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1、电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 斯坦福大学和麻省理工学院电子电气类课程设置改革 对我国高等教育的启示 傅丰林杨清海 ( 西安电子科技大学西安7 1 0 0 7 1 ) 当代社会中越来越多的人已认识到，信息和物质( 材料) 、能源一起构成社会赖以生存的三大要 素，随着科学技术的发展，信息己渗透到社会的各个角落，起着越来越重要的作用。信息产业是我 国目前阶段重点发展的产业。国家提出信息化带动工业化战略，用信息技术改造传统产业，加快国 民经济和社会信息化进程。 我们处在信息技术突飞猛进的时代，信息产业的蓬勃发展亟需高素质创新人才，这对我国高等 教育提出了更高的要求。如何使电子信息类
2、专业根据信息产业的发展和社会对人才的需求，经常性 地优化培养方案和课程设置，是培养满足技术急剧变革时代高素质人才的关键。笔者通过分析未来 信息产业发展，参考麻省理工学院和斯坦福大学电子电气类专业最新本科课程设置，就基础课程改 革问题提出一点看法。 一、背景 信息技术发展迅速，具有高度分化又高度融合的特点：电子信息产品更新换代很快，信息技术 应用生产周期大为缩短。各种各样的新技术、新产品吸引了众多高中毕业生选择了电子信息类专业： 上世纪8 0 年代早期：家用计算器、话音带宽的数据调制解调器； 上世纪8 0 年代后期：P C 、模拟蜂窝电话、C D 机、电子公告板： 上世纪9 0 年代早期：手提电
3、脑、数字蜂窝电话、视频C D 机、互联网； 上世纪9 0 年代后期：网络电话、D V D 、A D S L 、网络多媒体； 本世纪前几年：3 G 、视频电话、G P S 、数字广播； 未来5 1 0 年：无所不在的网络：射频识别、家庭网络、智能交通、广域区域局域网络， 自组织与传感器网络，内容合成等等。 这些技术越来越多地融合了通信、信号处理以及网络功能，信息技术不仅主导了消费电子产品 的发展，也推动了技术创新。这要求毕业生具有宽广的专业知识。学生所面对的系统复杂度是以指 数级增加的。学生不仅要对相应复杂度的技术和理论有感性理解，还需要利用所学知识给出合适的 归纳。信息技术的快速发展也改变了学
4、生的认知背景及兴趣：在上大学前他们热衷于拆装电子产品 的时代早已经过去，现在他们有更多接触软件的经历。课程设置需要考虑这些因素，需要激发学生 们的学习兴趣和创新精神。 电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 二、斯坦福大学和麻省理工学院电子信息类基础课的设置 近期，斯坦福大学电气工程系和麻省理工学院的电气工程和计算机科学系对本科生课程设置进 行了改革。两所大学改革后的共同点是强调实践应用、加强核心课程的实验教学、突出系统概念而 不是器件、强化软硬件的联系。 1 斯坦福大学电气工程系核心基础课 斯坦福大学电气工程系原设置了6 个领域的课程，分别是计算机硬件、软件、控制、电子、场 与波和
5、信号处理与通信。在新的设置中，可归为四大领域：数字系统、信号系统与控制、电子和场 与波。场与波领域没有安排核心课程，而是直接设置高年级深度课程。其他三大领域核心课程安排 如图l 所示。 图l 斯坦福大学电气工程学院核心基础课 相对于该系以前的课程设置，新设置减少了课程数量，简化了体系结构。作为电气工程专业基 础入门课程，电路与系统得到了保留，但要求进一步修改此课程以利于解决两个关键问题：满足电 子电气工程所有专业要求的入门课程而不仅仅是电子工程专业的；课堂教学面向应用以增加学生的 学习兴趣。该课程建议其课堂教学基于无线遥控汽车，并以三个方面来解析学习内容：第一，讲解 通信与控制的抽象问题，引导
6、学生认知信号、系统、控制以及功率，树立系统概念；第二，考虑各 种实际问题，探讨怎样用模拟电子器件来实现系统；第三，设计数字逻辑控制系统。这三个方面分 别对应三个领域：信号系统与控制、电子和数字系统，图1 如示这三个领域的核心课程是并行设置 的。 信号系统与控制：课程学习目的是引入设计和分析电子信号与系统所用的数学模型和工具。 课程学习顺序建议信号系统与控制l 为连续时间信号与系统，信号系统与控制2 为离散时间信号与 系统。通过通信、信号处理和控制论的应用实例来讲述基本概念及相关技术。实验部分采用M a t l a b 实习及项目来阐明概念和技术应用。 电子：设置目的为学习电子线路建模和分析。课
7、程电子l 主要是介绍几种电子线路模型，而 不是集中于复杂的半导体器件，这有助于学生用相对简单模型来分解评估复杂系统。电子2 集中在 模拟电路的设计方面，借助于电子1 中所了解的基本概念模型，以系统的观点来整合这些概念模型， 7 4 电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 并分析该系统设计。 数字系统：教学目的是介绍数字硬软系统的设计和构成。实验课以计算机系统为例贯穿始终。 数字系统1 讲授数字电路逻辑与基本系统设计，其实验与理论讲授同步进行，包括从晶体管设计门 电路到R o M ；进一步过渡到V e r i l o g 和F P G A 的使用；该课程的最终实验结果是基于微序列器和外
8、部 存储器设计一个整数运算器。 2 麻省理工电气& 计算机科学系核心基础课 麻省理工的电气工程和计算机科学系能够授予3 个专业的学士学位，分别为电气科学与工程、 计算机科学与工程和电气工程与计算机工程。在以前的课程设置中，该系核心课程为计算机程序结 构、电路、信号与系统，以及计算机架构。以电气科学与工程专业为例，其新设置的核心基础课程 由两门入门课、三门基础课以及三门专业基础课组成，结构如图2 所示。 入门 基础 选 专业 础课 图2 麻省理工电气科学与工程专业核心基础课 传统的入门课程通常是先介绍模型概念，再通过实验课验证，而麻省理工学院颠覆了这一传统 教法。改革后的两门入门课完全是基于实验
9、课的，其目的是通过学生直接参与实验来归纳模型，加 强概念认知，鼓励探索。该教学方法源于最朴实的理论形成过程，如图3 所示。 图3 教学过程 这两门入门课面向该系3 个专业所有的学生，其中入门2 要求以入门1 为预备课。与斯坦福的 无线遥控汽车类似，入门1 中实验是基于移动机器人。利用机器人平台，学生可以通过计算机软件、 线性系统、电路以及人工智能算法等技术来探索或实现自己的想法。该课程每周安排为：9 0 分钟讲 授，9 0 分钟软件实验，3 小时双人组合自由设计，学生教工比为4 ：1 ，至少l 4 的该系高年级本科生 作为实验助理参与教学。入门2 的实验教学以通信为例探索其信号、系统与网络。该
10、课程划分成3 个层次，从开始的伏一伏模拟信号级，通过比特比特数字演绎，拓展到分组分组的网 络级。入门2 也是以星期为时间单位来组织实验模块，每周安排为：讲授该周的课程模块主题，家 庭作业准备实验，3 小时实验课，家庭作业处理实验结果，课堂分析实验出现的问题，测验。完成 7 5 电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 相应的入门课程学习，就可以进入基础课学习，然后再学习专业基础课。从图2 可知，应用电磁学 和电路与电子需要入门1 为预备课，而信号与系统和计算机架构要求入门2 为其预备课，要求学生 从这四门基础课中选择三门。其后的专业基础课也是四门中选三门，另有一门实验课。 三、启示 参
11、考斯坦福大学和麻省理工的相关课程设置，给我们的启示： 课程的整合：新技术发展与学时数的矛盾 加强实验，强调创新 加强软件和硬件的联系 在当前科技变革的时代，新技术层出不穷，驱动新产品升级换代速度加快，另一方面电子信息 类产品也越来越多的体现了新技术的融合，因此产业的发展总是渴求知识面既要宽又要深的高素质 人才。在有限学时数的情况下，这显然给我们的高等教育培养体系提出了一个矛盾课题。从学生的 角度，要求他们在有限时间内学习掌握所有技术也是不公平的。技术的发展变革是全球化的，该矛 盾不仅存在于我国高等教育培养体系，也是各国高等教育部门需要认真对待的问题，不断修改更新 教学方法和课程设置是缓解该矛盾
12、问题的必然途径。在此，课程的整合是有效的手段之一。从斯坦 福大学和麻省理工的相关课程设置可以看到这两个学校都是从课程整合入手缓解此问题。以麻省理 工为例，其两门基础课电路和电子学整合为一门电路与电子课，学习内容为：电阻元件与网络、独 立月E 独立源、开关和M o S 晶体管、数字提取、放大器、能量存储单元、动态一阶和二阶网络、时 频域设计、模拟和数字电路及应用、实验与设计( 非常重要) 。把通常是基础课的电子线路，提升到 集成电路层次，后推至专业基础课层次，其名称为微电子器件和电路，内容为：微电子器件的建模、 基本微电子电路分子与设计、半导体结和M O S 器件的物理电子、电气行为和内部物理处
13、理的关系、 电路模块的开发、理解各种模型的使用和局限性、采用递增和大信号技术来分析和设计双极和场效 应晶体管，包括：数字电路，单端和差分线性放大器，以及其他的集成电路。 电子信息类课程一般都设置了C 语言，而微机原理与系统设计一般是讲述8 0 8 6 C P U 结构与功能 并使用汇编语言，这样数字电路硬件和软件不能很好的融合关联。我们建议换掉基于8 0 8 6 C P U 的微 机原理，用一门应用广阔并能通过c 语言设计开发的c P u 系统设计来代替，例如微控器，数字信号 处理器，或嵌入式处理器等。此改动目标是为了促进数字电路的软件和硬件结合，加强学生的数字 系统概念。 加强实验实践成分是基础课程改革的重要任务。斯坦福和麻省理工的课程改革都考虑了该方面， 要求基础课程都配有相关实验课，为激发学生的创新意识，很多实验没有设定最终结果，而是鼓励 学生自由发挥和探索。为此，建议设置一门高级实验课，4 学分，该课程实验要求实现一个系统级 开发，整合模拟电路和软硬件结合的数字电路。另一方面，实验课相较于课堂讲授更能激起学生的 学习兴趣。 7 6
