面向21世纪电工电子系列课程教学内容研究与实践总结

面向21世纪电工电子系列课程教学内容和课程体系改革的研究与实践总结

陈笃信　陈　怡　邹家騄

（东南大学教务处，江苏南京，210096）

【摘要】　在分析高等工程教育发展趋势和电工电子系列课程内容改革的必要性的基础上提出了电气、电子信息类专业改革的总体思路，具体介绍了东南大学电气、电子信息类专业电工、电子系列课程的改革方案，教学实验基地的建设和实践系列课程的改革。

【关键词】　电气与电子工程　课程改革

1．引言

当前一个以全球性互联网络为主要载体、以信息高速公路为代表、以微电子技术为核心的信息革命正在世界各地蓬勃兴起。信息革命已对人类社会的发展产生重大的影响，对教育的发展也将产生深远的影响，信息技术已成为新世纪高技术发展的先导和核心；培养高质量电气电子信息类专业人才不仅对信息技术本身的发展至关重要，而且由于传统产业也需要利用信息技术加以改造，对国家的发展有着十分重要的意义。

在这样的背景下，现有的电气电子信息类各专业的人才培养模式，教学内容与课程体系日益显示出其严重的不适应性和需要改革的迫切性。为此我校电类各学科于1996年作为牵头单位承担了原国家教委下达的“面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”中“电工电子系列课程教学内容与课程体系改革的研究与实践”课题，于1997年承担了“国家电工电子基础课程教学基地”的建设任务。在改革的过程中，将人才培养方案、教学内容和系列课程特别是学科基础课程（技术基础课程）改革、教学基地建设作为一个整体，由学校统一规划、统一领导，集中人力和物力面向全校进行改革和建设。在改革初期开展了四个方面的工作：第一，组织电类各学科学术带头人介绍学科发展方向并座谈学科发展对学科基础知识提出的新要求；第二，研究了世界一流大学电类专业的教学计划、课程设置和教材内容；第三，组织专题研讨会，系统介绍MIT电气工程和计算机科学系的学科基础课程内容和国外学者对未来电类专业高等教育的看法；第四，组织电类各教学系主任和骨干教师就转变教育思想、更新教育观点进行学习，对人才培养方案、教学内容和课程体系等方面的改革进行讨论，并提出了方案。

2．更新观念，深化电类专业教学改革

（1）高等工程教育发展趋势

我国要实现经济体制从计划经济向社会主义市场经济的转变，经济增长方式从粗放型向集约型的转变，要实施科教兴国和可持续发展战略，高校的教育思想、专业设置和人才培养方案、教学内容、教学手段和方法都有相当程度的不适应，必须进一步深化改革，加以调整。

电气电子信息类专业的教学改革是高等工程教育改革的一个组成部分。要对高等工程教育进一步深化改革，首先必须了解国内外高等工程教育的发展趋势，这种趋势主要体现有如下特点：

①随着我国社会主义市场经济体制和人才市场的不断完善，人力资源配置方式发生根本变化，毕业生流动性空前增加，从而要求大学本科进一步拓宽专业口径，以增强学生的适应性。

②随着科学技术的发展，电子信息工程、通信工程、自动化、电子科学与技术、电气工程与自动化、计算机科学与技术等专业日益互相渗透，它们对学科基础的要求日益趋同，而且由于专业知识的更新越来越快，深厚扎实的学科基础对毕业生今后的发展显得更加重要，本科教育的重心有下降的趋势。因此，拓宽专业口径就是要面向电气、电子信息学科大类来构建和加强共同的学科基础课程平台。

③由于工程的概念日益扩大，既有技术，又有管理、营销乃至环境、法制和伦理等方面的问题，而且实际工程问题往往是多学科的结合，那种“狭窄于技术”和“技术上狭窄”的工程观已不合时宜，现代的高等工程教育观已扩为大工程观，从而高等工程教育要充分注重集成与综合，要从单纯的科学技术人才的培养转变为综合性的、开拓性人才的培养。

④纵观教育发展的历程，最早的教育是科学教育和人文教育融合在一起的。随着科学技术的发展，科学教育和人文教育分离，现在科学教育已占据教育的主流，人文教育受到忽视，从而产生了一系列的弊端。有识之士已在大声疾呼，21世纪应该是科学教育和人文教育再度融合的世纪。

⑤当代社会正在从工业经济时代向知识经济时代迈进，知识经济是以知识和信息为基础的经济，以知识的创新、传播、应用作为财富支撑的经济发展模式。电气、电子、信息产业尤为突出，知识更新快，产品更新周期短，因而对学生的实践能力，特别是创新能力的培养就显得更为重要。

⑥过去很长一段时间，高校对学生的培养主要放在知识的传授上，现在大家都认识到，应对学生进行知识、能力、素质的全面培养，为此应该突破传统教学计划的框框，注意对学生进行课内、课外的综合培养。知识的传授通常以课堂教学为主，但能力和素质的培养绝不是仅靠增加几门课程就能做到的，应在课内、课外的总体活动中营造一种环境，形成一种氛围，使学生从中得到锻炼和提高。这种教育的过程实际上也就是培养学生终生学习生活方式的形成过程，因此构造良好的环境和氛围是十分重要的。

（2）电工电子系列课程教学内容改革的必要性

众所周知，由于半导体、自动控制、通信、计算机、集成电路、个人电脑和全球网络等的发展，人类已进入了信息时代，在这个时代所用的基本知识与基本技能，以及我们要设计的对象系统都发生了变化。有人认为电气和计算机工程领域已经经历了四次重大的技术重点转移：①由电力传输与旋转机械向电子学的转移；②由电子管向半导体以及由分立元件电路向集成电路的转移；③由模拟向数字电子学的转移；④由固定的向可编程数字硬件的转移。特别是后两个技术重点的转移已经对基本知识、基本技能和当今设计对象的性质发生重大影响。综观近30多年电气电子信息技术的发展，网络与通信已经全球化，软件规模在增大，集成电路和电子系统的集成度平均每6年约提高10倍，单片集成电路的晶体管数已达几十亿个，电路设计、系统设计、硬件设计、软件设计和体系结构设计已经不可分割，进入了片上系统时代。电子信息系统的特点是复杂度大幅度上升，技术机制演变加快，技术生命周期变短，以及要求设计时间的不断减少。关于技术系统复杂性问题，英国剑桥大学、美国MIT、加州大学等知名学府均把它看成是对现代工程教育的一种挑战。面对上述情况，管理设计复杂性的方法学（基础知识）与使用现代设计工具（基本技能）进行设计的能力不仅是需要的而且是至关重要的。从设计方法上看已从70年代的计算机辅助设计和80年代的计算机辅助工程，进入到90年代的高层次设计自动化。今天，那些上百万晶体管芯片的设计没有电子设计自动化（EDA）的工具是无法完成的。

过去，我们的教学基本上是面向简单电路和简单系统的。从简单系统到复杂系统所涉及的变化不只是量变，而且还有质变。对于复杂系统人们的精力主要放在观念设计上，在高抽象层次上进行。因此适当增加大规模复杂系统的分析和管理是十分重要的。为适应上述情况，在一些观点上应作调整，主要体现在：①提高抽象层次，解决复杂性问题；②适当加强系统基础知识和系统分析能力；③加强利用工具进行复杂系统（特别是数字系统）设计能力的培养；④由于电路设计和系统设计已趋统一，进入了片上系统时代，系统设计人员已经是集成电路（IC）的主要设计人员。

（3）电气、电子信息类专业改革的总思路

根据高等工程教育的发展趋势和科学技术，特别是信息技术快速发展的特点，我校过去几年在教学改革中进行了大量实践，在此基础上确立了面向21世纪教学改革的总思路，主要内容有：

①在人才培养的模式方面：以建立在加强通识教育基础上的宽口径专业人才培养为主要模式，辅以辅修、双学位和3＋1等复合型模式和本—硕—博连读的纵深型模式。

②在课程体系方面：由通识教育课程、学科基础课程和方向训练课程三大块，加上选修课程和实践教学体系组成，充分体现“文理渗透、理工经管结合、学科交叉”的指导思想和特点。

③在教学模式方面：采用理论教学、实践教学和组织参加科研三者相结合，课内课堂教学与课外创新实践活动及文化素质实践教育活动相结合。

④在拓宽专业口径方面由面向行业、面向狭窄专业转向电气电子信息学科大类培养人才。

⑤在学科课程体系结构方面，重点加强电气电子信息学科大类的基础课和学科基础课，建立电气电子信息学科平台课程。

⑥在学科基础课程方面，以信息技术为核心进一步整合课程，更新内容，编写相应教材。

⑦在实践教学体系方面，要加强利用现代设计工具进行复杂电子信息系统创新设计能力的培养，必须具有相应的较完备的实验条件。

⑧在教学方法改革方面，应强调启发式教学，注重自学能力的培养和考试方法的改革，对实践性强的课程进行以实践为主的教学试点。

3．人才培养方案和课程体系改革

上述教育改革的总思路已经具体体现于我校各专业于去年制订的99级人才培养方案中，我们已将传统的“教育计划”改名为“人才培养方案”，这不是简单的改名问题，而是思想上的一个突破。一方面，《高等教育法》明确指出，“所有高等学校都必须以培养人才为中心，开展教学、科学研究和社会服务”，所以人才培养是全校共同的工作，必须各部门齐心协力才能取得好的成效。“人才培养方案”体现了这种全局性，全校要共同关注这项工作。另一方面，“人才培养方案”要明确体现出新时期的人才培养目标，即德、智、体、美全面发展，知识、能力、素质协调发展，所以方案就不应仅仅局限于教学计划，而应该包括知识结构如何优化、能力如何培养、素质如何提升三大部分。

整体优化是我校人才培养方案制订工作的目标，除了上述提及的要从德、智、体、美全面发展，知识、能力、素质协调发展的培养目标方面整体优化外，还应体现在课程体系的整体优化上。课程体系的整体优化具体体现在两个方面：（1）整体的框架结构要完备，各类课程的比例要合理；（2）要体现我校认定的，也是符合高等教育发展趋势的“理论教学、实践教学、科学研究”三者结合的教学模式。在认真学习研究的基础上，我校提出的课程体系框架如下：

在通识教育课程方面，增加并完善了人文社会科学基础和经济管理基础课程。文化素质教育主要由三个模块，即高格调的课程、高水平的讲座和高品位的学生课外文化素质教育活动组成。我们还邀请了众多科学文化名人来校为学生讲学或演出，学生自己也自行举办各种文化节、文化周活动，营造了较好的环境和氛围。

在学科基础课程方面，电子信息工程、通信工程、自动化、电子科学与技术、生物医学工程、电气工程及其自动化、计算机科学与技术七个专业重点建设了适合于电气电子信息学科大类的9门一级学科平台课：①计算机科学基础或程序设计；②电路基础；③计算机结构与逻辑设计；④信息与系统；⑤电子电路基础；⑥电磁场与波；⑦微机系统与接口；⑧自动控制原理；⑨通信与网络基础。

为适应信息学科的多学科交叉、综合性强、复杂度高的特点，在一级学科基础课中，压缩了针对简单电路和简单系统课程的课时，增加了控制、通信和网络等系统分析方面的课程，以及跨二级学科选课。

在实践教学方面，学校建立了包括电工电子实验中心、微机硬件应用实验中心（含PLC实验室）和EDA实验室在内的教学基地，重点建设了：①电工电子实践初步；②电路与数字逻辑系统实践；③电子线路实践；④微机硬件应用实践；⑤综合电子设计实践五门实践课程，在实验内容方面大大加强了利用现代工具进行复杂系统设计能力的培养。学校还提供经费建立了创新实践基地，为学生开展创新实践活动提供了条件。

4．电工电子系列课程教学内容的改革和实践

我校电工电子系列课程教学内容的改革，以电气电子信息类专业学科主干课为核心，进一步优化课程体系，整合和更新内容，内容包括：①电路系列课程的改革；②计算机系列课程的改革；③信号系统与信息处理系列课程的改革；④电磁场与微波系列课程的改革四个方面。前两部分是这次改革的重点，现分述如下：

（1）电路系列课程的改革

随着各电类学科间的交叉渗透越来越普遍，专业界限越来越淡化，历史上受原有专业设置影响所形成的对强电、弱电、高频、低频各有侧重的课程体系变得难以适应宽口径专业类的需要；机辅分析、设计手段的进步，适合于复杂系统的高层设计自动化的出现，也使传统的分析、设计方法受到新的挑战；模拟电路、数字电路如何在内容上进行整合，在大学本科如何引入大规模集成电路设计和制造课程，都是我们认真加以研究的课题。因此，对电子电路系列课程改革的呼声及要求越来越高。在这一背景下，我们尝试对原有课程体系及内容进行了较大改革。

电路系列新的课程体系如下：

①电路基础课程改革

本课程以电路分析为基础、电路设计为主导、电路应用为背景的指导思路安排课程内容和组织教学。在内容选取上适应面较宽，包括无源和有源基本元件及其模型、基本原理及其分析方法、正弦电路、信号的合成与分解、瞬态电路分析、非线性电路分析以及机电器件及其应用。

②电子电路基础课程改革：在课题组的统一规划下，经无线电系、电子系、自动控制系、电气系等电类系有关教师的多次研讨，统一了电子电路课程教改的指导思想、内容体系及教学基本要求，对电子电路课程内容的定位突破了原有高、低频，强、弱电的界限，强调课程的基础性，着眼于电气电子信息学科具有共性特点的基础功能电路；突破了原有模拟、数字电路的界限，强调两者在电路层次上的统一性。在具体做法上，将器件物理、逻辑设计等内容分别纳入物理学和计算机结构与逻辑设计课程，将门电路、单稳及多谐振荡电路、整形、定时器电路等原属数字电路课程的内容和信号处理电路、运算电路、放大及振荡电路、功率电路、数字模拟变换电路等原属模拟电路课程的内容整合到“电子电路基础”课程中。这样做可使课程内容的归类及课程体系的划分更趋合理，也使原有课程间的基本内容、分析方法、基础需求等方面的交叉重叠减至最少，有利于精减学时、提高效率。如今，集成化代表着电子技术的发展潮流，无论是通用或专用集成芯片都应用日益广泛，电子电路基础课程必须反映这一发展潮流，坚持以集成为主，拓宽更新教学内容。基于这一考虑，新教材各章内容均以集成电路为背景和落脚点，并依据这一原则来处理分立元件电路和集成电路的关系。

③为了适应电子信息系统日益复杂化的趋势，信息工程专业在二级学科主干课程中设置了专用集成电路（ASIC）设计课程，重点使学生掌握专用集成电路自顶向下的设计过程和步骤，要求学生能够运用硬件描述语言描述较复杂的系统。对于底层的设计，则要求学生能够运用软件工具进行简单电路的版图设计。此外还设置了跨学科选修课VLSI设计基础，目的是使学生了解集成电路底层设计有关知识，集成电路工艺的基本知识，了解集成电路，特别是VLSI的基本逻辑门和基本功能单元的构造形式。掌握集成电路设计的基本步骤和基本工具。

④高频电路不再单独设课，部分必要的内容通过实践环节学习，其他的有关内容分别在通信电子电路、微波器件与电路等选修课中加以补充。

（2）计算机系列课程改革

①对电类专业的学生而言，计算机课程在内容上要有一定的广度和深度。21世纪的电子系统将是以计算技术为核心的片上复杂系统，电类专业的工程师应不仅能编写程序使用计算机，还能设计计算机硬件，所以关于计算机硬件的课程必须加强，让电类（非计算机）专业的学生初步掌握关于设计以专用计算机为核心的复杂系统所必需的基本知识。在软件方面，学生应具备开发与本专业有关的应用软件的能力。

②高等学校的本科教育应给予学生较宽的基础知识，这就要求我们精选核心内容，兼并、压缩或取消陈旧和重复的内容，组织综合性的课程，以提高教学效率和教学水平。片上系统的设计从描述方法到设计思想都与传统数字电路的设计有别，应将教学的目标从设计和应用数字功能模块转换到设计数字系统上来，要加强对学生系统观念的培养和新的设计思想、设计方法的训练。

③计算机的硬件产品和软件产品发展迅速，而我们的教学内容既要相对稳定又要具有先进性。因此掌握基本原理和方法是使学生具有持续发展能力的保证，这就要求在教学内容中强调计算机学科中核心概念的反复运用，强调抽象和设计的能力，而不强调具体机型、具体软件、具体语言的特殊属性。

计算机硬件教学应革除以某个具体计算机作为背景机的传统教学方法，而采用一种既保证基本内容相对稳定又能反映最新技术发展的教学方法。

④综合的实践性环节对培养学生综合运用所学知识解决问题的能力和创造能力是至关重要的。一门计算机课程，除了要有适当的实验教学与课堂教学相配合外，还应设置适当的综合的实践性环节。

计算机硬件课程特别要加强以PSP　ICE（包括EWB）和PLD为中心的EDA实验；进一步加强系统性实验，特别是以CPU为核心的计算机组成的实验；进一步改进实验方法，从以搭试、焊接为主过渡到以EDA为主，有条件的还可以进行集成电路设计的实验。

根据上述改革思想确定的计算机课程体系如下：

5．教学实验基地的建设和实践系列课程的改革

过去我校电类各系均各自建立基础实验室，存在分散、重复和效益低的缺点，自1997年起，因我校本科二年级学生全部移向浦口校区，故在浦口校区新建了“电工电子实验中心”。该实验中心在建设过程中，充分利用先进的信息技术，注意了强电与弱电相结合，软件与硬件相结合，单元电路模块与复杂电子电路相结合。实验室面向全校开放，注意适应不同系、不同专业的要求。同时又建设了面向高年级的计算机硬件实验中心和两个不同层次的EDA实验室，为全校4　000多名电类学科的本科生以及其他非电类专业学生的实验教学服务。

根据实践教学的综合性、多样性、层次性，建立一个全新的实践教学体系。实践教学的综合性、多样性在于整个大学学习过程中，包括各种课程的实验、综合课程设计、生产实习、毕业设计、社会调查、各类设计竞赛、科研实践、创新活动等环节。它的层次性体现于从低年级到高年级循序渐进，从认识性实践开始，到验证性、设计性、综合设计性及创新实践。这就需要按照学生学习过程中的认识规律和实践教学自身的客观规律加以系统安排，形成一个全新的电类实践教学体系（见下面附表），以使学生的知识、能力和素质得到全面发展。

附表　东南大学电类实践教学体系

实验类型：★—认识；☆—验证；△—基础性设计；□—工程设计；○—综合设计

校级定向实验中心：①计算机硬件应用实验中心；②罗克韦尔自动化实验室（工业自动化实验中心）

（1）由电工电子实验中心开设的“电工电子实践初步”、“电路与数字逻辑系统实验”、“电子线路实践”和“综合电子设计实践”，均为独立设课的必修课程，是这个实践教学体系的主线条。上述各门实践课之间相互衔接，逐层深入，最后以“综合电子设计实践”对该系列课程的内容进行系统集成与综合实践训练。该系列实践课的教学计划及实验内容与相应的理论课程紧密结合，互相补充，同时又保持实践课程自身的特色、要求和独立性。每门实践课程的内容均具三个层次：基本部分、拓宽部分和提高部分，实验类型已由过去的以验证型为主转变为以设计型、综合型为主。这些均有利于在培养基本能力的前提下因材施教，发展个性，培养创新意识和创新能力。

（2）在计算机教学中安排了综合程序设计训练、微机硬件应用实践等课程，目前的现状是，工科大学生在计算机硬件结构与系统应用上获得的训练远远少于在计算机软件使用与程序编制上得到的培养与指导，满足不了工业应用、民用、商用等环境下对计算机应用人才的需求。基于这种现状的深刻反思，提出了以当前国际主流机型的微机为计算机硬件平台，以接近于实际应用环境完成高质量实验为训练手段，以掌握计算机硬件结构与应用系统设计为主要训练目的，建设了“东南大学计算机硬件应用实验中心”并面向全校开放。该中心设置“微机硬件应用实践”实验教学课程（教材已由东大出版社出版）以及其他综合实验课程。实验中心配有三种较全面、系统的实验设备，面向全校对不同系不同专业学生进行计算机综合应用能力的训练。综合程序设计课程是在学习计算机科学基础（一年级课程）之后，向每位学生提供一本面向对象程序设计实践讲义和一个小型软件开发题目，要求学生在自学讲义的基础上做好软件开发的需求分析、软件设计和编程工作，课程结束时交出一份文档齐全的小型软件开发作业，使学生具备开发应用软件的能力。

（3）为适应科学技术特别是信息技术的发展，为适应电子系统日益复杂化的趋势，不仅课堂教学内容需要更新，设计手段也要日益现代化，而且在培养学生实践动手能力的概念方面也发生了深刻的变化，过去那种以人工设计、焊接、安装、利用示波器等测试仪器进行调试为主的实践动手能力的培养已不能适应设计电子系统的要求，一个复杂的电子系统是在EDA平台上进行设计、模拟，然后下载或流片，最后在实际条件下进行测试。因此，建立EDA实验室已经是当前电类学科实践教学和创新能力培养的必备条件。为此我校在浦口校区和校本部建设了两个不同层次的EDA实验室，其中第一层次EDA实验室主要面向二年级学生，初步掌握EDA基础，利用PSP ICE、Protel、Synario、Electronics、Workbench完成离散元件电子系统的EDA，使学生掌握从电路原理图到电路模拟，到PCB布图的完整设计过程。同时作为开放实验室，让学生进行虚拟实验。由于虚拟实验无器材供应和损坏的问题，所以受到学生和实验室老师的欢迎，可以放手让学生设计各种方案，有利于创新能力的培养。第二层次EDA实验室面向高年级学生，让他们进一步掌握EDA，经历利用Max－pluse软件使用VHDL语言进行设计和模拟，到isPLD编程下载测试。除此之外，还利用Microwind／DSCH软件进行模拟和数字电路的版图设计，通过宽带放大器、振荡器、A／D、D／A变换器、反相器、计数器以及其他数字电路的版图设计和模拟，最终形成CIF格式和GDSe格式文件，使学生了解使用现代工具进行集成电路芯片设计的全过程。

为了有效地开展集成电路技术研究及人才培养工作，提高我国的科技竞争能力，无线电工程系射频与光电集成电路研究所建立了第三层次EDA实验室，并以大学教育名义于1998年6月加入了旨在为美国大学研究芯片服务，由南加州大学实施的MO2SIS计划，获得了包括0118LmCMOS工艺在内的芯片制造服务，校内也建立了相应的芯片设计软件环境，并于1998年8月以来，顺利实现五批投片，取得突破性进展，成为我国工科电类学校首次实现MOSIS流片的学校。

6．结语

以上是我校电气电子信息类专业教学改革的基本情况，该项工作是在学校领导和七个电类系广大教师共同努力下进行的。经过四年的研究和实践，我校在建立加强通识教育基础上的宽口径专业人才培养方案，建立并加强工科人文社会科学课程体系，建立与信息技术发展相适应的电气电子信息类专业新课程体系，更新教学内容，进一步整合课程，编写新教材，使用现代工具创建新实验体系等方面取得了显著的进步和突破。新的人才培养方案和课程体系已在1999级本科电类专业中执行。我们深信，经过今后进一步的深化改革和系统实践，东南大学新的电气电子信息类宽口径人才培养方案和电工电子系列课程教学体系一定会取得更大的成绩。

（原载于《电气电子教学学报》，2001年第3期）