中国教育

（一）

　　本文的讨论范围涉及电学、磁学、电子学和计算机科学等领域基础课程的教学改革，试图涵盖我国工科的电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、生物医学工程、计算机科学与技术以及理科的电子信息科学与技术、微电子学、光信息科学与技术等专业大学本科二三年级最主要的课程。这些课程的类型大体上可划分为以下几个方面：

（1）电路：包括电路原理、模拟电子线路、数字电子线路、高频（通信）电路以及微电子电路的初步知识。
（2）信号与系统：包括信号与系统、随机过程、数字信号处理，还可以扩展到控制原理和通信原理等课程。有人把这些课统称为“信号处理类型”，我认为这种称谓不确切，因为像信号与系统、随机过程这样的课程不只是为学习信号处理服务，也是为学习信号传输以及系统分析与综合等多方面的知识打好基础。
（3）电磁场：包括电磁场和电磁波理论及其应用、微波技术等。
（4）计算机科学与技术：包括程序设计（面向对象的程序设计、数据结构、软件工程）、微机原理、计算机网络应用……等。

　　当然，由于各院校具有不同特色，课程设置可能有不少差异，这里只是一种粗略的概括。
回顾人类科学技术的发展历史，我们看到从二次世界大战结束到现在，半个多世纪以来，电工程与信息科学技术迅速而持续发展，大学教育的理念及其内容已经发生了日新月异的变化。

　　早在20世纪四五十年代，我们经历了从电力传输、电机工程向信号传输、电子工程领域的扩展与演变。后来，又出现了从模拟到数字、从分立到集成系统的变迁。虽然这是六七十年代就已经发生的事情，然而，时至今日这种转变仍在进行之中。近年来又形成了从固定参数向可编程系统设计的演变，以及从利用微分或差分方程描述系统向状态机、离散事件系统研究展拓的新动向。传统的方法和经验正在受到冲击和挑战，如何把最新技术引入大学本科基础课程教学，如何以当代信息科学的观点审视和理解经典理论，如何真正调动起教与学的积极性，就成为我们必须认真研究并付诸实践的重要议题。

（二）

　　面对本学科领域新技术层出不穷、迅速发展、错综复杂的严峻形势，为探索先进的、科学的、而且行之有效的教学改革之路，我们必须从宏观上处理好以下各对矛盾，正确理解它们之间的关系，在此基础上研究各门课程的内容取舍与体系结构：

（1）模拟与数字（连续与离散）
　　随着教学改革的深入，传统的面向连续时间信号与系统研究之课程已经逐步退出课堂，离散时间信号与系统，特别是数字化技术将要成为基础课程教育的主体内容。虽然，讲授模拟技术的授课学时已经减少到较低的比例，然而，对模拟与数字的相互依存关系应该有全面、统一、合理的认识与理解。
人类在自然界中遇到的待处理或待传输之信号相当多的情况是模拟信号，借助数字系统对其进行处理或传输时，需经A/D、D/A转换，转换部分及其前、后接口以及预处理和后处理都不可避免模拟系统之应用。

　　当工作频率很高时，直接采用数字集成器件尚有一些难度，通常，用模拟电路与系统进行处理或传输可能比较简便。

　　由于上述原因，我们在大量启用数字系统的同时，也会遇到相当多的数字与模拟混合系统或模拟系统。虽然连续时间系统的应用正在日益减少，但是不可能消亡，它还有相当广泛的用武之地。
目前，人们喜欢引用的时尚名词，所谓“数字化世界”或“数字化地球”以及“数字化生存”……实际上都是指信息与电子科学技术的广泛应用，或者说IT产业将无处不在。从本质上讲，当人们谈论“数字化世界”时很可能是指“信息化世界”、“电子化世界”或者“信息电子化世界”等等。当信息电子科学技术深入到人们生活、工作的每个角落时，并没有人认真追究这里包含多少数字系统？多少模拟系统？他们常常误认为先进的电子技术都是数字化的，因此，“数字化世界”就与“信息电子化世界”成为同义语。作为业内人士，我们应当看清楚这些名词背后的实质。

　　在信息科学领域中，许多新理论、新方法不断涌现，它们的构成原理往往要从连续时间系统的观点进行研究。例如数字计算机（Von Neumann 计算机）在解决智能化技术方面遇到不少困难，而利用人工神经网络（Neural Network）或称神经计算就可在此领域显示优点。虽然神经计算机可以用数字/模拟混合电路实现，但就其工作原理来看，它是一个模拟系统。

　　在研究与开发新产品的过程中，作为总工程师的首要职责是最佳地协调模拟与数字部件的分配与组合。在基础理论性科学研究工作中，研究人员必须兼顾模拟与数字两类系统的发展前景。

　　（2）分立与集成

　　由于集成电路技术的迅速发展，在我们的课程中当然要引入这方面的最新理念。许多院校增设了“微电子电路与系统（引论）”类型的课程。学生可以认识到，集成电路之构成与传统的分立元件电路虽然有着类似的工作原理，但其实现方法和设计思想已经产生了深刻变化。例如，放大器的负载电阻可能要更换为MOS管；低速滤波器中的RC元件将被开关电容技术取代；随着集成规模之扩大，把电路设计分层次处理就显得非常必要，人们力求借助抽象化、模块化依次完成复杂的电路设计……。
我们必须注意到，当逐步引入集成电路设计新技术的同时，可能关于分立元件电路原理的讲授依然保留较多，于是构成庞杂繁复的电路与电子线路方面的课程体系，使学生负担很重却不得要领。
为解决这一矛盾，对于基础课程之选材，一方面要精简传统的分立电路内容，同时也不宜过于关注集成芯片内部的细节。必须兼顾分立电路基本原理、大规模集成技术实现原则以及在较高频段和较大功率条件下电路实现之特色等诸方面的需求，以统一的观点、尽可能少的学时教给学生最基本、最具应用潜力的原理和概念。

　　（3）硬件和软件

　　由于计算机应用之普及，特别是软件可编程技术显示之优势，人们对于硬件知识与实践的学习产生冷漠。许多学生不愿作涉及硬件工作的研究题目，他们认为硬件实现太麻烦、给人一种陈旧落后的印象，而且也不容易发表理论性的文章。显然，这些想法都很片面，应予纠正。当前，“硬件”的概念已经发生了根本性的变化，不能误认为硬件就是利用R、L、C元件与电子器件组合起来作插件板。实际上，付诸应用的硬件体系都充分体现了软件与硬件的密切结合，FPGA、VHDL、Verilog语言、DSP技术的广泛应用构成了软硬结合的全新设计理念与结构体系。

　　有人认为在通信与电子系统设计过程中，软件的作用就是系统仿真（模拟）或CAD（计算机辅助设计）。实际上，这种理解相当狭隘，目前，最终成为应用产品的电子系统往往都是软硬件结合的产物。软件与硬件之间的界限逐渐淡漠。特别是为了充分发挥可编程技术的优势，在许多设备中都可能同时包含硬件与软件。例如，软件无线电，这是一种最新的软、硬件密切结合的无线通信技术。
按照传统的观念，我们设计并实现的电子系统都可以借助微分或差分方程来建立数学模型，或者说由状态空间理论来描述并进行分析。然而，随着计算机技术的广泛应用，在许多产品中还要包括利用有限状态机或离散时间事件构成的系统，它们最容易与嵌入式计算系统的要求相适应。两种描述方法的组合充分体现了通信系统知识与计算机应用知识的融合、硬件与软件技术密不可分。国外已经开始注意到设置这类反映软硬技术结合的全新课程。稍后将作介绍。
以上三方面的演变使传统的电子系统设计思想产生了变化。我们曾经追求尽可能低的制造成本和最充分的利用资源，而现今的理念是：低的设计成本和最短的上市时间。

（4）场与路

　　随着新技术、新理论的不断涌现，课程学时逐渐膨胀。为缓解这一矛盾，有些人目光短浅、盲目追逐时尚、不惜削弱一些经典理论。近年来，不重视电磁场理论的现象日趋严重，减少学时甚至取消这类课程的现象时有发生。

　　电磁场与波是从事电工程与信息科学的基础知识，不仅在微波、天线、电力系统等领域需要这些基础理论的支撑，对于高速计算机硬件的设计同样不能脱离这一领域的深入研究。电磁兼容理论的形成与发展引入了新的理念，开拓了广阔的应用前景。作为新兴的电子信息安全技术之组成部分，信号辐射泄漏问题之研究必须依赖电磁场理论。另外，有些人并未认识这一经典研究领域和计算机技术密切结合已经呈现全新面貌。如果学生缺乏对这方面基础知识的了解，将不利于适应最新科学技术发展的需要。

　　多年前，美国MIT始终把这类课程列为EECS（电机工程与计算机科学）系的必修课（核心课），从90年代中后期，在5门必修课中排除了这一课程，将“电磁学及其应用”列入限选或任选课程。我们不能盲目照搬国外的作法，必须注意到国情的重要区别，我们的专业划分过细，在国外的限选课对应到我们这里很可能就是必修课。从全面培养高素质人才考虑，必须保证电磁场与波类型的课程学时及其质量，倡导场与路两方面知识的密切结合与全面理解。

　　（5）经典与现代

　　在通信、控制、信号处理、优化、人工智能、模式识别等众多研究领域中都存在传统理论与近代最新技术两种类型的基础知识和分析方法。不少课程的名称都冠以“现代”二字以示其先进性，而从学生认识与学习过程来看，没有必要把经典与现代划分严格之界限。从调幅、调频、单边带通信到五光十色的数字通信；从传统的反馈系统稳定性理论到状态空间方法都应该循序渐进、认识历史、全面理解事物发展规律。在我们着重研究现代技术与方法的同时，必须注重以统一的观点、全新的视角把经典与现代密切融合起来。

　　上述各对矛盾交互依存、错综复杂，要处理好它们之间的相互关系，构建具有发展潜力、先进性、普适性、切实可行的教学体系决非轻而易举之事。很可能要历经长期的、多种途径的探索与尝试。

（三）

　　为克服上述困难，深化教学改革，国外许多院校的EECS系都进行了各种有益的尝试，以下一些改革动向值得我们关注：

　　（1）美国MIT EECS系必修课（核心课）电路与电子学（代号6.002）课程教学内容和体系已经明显不同于传统的同类课程结构。它以原有的电路（或电路原理）课程为主体，引入了有源器件MOS晶体管，完全改变了过去把电路模型与实际器件（如受控源和晶体管）、线性与非线性、开关与放大作用、模拟与数字……等研究对象截然割裂，甚至分置于多门课程的组课方式。而是把它们相互融合，从对比中认识事物规律，以统一的观点使学生建立完整的概念。例如，MOS管可以具有开关和受控源两种类型的功能，由于适用条件之差异可以出现不同的理解和演绎。按照传统方式把这些基本概念分散在两门课程的教学体系有可能把学生引入误区。

　　这一改革不仅为电路课程增添了活力，使其面目一新，让学生早日接触电子线路方面的实际概念，而且大大节省了后续课程的讲授学时[1]。

　（2）美国UCB EECS系新开了一门课程名为Structure and Interpretation of Signals and Systems （代号EECS20），可译作信号与系统结构和描述。主讲教授Edward A. Lee编著了同名教材[2]。此课程最大特点是着重从计算方法之角度来研究问题，利用函数与集合之观念来定义信号与系统。不仅讨论微分与差分方程描述之系统，而且以较大篇幅研究状态机（state machine）的组成原理和分析方法。将有限状态机和离散时间事件之概念用于系统分析与设计之中。例如，一个家用电话自动应答记录设备就是一个这类系统的简单模型。另外，数字通信系统中广泛应用的同步捕捉系统则是这类模型中比较复杂的典型实例。这门课程及其教材的出现打破了30多年基本框架没有变化的信号与系统课程结构，创新意识突出、独具特色。

　　必须注意，UCB对此改革持相当审慎之态度。在增加此新课的同时，基本上保留了传统的信号与系统课程之全部精华（另一课程仍取名信号与系统，代号为EECS120），教材仍为Oppenheim所著《信号与系统》。

　　这里讲到关于“有限状态机”之概念，让我们想起三十多年前美国MIT的一次教学改革尝试。最早把这一概念引入本科生教学的一本书是1972年出版的《系统、网络与计算：基本概念》[3]，这是MIT教学改革的产物，在当时更新幅度非常大，试图以此取代或融合大部分传统的电路、信号与系统课程内容。但是，这次实验改革未能持续进行下去。不久，授课情况又恢复原有之框架。时隔30多年，再次将这些概念引入本科生教学，其条件相对成熟，有望取得新的突破。

　　另一方面，关于有限状态机的教学内容也可安排在数字电路与系统类型的课程中讲授。这两种方案都可进行尝试。

　　（3）美国MIT EECS系新设限选课程：通信、控制与信号处理引论（代号为6.011），主讲教师是Oppenheim教授。这是该系七个研究领域之一——通信、控制与信号处理方向本科生的主修课程。在此课程中，相当于把我国目前设置的随机过程、通信原理、控制原理等多门课的基本概念融合起来，以统一的观点、全新体系结构组成一门大约60学时的新课。

　　随着科学技术的发展，许多在研究生阶段讲授的课程内容有必要逐步转移到本科生阶段来介绍，要从多门课程中提取精华建立统一的平台；另一方面。国内外许多大学都认识到培养具有扎实基础通用型人才的必要性，因此，迫切需要不断压缩专业课学时、整合构建适应宽口径要求的新课程。“通信、控制与信号处理引论”的开出，在这方面进行了有益的尝试，体现了创新精神[4]。

（四）

　　综上所述，在电工程与信息科学领域，世界各国的大学都面临教学改革的严峻形势。而在我国，要解决好这些矛盾、跟上时代步伐可能会遇到更多的困难。直面国情，我们无法回避一些多年来未能解决的要害问题。

（1）专业划分过细，学分制流于形式未能真正实现
在我们这里的十多个系对应国外许多大学只是一个系。同样内容的专业基础课一定要按不同专业的要求重复设置。有些课要划分为强电类型和弱电类型，或者划分为通信电子类与非通信电子类。必修与限选的课程比例较高，同一课程每年只开讲一次（在国外可能是春、夏、秋季讲三次可任选），留给学生选课的自由空间非常狭小，学生负担很重，学习热情及其潜力受到抑制。造成这一现象的重要原因之一是教师开课、授课的积极性没有被调动起来。另外，传统的山头林立，各自为政，很难进行合理、科学、高效的整合与统一。

（2）教学方法（授课形式）方面最大的障碍是未能体现“师生互动”之原则

　　近年来，国外对于小班（大约30人以下）上课日益给予重视。像电路、信号与系统这类重要的课程，每周若有4学时大班讲授，至少安排1至2学时小班讨论课。在美国MIT这些课程每周大班课为2学时，同时安排小班课也为2个学时。而且小班课的讲授教师也是教授或研究员。我们这里，由于缺少小班课，失去了师生之间、同学之间重要的密切交流机会，使教学质量下降。另外，在国外许多院校大班课仍很重视写黑板，注重黑板与电子投影显示相结合，以利师生交流。而在我们这里由于过多倡导电子教案和网络课件促使许多青年教师只会照本宣科。有人说，现在上课就是把书本翻印到墙壁上，认真读一遍就可完成任务。

（3）与国外的情况相比较，当然也要看到我们自己的优势

　　例如，每年考入电工程与信息科学各专业的学生都有很好的数学基础，他们在中学和大学一年级的数学课都学得很优秀。因此，我们完全有条件在一些理论性课程中加快学习进程，并适当引入更深层次的内容。信号与系统、随机过程这样的课程都可以比国外学得更好，更具特色。而在实验类型的课程中更需迎头赶上，为此需要投入更多财力逐步改善实验条件，并且要安排学术水平高的老师授课、直接辅导学生。

　　（4）我们的学术骨干主要时间都用在填表、汇报、申请项目和跑经费上面，为了应付评审（包括评别人和被评审）不得不舍出时间参加各种会议和公关活动，很难有精力投入教学与科研工作之中，营商气息强烈冲击学术氛围，人们心态浮躁。

　　太多的工程、计划和检查，各种名目的荣誉称号频繁登场，一种口号还没有实现，另一种新的名目又要立项。许多事情盲目追求数量，不问质量。紧张、热闹的气氛让人们联想起久违的政治运动。在一些领导同志沾沾自喜总结政绩工程的背后，许多一线教师苦不堪言，很难有机会与领导坦诚交流。人们对这些活动的深切感受是：急功近利、误导方向、劳民伤财、官热民冷。我们期盼一个安静、和谐的学习与工作环境。

参考文献：
[1] 于歆杰，朱桂萍，刘秀成. 麻省理工学院教育教学考察报告（三）——电路与电子学课程教学法篇[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2004, 25(6):6～10
[2] Edward A. Lee & Pravin Varaiya. Structure and  Interpretation of Signals and Systems[M]. Addison Wesley, 2003
[3] M. L. Dertouzos, M. Athans, R. N. Spann, and S. J. Mason. Systems, Networks and Computation: Basic Concept[M]. McGraw-Hill, New York,1972（中译:江缉光等译.系统、网络与计算:基本概念. 人民教育出版社,1979）
[4] 于歆杰. MIT EECS通信、控制与信号处理 6.011 课程简介[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2004, 26(6): 21～23
[5] Edward A. Lee & David G. Messerschmitt. Engineering an Education for the Future[J]. IEEE computer, 1998, 31(1): 77～85
[6] 郑君里. 教与写的记忆 信号与系统评注[M]. 高等教育出版社, 2005