的廣泛使用,而維護(hù)人員又不是專業(yè)電源維護(hù)人員,只有借助其智能化,對電源設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)檢測,對電源故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和處理。這就要求智能化在原有監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上,增加診斷功能,即故障診斷專家系統(tǒng),以指導(dǎo)維護(hù)人員處理問題,加快故障診斷和檢修過程。
3.3電池管理
電池在通信電源系統(tǒng)中的重要性,要求開關(guān)電源應(yīng)具備完善的電池管理功能,充分考慮到電池對管理的需求,全方位地管理電池。也就是說,我們不能滿足于對電池的均/浮充、溫度補(bǔ)償、電池保護(hù)等方面的管理,還要在電池的充/放電曲線、容量測試、容量恢復(fù)等方面進(jìn)行高層次的管理。
通常情況下,電力電子得理論教學(xué)都是按照教科書的章節(jié)順序進(jìn)行,難免枯燥乏味,高深難懂。電力電子學(xué)科涉及面比較廣,如果將電力電子學(xué)科理論劃分為多個(gè)部分會起到更好的效果。比如劃分為四大變換電路部分、器件與控制部分以及電力電子前沿技術(shù)等三部分進(jìn)行教學(xué),三部分既可以先后進(jìn)行也可以同時(shí)穿行。
1.分析電路盡量使用多媒體。
電力電子技術(shù)的核心就是整流、逆變、斬波和交交變換四大基本電路,在電路工作過程的分析中,通常一個(gè)電路都有多個(gè)工作狀態(tài),不同的工作狀態(tài)又分別對應(yīng)著不同的電壓電流波形,也就是說電路的工作過程往往都是動(dòng)態(tài)的過程,而傳統(tǒng)的書本上的文字和原理圖是無法很好地展現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程的。這時(shí),如果采用幻燈片等多媒體形式,可以將電路工作的動(dòng)態(tài)過程很好地展現(xiàn)給學(xué)生們觀看,把書本上靜態(tài)的電路以及波形圖動(dòng)起來,這樣就能夠讓學(xué)生們更好地理解電力電子電路的工作過程。與此同時(shí),結(jié)合書本上的理論,再將不同電路的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),使同學(xué)們復(fù)習(xí)時(shí)結(jié)合著書中的理論,頭腦中聯(lián)想著多媒體演示動(dòng)畫,便會在學(xué)習(xí)中事半功倍,容易記憶,提高學(xué)生的分析計(jì)算和實(shí)際解題的能力。
2.器件與控制部分應(yīng)注重練習(xí)。
電力電子器件及控制部分具有覆蓋面大、定性與定量相結(jié)合的特點(diǎn),學(xué)好這一部分,就必須將概念的理解與相關(guān)的計(jì)算進(jìn)行練習(xí),在習(xí)題式的教學(xué)中,不斷提高分析問題和解決問題的能力。研究生階段,各高校幾乎很少帶領(lǐng)學(xué)生做與課程相關(guān)的習(xí)題,多數(shù)學(xué)生也只有在考試的時(shí)候才有機(jī)會在試卷中解答一些問題,雖說現(xiàn)在不提倡傳統(tǒng)針對考試的題海戰(zhàn)術(shù),但是平時(shí)適當(dāng)做一些典型的練習(xí)還是有必要的,電力電子器件種類多、特點(diǎn)各不相同,而控制方法也有很多,甚至與自動(dòng)控制原理等其他學(xué)科相關(guān)聯(lián),在教學(xué)中適當(dāng)找一些典型例題進(jìn)行講解,可以讓同學(xué)們在繁雜的知識中抓住重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行突破,最終掌握這部分知識要點(diǎn)。
3.學(xué)生自主參與新技術(shù)教學(xué)。
電力電子技術(shù)具有發(fā)展速度快的特點(diǎn),新的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn),加強(qiáng)電力電子新技術(shù)的教學(xué)可以擴(kuò)展學(xué)生知識面,掌握電力電子技術(shù)發(fā)展新方向。這一部分的特點(diǎn)是沒有定量計(jì)算、難度不大、但對于資料的收集工作量比較大,根據(jù)這些特點(diǎn),在教學(xué)中,可以將這部分安排給每個(gè)學(xué)生進(jìn)行講解,在講解前每個(gè)同學(xué)查找相關(guān)資料,然后對資料進(jìn)行分類總結(jié),加入自己的理解,在講解過程中既可以使用多媒體也可使用板書的形式,講解后學(xué)生之間可以相互提出問題,相互討論,形成良好的研究氛圍。在這種學(xué)生自主教學(xué)的過程中,既提高了學(xué)生查找資料的能力,也能提高學(xué)生的概括的創(chuàng)新能力,還為研究生畢業(yè)學(xué)術(shù)論文的撰寫提供了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。
二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)進(jìn)行分類
電力電子技術(shù)是一個(gè)應(yīng)用性很強(qiáng)的一門學(xué)科,在理論教學(xué)的同時(shí)一定要有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來配合和補(bǔ)充,開設(shè)實(shí)驗(yàn)課是對理論課的延伸和補(bǔ)充,更能夠突出應(yīng)用型學(xué)科的特色。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上,應(yīng)分為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)習(xí)三個(gè)部分進(jìn)行教學(xué)。
1.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)應(yīng)緊密結(jié)合課本。
驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是對已經(jīng)有的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,與學(xué)生的理論教學(xué)緊密銜接,通過書上的理論來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的操作,同時(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果又可以加深學(xué)生對于書本理論的深度理解。在理論課程之后,應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程相跟進(jìn),在實(shí)驗(yàn)開始前,老師帶領(lǐng)學(xué)生對課本知識點(diǎn)進(jìn)行回顧,確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)步驟,同學(xué)們按照實(shí)驗(yàn)要求完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作,并能夠運(yùn)用書本上的知識來解釋實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象,最后通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行總結(jié),得出驗(yàn)證性的結(jié)論。
2.鼓勵(lì)開展探究性試驗(yàn)。
電力電子技術(shù)是一門正在快速發(fā)展的學(xué)科,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主探究,通過對已有知識的學(xué)習(xí)讓學(xué)生們充分發(fā)揮想象力,制作一些相關(guān)的小制作、小發(fā)明,在探究性試驗(yàn)的過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生根據(jù)自己掌握的知識,結(jié)合當(dāng)今電力電子發(fā)展的前沿技術(shù),加上自己的想象力和創(chuàng)造力,獨(dú)立設(shè)計(jì)出屬于自己的電子作品,而在探究的過程中難免會遇到一些問題,這時(shí)老師應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)指導(dǎo),給出一些方案,讓學(xué)生自主解決實(shí)際問題。平時(shí)盡可能地開放實(shí)驗(yàn)室,使學(xué)生增加動(dòng)手操作機(jī)會。此外還應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”等科技比賽,增加在創(chuàng)新方面的交流合作,從而學(xué)會更多解決問題的新方法。
3.拓展實(shí)習(xí)應(yīng)突出實(shí)際應(yīng)用。
在傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)之外,對于電力電子技術(shù)這種應(yīng)用型很強(qiáng)的學(xué)科,應(yīng)適當(dāng)組織學(xué)生到某個(gè)單位進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)的目的是為了應(yīng)用,當(dāng)今電力電子技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在了許多領(lǐng)域之中,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以聯(lián)系某個(gè)具體單位進(jìn)行參觀,在實(shí)際的生產(chǎn)過程中,讓學(xué)生們更加具體地了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用。除了參觀之外,也可由老師或者學(xué)生找一些與電力電子技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的視頻資料,分享給大家進(jìn)行觀看,也可以起到非常好的效果。實(shí)習(xí)結(jié)束之后,學(xué)生以報(bào)告的形式寫出自己學(xué)到了什么或者是心得體會。這樣,理論聯(lián)系實(shí)際,對于理工科的教學(xué)是有很大幫助的。
三、總結(jié)
1.1靈感源泉
中國古典造園藝術(shù)是當(dāng)代園林景觀設(shè)計(jì)的靈感源泉,其古典造園藝術(shù)設(shè)計(jì)思想更是當(dāng)代園林藝術(shù)的理論基礎(chǔ)。中國古典園林作為風(fēng)景式園林設(shè)計(jì)的典范,是設(shè)計(jì)師和工匠在特定的空間內(nèi),經(jīng)過精心設(shè)計(jì),運(yùn)用高超造園手段,將建筑和山、水、植被等加以配置組合,形成源于自然環(huán)境,又高于自然環(huán)境的有機(jī)整體,將自然美和人工美合理地結(jié)合在一起。
1.2文化傳承
園林景觀設(shè)計(jì)師必須對國內(nèi)優(yōu)秀的風(fēng)景園林景觀案例加以深入研究,挖掘出富有本土文化特征的景觀元素加以運(yùn)用,才能設(shè)計(jì)出具有“中國味道”的風(fēng)景園林景觀作品。園林景觀藝術(shù)是直觀體驗(yàn)性藝術(shù),觀賞者無需接受專門的培訓(xùn),就可以感受到園林景觀的形式美。同時(shí),這種直觀藝術(shù)受時(shí)代背景和文化氛圍的影響,可以使觀賞者耳濡目染的感受到當(dāng)時(shí)的文化修養(yǎng)和審美情趣。
2當(dāng)代居住區(qū)景觀設(shè)計(jì)常見問題
2.1不尊重自然環(huán)境
許多居住區(qū)的景觀設(shè)計(jì)和營造過程中對景觀的功能性考慮不足,注重表現(xiàn)外表的美觀。某些開發(fā)商為了追求表面的氣勢和美觀效果,達(dá)到增加成交量的目的,不惜重金做面子活,為此增加了成本,加重了購房者的資金支出,也使得后期的物業(yè)管理面臨巨大考驗(yàn)。
2.2缺乏神韻
現(xiàn)代居民小區(qū)已經(jīng)成為居民,尤其是老人和孩子日常休閑活動(dòng)的主要場所,因此,設(shè)置的休閑活動(dòng)空間充足,有健身區(qū)、兒童游樂場地、休閑步道等,這些空間普遍尺度較大,且多以鋪裝為主,相對缺乏可供好友休閑小憩的私密空間。3.3施工時(shí)間短隨著社會生產(chǎn)水平的不斷提高,很多傳統(tǒng)建造技術(shù)已經(jīng)被機(jī)器化大生產(chǎn)式的快速施工技術(shù)所淘汰,當(dāng)代施工者往往依靠現(xiàn)代技術(shù)手段,使得傳統(tǒng)建造技術(shù)開始失傳,其精髓更難以再現(xiàn)?,F(xiàn)代居住小區(qū)中經(jīng)常可以看到其它建筑材料仿制木材建成的亭臺水榭,雖然形似,卻沒有了木材的生動(dòng),傳統(tǒng)工藝的風(fēng)采不復(fù)存在。
3傳統(tǒng)造園藝術(shù)對現(xiàn)代居住區(qū)的影響
3.1理解古典園林的內(nèi)涵
要設(shè)計(jì)具有中國元素的居住區(qū)景觀設(shè)計(jì),必須從觀念上徹底改變,不能完全依賴新技術(shù)、新材料,更不能對現(xiàn)代西方園林的成功典范照搬照抄,要學(xué)習(xí)中國古典園林景觀藝術(shù)的造園理念和設(shè)計(jì)手法。
3.2尊重自然原則
大自然是園林景觀設(shè)計(jì)中取之不盡、用之不竭的資源,因此,中國古典園林藝術(shù)遵從天人合一的思想,在人與自然之間尋求和諧。尊重自然是中國古典園林藝術(shù)文化的核心精髓,采用尊重生態(tài)自然的客觀規(guī)律來造園,以自然景致為主,強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)師對大自然的深刻理解和藝術(shù)化的表現(xiàn)。
3.3現(xiàn)代主義與古典主義相結(jié)合
中國古典園林講究依山林而建,通過借景、比喻等方法將園內(nèi)景觀和周圍自然生態(tài)結(jié)合起來,同時(shí),也可以起到延展空間的作用,使各個(gè)區(qū)域之間相互連接、滲透,彼此呼應(yīng),形成一個(gè)整體。現(xiàn)代景觀設(shè)計(jì)也要求設(shè)計(jì)師將視域作為設(shè)計(jì)范圍,以地平線為空間參照,突出與本地區(qū)景觀的融合。這與古典造園手法中追求無限想象的外延空間理念是一致的。
4結(jié)語
(一)學(xué)生綜合素質(zhì)水平參差不齊
電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)對學(xué)生的綜合素質(zhì)的要求強(qiáng)于其他專業(yè),主要體現(xiàn)在學(xué)生的表現(xiàn)能力、創(chuàng)造能力、想象能力和設(shè)計(jì)能力。由于主觀和客觀方面的原因,學(xué)生在文化知識、繪畫能力、藝術(shù)修養(yǎng)等方面存在一定的差異,學(xué)生參差不齊的素質(zhì)給教學(xué)帶來了一定的困難。
(二)教學(xué)理念和思路存在欠缺
就業(yè)市場和崗位需求隨著社會的發(fā)展不斷的發(fā)生變化,社會對電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的要求也在持續(xù)提高,當(dāng)前很多院校依然是傳統(tǒng)教學(xué)理念和授課方式占主導(dǎo)地位,只重視書本知識的傳播,忽略了實(shí)踐能力和職業(yè)能力培養(yǎng)。這些都嚴(yán)重的阻礙了電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的良性發(fā)展。
(三)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容存在不足
電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)注重的是動(dòng)手實(shí)踐能力,當(dāng)前很多高校的電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)培養(yǎng)模式還是重理論,輕實(shí)踐。教師更注重對學(xué)生理論知識的傳播,而忽略了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容基本來源教材,實(shí)訓(xùn)案例單一、陳舊,與職業(yè)崗位要求嚴(yán)重脫離。
二、高等院校電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)改革研究
隨著我國政治經(jīng)濟(jì)文化綜合實(shí)力的增強(qiáng)以及文化藝術(shù)的繁榮昌盛,我國的藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)教育已經(jīng)迎來了新發(fā)展契機(jī)。電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的教學(xué)改革體現(xiàn)在教學(xué)理念、教學(xué)思路、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及專業(yè)特色創(chuàng)新等方面。
(一)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)課程的改革
教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)課程是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的主要手段,也是教學(xué)過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在實(shí)際的教學(xué)過程中依據(jù)企業(yè)需求和職業(yè)技能及電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的特點(diǎn)來調(diào)整教學(xué)計(jì)劃中課程的側(cè)重點(diǎn),并且引入企業(yè)真實(shí)案例及企業(yè)合作共同開發(fā)的專業(yè)教材,教學(xué)內(nèi)容和課程的調(diào)整后,采用教、學(xué)、做,理論與實(shí)踐相結(jié)合的模式,鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手,多思想、多觀察。這樣既能夠讓學(xué)生全面的掌握課程知識,又能夠培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用能力和動(dòng)手操作能力。通過電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)體系的改革切實(shí)幫助學(xué)生理解專業(yè)知識,提高其動(dòng)手實(shí)踐能力,實(shí)現(xiàn)理論實(shí)踐相結(jié)合、專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)素質(zhì)相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。
(二)人才培養(yǎng)方式的改革
隨著教育體制改革的深入,社會市場需求的多樣化發(fā)展,人才培養(yǎng)方式的改革已經(jīng)逐漸成為高等院校的重要問題。電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案是通過專業(yè)的教學(xué)體系來實(shí)現(xiàn),在其制定過程中需要組織教師到國內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)較為發(fā)達(dá)的城市和相關(guān)企業(yè)進(jìn)行考察交流,真正的了解市場發(fā)展?fàn)顩r和行情,建構(gòu)新的教學(xué)體系和目標(biāo)。從而能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識、提供新的實(shí)踐平臺、引進(jìn)市場的競爭機(jī)制、來調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。在教學(xué)中學(xué)生是學(xué)習(xí)主體,教師是教育主導(dǎo),兩者需營造出雙向互動(dòng)、引導(dǎo)與自主學(xué)習(xí)的教學(xué)氛圍,促使學(xué)生主動(dòng)地學(xué)習(xí),有創(chuàng)造性地獲得新的專業(yè)知識,提高自身綜合素質(zhì)能力。高等院校只有加強(qiáng)對人才培養(yǎng)方式的改革,才能切實(shí)滿足市場對人才的要求。
(三)加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)、完善教學(xué)條件
建設(shè)一支具有過硬的專業(yè)素質(zhì)、較強(qiáng)文化藝術(shù)修養(yǎng)并且精通專業(yè)知識及職業(yè)能力的教師隊(duì)伍,對于高等院校電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的教學(xué)改革是非常有必要的。高等院校應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對“雙師型”人才隊(duì)伍建設(shè)的重視,在保證教學(xué)質(zhì)量的情況下,鼓勵(lì)教師積極的參與到實(shí)體工程設(shè)計(jì)和建設(shè)當(dāng)中,通過企業(yè)真實(shí)案例項(xiàng)目來切實(shí)提高教師自身的綜合素質(zhì)能力和教學(xué)實(shí)踐水平,促使其具備雙師型教師素質(zhì)。同時(shí),完善的教學(xué)條件也是加強(qiáng)教學(xué)改革的必要條件,應(yīng)當(dāng)安排專項(xiàng)基金,對電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改造,建設(shè)一個(gè)體系、配套的教學(xué)場所。例如建立一個(gè)完善的電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)工作室、或者計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)房、多媒體教學(xué)中心、電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)工作室、專業(yè)畫室、攝影工作室、噴繪實(shí)驗(yàn)室等實(shí)訓(xùn)場所,并且可以積極的引入校外資源與社會企業(yè)合作,進(jìn)行聯(lián)合辦學(xué)以滿足教學(xué)的需求。
三、結(jié)語