清华大学电子工程系教学改革思路与实践

清华大学电子工程系教学改革思路及实践

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1. 引言

人才是国家社会经济发展的第一资源。目前我国高等学校人才培养的现状与国家社会经济发展的需求之间还存在不相适应之处，特别是高层次拔尖创新型人才匮乏、人才创新创业能力不强等问题比较突出。我国的社会经济发展正处于向自主创新型转变的历史进程中。根据国家人事部的统计，在我国最急需的高技术人才中，电子信息类人才排在第一位。这说明，在创新型国家建设中，高等电子工程教育有着特殊的地位，电子信息人才的培养举足轻重。清华大学电子工程系历经近60年建设取得长足进步，目前无论是招生数量还是质量都名列前茅，在电子信息类教育教学改革方面有着良好的基础条件，理应承担起率先改革的使命。

课程体系在教育教学中处于“总纲要”的地位，几乎所有的教学活动都是围绕课程体系所确立的原则、方法和流程而进行的。课程体系设计的优劣直接影响（甚至是决定）教育教学效果和学生培养的质量。清华大学电子系改革前的课程体系经过数十年的实践检验证明对培养高水平的学生是有效的，但是随着时代的发展，经济产业结构发生了很大的变化，知识总量和人才培养目标也相应发生了很大的变化，该课程体系存在着与学科发展及人才培养不相适应之处。这一问题在全世界高等工程教育界有一定的共性，也引起了世界各国的高度重视。前些年，美国工程院、中国工程院等分别进行过大规模的对未来工程师培养目标和模式的研究，欧洲也在大力推进博洛尼亚进程。西方大学早在十多年前就已经开始尝试各种改革。这种局面，使得本轮课程体系改革具有特殊重要的意义。世界一流的学生培养体系是世界一流大学的重要特征之一。应该说，在本轮竞争中，哪个大学率先科学地设臵了适应新情况新要求的课程体系，这个大学就可能在未来的国际竞争中处于领先地位。

在这样的背景下，清华电子系从2007年5月开始展开本科课程体系改革工作，经过近五年的努力，梳理出了学科的知识体系，并在此基础上构建起了以10门核心课程为主体的新课程体系，在电子信息类课程改革方面探索出一条理论与实践相结合的新路。

2. 课程体系改革的理念和思路

从各国研究的成果看，目前高等工程教育面临的矛盾有很多，比如人文与科学、通识与专业、理论与实践、基础与前沿、课内与课外、教与学等等。高等工程教育带来的问题也很严重，据美国的研究称，很多学生要么不能适应工程学习，要么即使勉强完成学业也不再适合做设计性、发明性的工作。

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通过回顾历史，我们认识到，知识随着社会的发展总会越积越多，而每个人的学习时间因寿命的限制是有限的，这就必然产生增长的知识量和有限的学习时间之间的矛盾。这一矛盾是引发历次高等教育改革的真正动因。本轮改革也是如此，矛盾已经十分尖锐。我们课上讲的“量”越来越多，而教给学生的“质”却越来越少，导致学生智商发展不良。学生要学的理论课程越来越多，没有时间进行实验环节的训练，使得间接经验越来越多，直接经验越来越少，影响到学生能力的发展。课内负担越来越重，课外活动越来越少，学生没有时间去思考、锻炼、交往，情商发展不良，甚至毕业时不愿意离开学校。分析目前高等工程教育中的种种问题，究其根源，都是由增长的知识量和有限的学习时间之间的矛盾引起的。

为解决这一基本矛盾，历史上也采取过很多措施，比如分学科（专业）、分层次（本、硕、博），还有延长学制，但是这些办法都不能从根本上解决矛盾。课程体系改革必须引入新的机制。

上个世纪末，教育学、心理学、认知科学、神经生物学等领域的一批学者把关于“学习”这一问题的研究成果总结成 “关于学习的科学”，提出了“学习理论”（Learn Theory）。基于“学习理论”，我们认识到：

（1） 学习是一个知识重建的过程。这种知识的重建是建立在学生已有知识基础之上的。把教学的重点放在新知识与已有概念之间的差异上，既可以提高教学效率，又可以改善教学效果。

（2） 任何一个领域的知识都是有结构的。把知识放到一个大的架构下学习，有助于掌握和理解，有益于记忆和应用，可以有效提高学习效率。知识体系是建立在为数不多的“核心概念”基础之上的，很多知识内容不过是这些“核心概念”的在某种具体条件下的实例。概念型知识与案例型知识相互支撑。

可见，要提高教学的效率和效果，首先需要梳理本学科的知识体系和核心概念，打破原有各门课程相对独立成体系的状况，构建起学科的整体知识脉络。

什么样的概念才是“核心概念”？美国学者库恩认为，科学发展是“常规科学”与“科学革命”交替发生的过程。科学革命所建立的足以支撑其后常规科学发展过程的科学成就，被库恩称为“范式”。我们认为，“范式”正是学科发展过程中建立起来的核心概念。

从分析高等教育的基本矛盾，到以学习理论为指导重点梳理知识体系，到以科学革命理论为指导整理核心概念，构成了完整的课程体系改革的理念和思路。

3. 主要措施及进展

（1） 提出高等电子工程教育的基本矛盾，以及解决该基本矛盾的思路，为整

个课程体系改革提供了理论依据。

我们提出，高等电子工程教育的基本矛盾是知识量的膨胀和学时的限制之间的矛盾，并提出了基于“学习理论”和“科学革命”理论的解决基本矛盾的思路，

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为整个课程体系改革提供了理论基础。

我们有理由相信，这一理论基础可以扩展到更多的高等工程教育领域，甚至更多的其它学科领域。

（2） 完成了电子信息科学知识体系的梳理，为建立新的课程体系提供了结构

框架。

通过梳理电子信息科学技术400多年的历史进程，以“范式”作为选材标准，我们提炼出“场和电荷载体”、“电势与电路”、“比特与逻辑”、“程序与处理器”、“数据与算法”、“数据包与网络”、“媒体和认知”等七层逐次递进的核心概念体系，并将其统一在“信息载体与系统的相互作用”这一核心概念之下。信息的载体有电磁场、电流/电压、比特、程序、数据、网络上的数据包、包括人看到的媒体等形式。不同的信息载体有不同的系统与之相互作用，相应的有物质材料、电路、处理器、算法、网络、人的大脑等等。

把这个核心概念体系放到从基础数学物理到工程应用系统的层次结构中，我们梳理出了电子信息科学技术的知识架构图（图1），也简称为“地图”，或者“MAP”。它宏观地反映了整个电子信息科学的知识脉络与层次，为课程体系的规划奠定了坚实的基础，属于世界首创。

图1 电子信息科学技术的知识架构

（3） 成功开设了《电子信息科学与技术导引》课程。

以电子信息科学知识架构为基础，我们从2009年开始在大一新生中开设了

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必修课程《电子信息科学与技术导引》（简称“导引课”）。该课围绕知识架构图（图1）展开，授课对象为大一新生，教学目标为引导新生了解电子信息学科知识体系的架构，初步建立学科知识的核心概念，理解课程体系设臵与培养计划安排的背景，为学生选课和确定主攻方向打下基础，激发学习兴趣。

经过2009年秋季、2010年春季和秋季3轮课堂教学的实践，该课程从教学大纲、授课教师、讲义等方面都日趋成熟。到目前为止，已经有2009级、2010级、2011级约930人学习了本课程。同时，该课程的讲义编写工作也已经基本完成。为了能让大一学生理解和掌握学科的核心概念，“导引课”内容针对学生们的preconception来设计，在专业知识和专业术语的铺垫方面尽量利用学生中学过的知识和日常生活的经验，结合视频、图画、动画等多种形式，力争形象化；同时以实际科研工作的例子、历史案例、校友或学长的例子、名人轶事等增加学生们的感性认识。

这门课程受到了同学们的普遍好评和欢迎。绝大部分同学反映，导引课让他们对电子工程的知识体系、研究对象、发展方向、课程体系等有所了解，对激发他们的兴趣和热情，激发他们的专业自豪感和认同感起到了积极作用。

（4）建立起10门专业核心课程，形成新的课程体系。

图2为新构建的课程体系。其中带边框的为专业核心课程（包括相应的实验课程），右下角为基础课程。新构建的课程体系从本学科知识体系的核心概念及其相互关系出发，将原有的14门专业必修课凝练成9门专业核心课，新增加了一门核心课“媒体与认知”，构成10门专业核心课如下：

计算机程序设计

概率论与随机过程

信号与系统

固体物理基础

电动力学

电子电路与系统

数字逻辑与CPU

数据与算法

通信与网络

媒体与认知

这10门专业核心课作为必修课程涵盖了本学科的核心概念和主要案例，可作为本学科领域覆盖两个一级学科的基础。这10门课改变了原来各门课程自成体系的状况，内容凝练，提高了第一课堂学习的效果和效率，学分减少，为学生们第二课堂的学习挤出了宝贵的时间。节省下来的学分一部分用于增加实验课程，加强学生实验动手能力的培养；另一部分增加为限选学分，增加学生的课程选择性。在改革后的课程体系中，学生限选课程学分从原来的8学分增加到了16学分。

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从2009年开始，这10门核心课逐步开始了课堂实践。目前，已在全年级推广。试验过程中积累了362学时的课堂录像，由此整理出309万字的教材初稿。

在10门核心课程的基础上，建设起了由24门限选课程构成的限选课程群，学生们可以根据自己的兴趣和就业预期选择合适的课程修满要求的限选课程学分。图2的课程体系图的左上边为新建的本专业限选课程。可以说，10门核心课程打下宽而厚的专业基础，限选课程群则为学生开辟了广阔的选择空间。

图2. 新构建的课程体系。其中带边框的为专业核心课程，右下角为基础课程，左上边为专业限选课程。

（5）建立起实验教学中心和一支专门从事实验教学的教师队伍。

为了配合课程体系的改革，加强实验教学力度，促进学生综合能力的培养，2007年清华电子系正式成立了清华大学“电子工程实验教学中心”。中心中心占地面积近1500平米，设备数1200余台件，资产总额近2000万元人民币；专职人员18名，其中教授5名，副教授7名，实现了“场地空间共用、仪器设备共享、人员统一调配”的管理模式。2008年8月以总分排名第一获清华大学一级实验室称号。

实验教学中心配合核心课和限选课的建设，规划建设了七大系列实验课程，并在此基础上新增了前沿创新系列课程和前沿创新性实验项目，提出了基础性、综合设计性、探索创新性和前沿创新性四个层次实验类型的优化课程体系。