教学内容和课程体系改革的研究与实践

电气电子信息类专业人才培养方案、教学内容和课程体系改革的研究与实践

陈笃信　陈　怡　邹家禄　沈永朝　黄正瑾

自1996年以来，我校电类学科承接了教育部和江苏省三项面向21世纪教学内容与课程体系改革任务，在改革中注意将人才培养方案、教学内容、系列课程，特别是学科基础课程以及实验教学基地建设作为一个整体，集中人力物力系统地进行。本成果侧重上述项目的顶层设计。经过四年的努力，形成了具有时代特色的、以加强通识教育为基础的宽口径专业人才培养方案，建立了与信息技术发展相适应，面向七个工科电类专业的电气电子信息学科大类的新课程体系，在面向复杂电子信息系统、提高抽象层次、实现高层设计、更新教学内容、进一步整合课程方面，在实验基地建设，特别是使用现代工具进行大规模集成电路芯片设计的实践体系方面均取得了大的进展。与课程体系的改革相配合编写了多本教材，其中四本被评为面向21世纪教材。上述改革成果曾多次在全国性会议上作过介绍，举办过十多次各种类型的培训班，为兄弟院校培养骨干教师作出了贡献，产生了很大的影响，得到了广泛的好评。

2000年12月18日由教育部教学研究中心组织，由两位工程院院士和清华大学、北京大学等高校共七位教授组成的鉴定委员会认为，本项目体现了当今教育改革拓宽专业口径、重视能力培养、增强适应性的大趋势，特色鲜明，富有创新，对面向21世纪的教学改革做出了重大贡献。

一、基本内容

（一）基本情况和主要研究内容

我校是教育部面向21世纪“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”项目的牵头单位，“电气信息类专业人才培养及教学内容体系改革的研究与实践”项目的主持单位，同时承担了“江苏省高等工程教育面向21世纪技术基础课程体系改革的研究与实践”项目以及国家电工电子基础课程教学基地的建设任务。本成果是上述改革与实践工作的联合申报材料。在改革中将人才培养方案、系列课程建设，特别是学科基础课程的改革和实验基地的建设作为一个整体，统筹安排，系统推进，由时任校长、教务处长、无线电工程系及其他电类系组成的领导小组共同承担完成。本课题立项时确定的研究内容为：①建立新的人才培养方案；②建立新的课程体系；③编写相应的教材；④建立一套以加强系统设计能力和创新能力为特色的实验教学体系；⑤开展师资培训。

立项后随即开展了四个方面的工作：①组织电类各学科学术带头人介绍学科发展方向，座谈学科发展对学科基础知识提出的新要求；②研究世界一流大学电类专业的教学计划、课程设置和教材内容，拨出专款用于购买国外最新教材，进行认真的学习、比较和研究；③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电类学科未来高等教育的看法；④组织各电类系教学系主任和任课教师就教学内容的改革进行讨论。通过上述工作，统一了思想，明确了方向，落实了方案，构造了电类学科新的学科基础平台。在几年实践的基础上，已在1999级教学计划中全面实施。

（二）人才培养方案和系列课程改革的主要内容

1.关于电气、电子、信息类专业人才培养方案

由于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了根本变化，毕业生流动性空前增加，要求我们进一步拓宽专业口径，以增强学生的适应能力。由于高等教育的迅速发展，本科后教育层次的不断出现，同时由于科学技术的快速发展，使得知识更新速度越来越快，那种希望通过本科教育就能将学生培养成为工程师的目标已不现实，本科教育的重心显现下移的趋势。进一步拓宽专业口径，本质上是要进一步拓宽学科的基础。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综合，那种“狭窄于技术”和“技术上狭窄”的工程观已不合时宜。当代社会正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、应用作为支撑的经济发展模式，这在电气、电子、信息产业尤为突出。知识更新快，产品更新周期短，从而对学生的综合素质、实践能力和创新精神提出了更高的要求。考虑到上述因素，我校提出了在通识教育基础上的宽口径人才培养模式，在教学安排上注重文理渗透、理工经管结合和学科交叉。形成的课程体系如下表所示：

2.电工电子系列课程体系与教学内容改革

（1）主要思路和结论

众所周知，自20世纪下半叶以来，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已经发生了很大的变化。电气和计算机工程领域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由模拟电子学向数字电子学的转移；④由固定的刚性结构向柔性的可编程数字硬件的转移。特别是后两个技术重点的转移对基本知识、基本技能和当今设计对象的性质产生了重大影响。综观近30多年电气电子信息技术的发展，网络与通信已全球化，软件规模在不断增大：1975年Basic语言只有4000行，现在已变为50万行。Microsoft Word的第一个版本是27000行，现在是200万行，Windows NT已达2500万行。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超过40亿个，电子系统的复杂度大幅上升，但要求的设计时间却在减少。关于技术系统复杂性问题，英国剑桥大学、美国MIT、柏克莱分校等知名学府均把它看成是对现代工程教育的一个重要挑战。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。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）的工具是很难完成的。由于复杂度增加，电路设计、系统设计、硬件设计、软件设计和体系结构这五个方面已经不可分割，进入了片上系统时代。面对这样的系统，从设计方法学上来看，已从70年代的计算机辅助设计，80年代的计算机辅助工程改变为当今的高层设计自动化。

通过上述研究，我们的结论是：①提高抽象层次，解决复杂性问题；②系统设计人员应是集成电路（IC）的主要设计人员；③加强系统基础知识和系统分析能力；④加强利用现代工具进行复杂系统设计的能力。

为适应上述情况，在课程体系教学内容和实践环节方面均需作较大更新。

（2）学科基础课程体系

当前我校电气、电子、信息学科的各专业分布在七个系，经讨论已统一了相关课程的基本要求，下面是其具体方案。

一级学科平台课程：

第一层次由四门课程组成，即：①计算机科学基础；②电路基础；③计算机结构与逻辑设计；④信号与系统。

第二层次由五门课程组成，即：①电子电路基础；②电磁场与波；③微机系统与接口；④自动控制原理；⑤信息通信网络基础。

信息工程专业二级学科主干课程为：

计算结构、通信原理、数字信号处理、专用集成电路设计、微波技术。

信息工程专业跨二级学科选课为：

VLSI设计基础、数据结构、传感器、计算机控制技术等。

方向课程：（略）

（3）几门主要课程改革情况

①计算机科学基础：程序设计方法由面向过程为主转向以面向对象为主，注意使学生掌握处理复杂问题的一般方法。内容包括算法的设计与分析、Java程序设计、数据结构、软件工程等部分。

②电子电路基础：课程内容突破了原有的高低频、强弱电的界限，强调课程的基础性，着眼于电气、电子、信息类专业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，着眼于采用电路理论分析设计电子电路，并据此取舍内容。在具体做法上，将器件物理、逻辑设计等对基础有不同要求的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、功率电路等原属模拟电路课程的内容整合到同一电子电路课程中，使课程内容的归类及课程体系的划分更趋合理，也使原有课程间在基本内容、分析方法、基础需求等方面的交叉重选减至最少，有利于精减学时，提高效率。

③计算机结构与逻辑设计：主要介绍数字电路的基本知识、基本分析方法和设计方法，各种基本的逻辑模块功能与应用、计算机基本组成、计算机各组成方框的基本组织方法与电路结构，培养学生设计简单数字系统的能力。

④计算结构：该课程使学生较全面与深入地掌握现代计算机的组织与结构。初步具备分析与设计复杂数字系统的能力，以适应设计各种大型计算硬件的需要，内容包括计算机系统、CPU的结构与功能、RISC处理器、超标量处理器、微操作、控制单元的硬布线实现法、控制单元的微程序实现法、并行组织等。

⑤专用集成电路设计：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，掌握半定制、全定制、可编程逻辑器件等几种设计方法。侧重高层次的设计，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。

⑥VLSI设计基础：本课程是电路与系统学科、微电子学科高年级本科生专业技术的基本课程。目的是使学生了解集成电路的现状，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，掌握大规模集成电路设计的基本步骤和基本工具。

⑦信息通信网络基础：为适应信息时代网络全球化特点而设立的一门课程。让工科的学生对信息、通信与网络有一个整体概念。使一般的本科学生接触网络实践时能了解一些技术背景轮廓；使信息与通信工程方向的学生在学习更深的专业技术课时有整体概念的背景，可以提高学习的动力。内容包括传输的基础技术、传输系统、交换技术、终端系统、通信协议、信息通信网络实例等。

3.实践性教学环节的改革

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，不仅课堂教学内容要更新，实践教学也要更新。过去那种以人工设计、焊接、安装，利用示波器等仪器进行调试为主的实践动手能力的培养方式已不能适应要求。一个复杂的电子系统只有在EDA平台上设计、仿真，再下载、流片，在实际条件下进行测试、调整才能最终完成。因此，建立EDA实验室已是当前电类学科进行实践教学和创新能力培养的必备条件。我校建成了三个不同层次的EDA实验室：第一层次面向二年级学生，掌握初步的EDA基础，利用PSPICE、PROTBL、Synario、Electronics Workbench完成离散元件电子系统的EDA，使学生掌握从电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。第二层次面向高年级学生掌握进一步的EDA基础，利用Max－plus2软件和isPLD器件，使用VIIDL语言进行设计，到isPLD编程下载测试，实现完整的设计过程。此外，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交换，反相器，计数器以及其他数字电路的版图设计和仿真，最终形成CIF格式和GDSII格式文件，使学生了解大规模集成电路芯片设计的全进程。

为了有效地开展集成电路技术研究及人才培养工作，在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，并以大学教育的名义加入了美国南加州大学多目标芯片（MOSIS）计划，校内也建立了相应的芯片设计软件环境。过去一年多顺利投片五批，共10多个设计获得成功，取得突破，成为我国工科电类学科首次实现MOSIS流片的学校。

除了EDA实验的三个层次以重点培养学生的集成电路设计能力外，我们还着力建设了与平台课程体系相适应的、独立设置的实验教学体系。共由电工电子实践初步、电路与数字逻辑设计实践、电子线路实践、微机原理与应用实践、综合电子课程设计等课程组成，编写了相应的教材。建设了电工电子实验中心和计算机硬件应用实验中心，已成为国内一流的实验中心。通过上述措施，学生的实践能力得到了极大的加强。

（三）教材编写和研究论文情况

配合系列课程改革的进行，学校拨款3000美元和5万日元购买国外教材，并从教学基地经费中拨出12万元重点支持学科主干课程教材的编写。自1998年以来，承担了高教出版社六本教材和电子工业出版社五本教材的编写任务。为迎接2002年校庆100周年，列入校重点建设的教材有22本。近三年已正式出版的教材为11本。1999年、2000年各有一本教材获教育部科学技术奖，2000年又有一本教材获江苏省教改成果奖一等奖，共有四本教材被列入面向21世纪教材，其中两本已面世，另两本即将出版。近几年公开发表教学方面的研究论文约40多篇。

（四）推广应用方面

由于在教学改革中注意将人才培养方案、教学内容和系列课程改革以及教学实践体系改革三者密切结合，并取得了好的成绩，曾多次在全国性会议，如面向21世纪教学内容与课程体系改革项目交流会、全国重点理工大学教学改革协作组会、电子学会、电子高教学会、工科电工课程教学指导委员会、电工学全国性会议以及全省教学改革会议和其他会议作了重点介绍，近三年内接待外校专题来访者多达百余次，并应邀去兄弟院校介绍，产生了较大影响。

在1998年至1999年期间，我校EDA实验室共举办EDA培训班十多次，举办无生产线集成电路设计技术高级研讨班一次，参加培训的教师和工程技术人员达数百人次，对推广EDA教学、提高教师水平起了较大作用。1999年我校还受教育部高教司委托举办全国电子信息学科中青年骨干教师培训班，推动了我国高校电类学科的教学改革。

2000年12月18日由教育部教学研究中心组织，由两位工程院院士和清华、北大等高校七位教授组成的鉴定委员会对本项目进行了鉴定，鉴定委员会认为，东南大学的“电气电子信息类专业人才培养方案、教学内容和课程体系改革的研究与实践”课题的研究成果体现了当今教育改革拓宽专业口径、重视能力培养、增强适应性的大趋势，特色鲜明，富有创新，对面向21世纪的教学改革做出了重大贡献。

二、创新点

（1）建立了以加强通识教育为基础的宽口径专业人才培养模式，确立了由通识教育课程、学科基础课程和方向训练课程组成的新课程体系，体现了文理渗透、理工经管结合、学科交叉的指导思想。

（2）建立了面向电气电子信息学科大类的平台课程体系和相应的实践教学体系，统一了电子信息、通信、自动化、电子科学与技术、生物医学、电气工程与自动化、计算机科学与技术等七个专业的学科基础课程。

（3）为适应信息技术快速发展的特点，提出了注意面向复杂系统，逐步更新教学内容与教学手段的一系列建议，在教学内容中引入了高抽象层次设计以解决复杂性问题的概念，大幅度加强了使用工具进行复杂电子信息系统设计能力的培养，首次在电子信息工程类专业系统引入大规模集成电路设计课程，建立了完整的从电路设计、版图设计、高层设计、系统仿真到采用多目标芯片方案进行流片的EDA实验室和软件环境，取得了重大突破，为我国大量培养集成电路设计人才开辟了新的途径。

三、应用情况

（1）上述成果，包括新的课程体系和实验正在我校实施。

（2）举办了十多次电子设计自动化（EDA）培训班和一次无生产线集成电路设计技术高级研讨班，参加人次达数百人，我校的实验设备也为兄弟院校复制，有力地推动了我国电类学科的教学改革，许多学校也相应设立了有关课程和实验。1999年8月底，我校又受教育部高教司的委托举办了全国电子信息学科中青年骨干教师培训研讨班，有力地推动了我国高校电子信息学科的教学改革。

（3）随着市场经济体制的不断完善以及科学技术的迅速发展，进一步拓宽专业口径，减少大学本科专业数势在必行，目前又有一些重点高校也在试行类似计划，我校在人才培养方案、教学内容和课程体系以及实践体系方面的改革对他们将会提供一个好的借鉴。