伊利诺伊大学香槟分校电气信息类专业课程体系特色

摘 要：通过对伊利诺伊大学香槟分校EE专业课程体系及典型课程的分析与研究,并与华中科技大学相关专业课程体系进行对比,得知伊利诺伊大学EE专业课程设置宽口径、重基础,分层递进.ECE190和ECE210两门课程突破了传统课程知识体系,建立了知识的横向联合,有助于学生对知识综合应用能力的提高；独具特色的专业导论课,使学生在一年级后就能对所学专业有清晰的认识,并为学生工程实践能力培养奠定了基础.

关 键 词：电气工程专业；课程体系；课程设置；专业方向

一、基本情况

伊利诺伊大学香槟分校在2013年《美国新闻和世界报导》（USNewsandWorldReport,简称USNews）电气/电子/通信（Electrical/Electronic/Communications）专业本科排名中名列第4[1],综合排名第46[2],在校本科生3万.该校的电气与计算机工程系（DepartmentofElectricalandComputerEngineering,ECE系）下设两个专业,电气工程（ElectricalEngineering,EE）和计算机工程（ComputerEngineering,CompE）.两个专业涵盖了7个专业方向,如表1所示.由此看出,伊利诺伊大学的专业口径非常宽,EE专业既包含强电领域也包含弱电领域,弱电领域包括了信息大类多个专业方向,它们几乎对应国内高校不同的院系.伊利诺伊大学香槟分校实际上反映了美国大部分高校EE专业划分的特点.

以下主要介绍EE专业的课程设置情况,分析过程以华中科技大学相关专业2010年培养方案情况为对照,便于了解中美两国高校的差异.

二、课程体系分析

1.分类课程要求

由表2分类课程要求看出,伊利诺伊大学毕业学分要求为128分[3],基础科学、数学和人文社科等通识教育课程有56学分,占总学分43.8%,而华中科技大学毕业学分要求为182分,超过伊利诺伊大学42%,即使除去英语、政治等相关课程的学分,还是高出伊利诺伊大学不少.目前国内大学本科毕业学分要求超过美国高校是较普遍的现象.华中科技大学通识教育课程占总学分的42.3%,与伊利诺伊大学相近.

2.专业课程要求

专业必修课和限选课如表3所示.可以看出,伊利诺伊大学的专业必修课数量略多于限选课,如果考虑20学分的专业任选课要求（见表2）,那么必修课学分与选修课（含限选）学分基本相当,学生选课的自由度比较大.专业课的总学分约为67分.

反观华中科技大学,必修课数量远远超过限选（5门）和任选（2门）课.必修课为93学分,专业课总学分约为105分.显然,学生自主选课的余地远小于伊利诺伊大学,这种状况在国内其他高校也较为普遍.专业课总学分要求超过伊利诺伊大学近57%.

从表3所列课程看出,伊利诺伊大学的专业必修课都是电气、信息学科非常基础的课程.实际上5选3的限选课也都是很基础的课程,并且至少能覆盖3个专业方向.不仅如此,还明确提出了6学分非本系的专业课程要求（见表2）,体现了该校对本科生宽广知识面的培养要求,这也是美国高校的普遍特点,使毕业生有更好的社会适应性.而华中科技大学的专业必修课更多地反映了通信与信息专业特征,专业要求更“专”.这是国内高校与美国高校在专业设置上的差异导致的必然结果.

根据伊利诺伊大学香槟分校EE专业典型的学习流程[4]可知,表3中的课程关系如图1所示.由此看出,EE专业课程从ECE110开始,其后主要有两条相关度较高的课程路线：（1）ECE110→ECE190→ECE290→ECE385和ECE391；（2）ECE110→ECE210→ECE329、ECE313等.前一条主要是数字系统和计算机软、硬件的相关内容；后一条主要是信号处理方法、场与波、工程应用概率及电子电路等相关内容.ECE110是EE专业的导论课,也是该专业的基础平台课程.顶层的5门课是5选3限选课,第6学期才开始学习这些针对不同专业方向的课程.

另外,ECE340半导体器件课程的基础主要是物理等相关知识,所以不需要ECE110作为前提.ECE445是四年级的一个设计项目实验课程.

3.典型课程介绍

这里仅对伊利诺伊大学的其中7门EE专业核心必修课和限选课做简要介绍.

（1）ECE110电气与计算机工程导论（IntroductiontoElectrical&ComputerEngineering）.该课程在第二学期开设,为4学分必修课,不仅有随课实验,而且更重要.课程的教学目标是激发学生对专业学习的兴趣,使他们较早接触到电气元件及它们在系统中的应用,并通过分析和设计提高学生解决问题的技能.课程综合介绍电气和计算机工程中精选出的基本概念和基本原理,涉及电路、电磁学、通信、电子学、控制、计算等知识.实验和讲课重点放在设计与实现一个自主移动小车的项目上.

课程主要内容：绪论；直流电路；电磁铁,直流电机；二极管、三极管；传感器、反馈和控制；数字逻辑；脉宽调制和通信；基本计算机组成.

实验内容：实验仪器设备；I-V特性,KVL/KCL；小车电机；二极管及二极管电路；三极管；简单的导航电路；调试；分叉循迹导航；脉宽调制；子电路合成（系统集成）.

特点：很特别的专业导论课程.内容庞杂,涉及很宽的知识面,体现了宽口径,大平台特点.实验是先实现系统的各个子单元,最后再合成完整的小车系统.

（2）ECE190计算系统导论（IntroductiontoComputingSystems）.第三学期开课,4学分必修课,有随课实验.教学目标是提供计算机基本组成以及编程的基本概念,为后续相关课程打下基础.主要内容为计算机中数的表示；C语言的基本概念；数字电路：门电路,组合逻辑,存储器,时序逻辑,时钟；LC-3（LittleMachine3）微机冯诺依曼模型（最原始的处理器）,包含其构成实现方式,机器指令,汇编指令,汇编程序设计,I/O基本原理,堆栈；C语言的原理,深入到实现机理,而不仅仅是如何使用C语言；数值计算导论；现代计算机发展新技术简介（发展趋势）.配有5个上机实验.使用教材：YaleN.PattandSanjayJ.Patel,IntroductiontoComputingSystems：frombitsandgatestoCandbeyond,2ndEdition,McGraw-Hill,2003.

特点：涉及数字电路、计算机组成原理、C语言三门课程的内容,软硬件结合紧密,C语言的学习不再“虚”.是一门比较综合的课程.

（3）ECE290计算机工程I（ComputerEngineeringI）.第四学期开课,3学分必修课,有随课实验.教学目标是培养设计和分析组合及时序逻辑网络（电路）的能力,了解计算机组成原理.主要内容包括信息的表示；开关代数；组合网络分析与设计；时序网络分析与设计；二进制算术运算及算术逻辑单元；计算机组成和机器语言编程；输入输出；控制与设计.配有7个硬件描述语言仿真实验.使用教材：Mano&Kime,LogicandComputerDesignFundamentals,Prentice-Hall,1997.

特点：大部分内容类似国内数电课程,但延伸至计算机组成.与ECE190有部分重叠内容,但不同的是重点放在硬件设计上.

（4）ECE385数字系统实验（DigitalSystemsLaboratory）.第五学期开课,2学分必修实验课.教学目标是培养学生对包括作为控制器使用的微计算机在内的数字系统的设计、构建和调试能力.实验内容包括组合逻辑电路；存储单元；竞争冒险；电路（电气）特性（负载、延时等）；简单组合网络（加法器、多路器等）；简单时序网络（计数器、移位寄存器等）；同步和异步时序机；处理器和控制器；作为控制器使用的微处理器设计.既有单独的实验,又有大型的项目设计实验.课程的前半部分使用标准TTL芯片、导线和实验板进行实验,后半部分使用CAD工具和VHDL进行FPGA实验.使用教材与ECE290相同.

特点：从最基本的触发器实验到最后的设计项目均以数字系统（计算机）为目标,传统的数字电路已融入数字系统中.既有传统硬件实现又有可编程器件实现.

（5）ECE210模拟信号处理（AnalogSignalProcessing）.第四学期开课,4学分必修课,有随课实验.教学目标是运用数学工具分析和设计信号处理系统,最后获得对调幅无线接收机透彻的理解能力和设计简单滤波器的能力.内容包括信号和信号处理系统例子；模拟线性时不变系统；电路和线性系统；直流电路分析回顾：KCL、KVL、受控源；电容器和电感器元件；运算放大器电路；通过线性常系数微分方程表征和求解LSI系统；复数和复变量函数；阻抗、相量和正弦稳态；频率响应和多频率电路；傅立叶级数；傅立叶变换；调幅无线接收机；卷积；冲激和冲激响应；采样定理和数字信号处理概述；稳定性；拉斯变换和传递函数；微分方程的拉斯变换求解；微分方程解的通式；有源滤波器设计.配有5个实验,包括调幅超外差接收机的实现.使用教材：E.KudekiandD.C.Munson,AnalogSignalsandSystems,PrenticeHall,2008.

特点：是第1门数学特征明显的ECE专业核心课程.以ECE110课程中电路概念及分析为基础开始课程学习,然后进展到傅立叶和拉普拉斯变换等更抽象的世界.课程的学习很大程度上依赖于数学基础（微积分和微分方程）.课程以电路、模电的基本电路和调幅无线接收机的物理系统为依托,完成理论和方法的学习.内容涉及电路、信号与系统、模电等知识,也是一门较综合的课程.

（6）ECE391计算机系统工程（ComputerSystemsEngineering）.第五学期及以后开课,3学分限选课.教学目标是为进一步学习计算机系统工程获得解决问题所需的编程技能.课程介绍现代计算系统发展的核心概念,重点放在系统软件上,学习如何实现硬件之间、硬件与应用程序之间,以及应用程序之间的相互作用.同时包括输入输出的语义、同步、中断、多任务、虚拟化等内容.

特点：类似于操作系统课程,含有x86汇编的内容.

（7）ECE342电子电路（ElectronicCircuits）.第六学期及以后开课,3学分限选课.介绍模拟和数字集成电路的设计.内容包括基本电路分析；二极管；三极管；逻辑电路；放大器电路.使用教材：A.SedraandK.Smith,MicroelectronicCircuits,6thed.,OxfordUniversityPress,2010.

特点：重点在电路原理设计上,而非版图设计.大部分内容与我们的模电课相近,但包含少量门电路.

4.课程设置特点

通过上述课程介绍得知,伊利诺伊大学香槟分校EE专业课程设置有以下几个特点：

（1）宽口径、分层次的课程体系.如果将华中科技大学（也是目前国内高校的普遍情况）开设的电路、模电、数电、微机原理、软件编程（C语言）和信号与系统等课程称为传统课程体系,那么可以看出,一方面,伊利诺伊大学EE专业入门性质的一些基础课程不按传统知识纵向的逻辑性和系统性构建,而是突破传统知识的自身体系,以横向联合方式构建.如ECE110、ECE210、ECE190、ECE290等课程,它们在内容上与传统课程的关系如表4所示.其中前三门课程内容都涉及3门以上传统课程的知识,如ECE210涉及电路、模电和信号与系统3门传统课程的相关知识,ECE110课程中甚至还涉及电磁学、通信和控制等领域的知识.这样设置的课程,知识构成不再是单一的、割裂的,而是连通的、综合的,为实际应用系统的设计建立了良好的知识架构,更加符合学习者知识构建的需要,也更符合工程应用型人才培养的要求.另一方面,将传统课程内容拆分到不同课程中,在不同课程中实现知识的层次递进.如电路和模电知识在ECE110和ECE210课程中的递进,数电和微机原理知识在ECE110、ECE190和ECE290课程中的递进.这种分层递进的方式更加符合认知规律.另外也容易将过深、过专的内容分解到专业方向选修课中,便于在有限的时间内真正落实宽口径、重基础的培养方案.当然,这种课程设置的缺点就是有些知识的学习达不到传统课程内容的深度或广度.例如,虽然ECE110和ECE210两门课都涉及模电知识,但未达到传统模电课程的深度和广度.还有电路理论课程也有类似的问题.为了解决这类问题,伊利诺伊大学后续开设了相应的限选课,如ECE342,以弥补之前的不足.对这一问题的处理实际上反映了更高层面的问题,即哪些知识对本科生来说是更重要的.但也有些是相反的,例如数电知识在课程中反而更深更广了.

（2）颇具特色的专业导论课.ECE110是大学第二学期开设的电气与计算机工程专业导论课,与我们泛泛而谈的专业导论课有本质的区别.该课程配有专门的实验项目,课程围绕项目展开,最终要求学生完成一个具有自主循迹移动功能的小车系统.实际上麻省理工学院和密歇根大学安娜堡分校也有类似的专业导论课程.

该导论课以一个具体的实际项目为背景,进行相关知识的学习,因此课程内容涉及很宽的知识面.学生不仅要了解相关知识,而且还要对其有一定深度的掌握,才能顺利完成实际项目.该课程使学生在一年级后就能对本专业基本知识构成和应用有了较深刻的认识,可以大大激发他们学习专业知识的兴趣,同时较早使学生体验实际工程项目设计、开发、实现的全过程,践行了基于问题的学习方法,对学生分析问题、解决问题能力的提高大有裨益,优点非常突出.当然,开设这样的专业导论课具有较高难度.

（3）理论与实践紧密结合.除了不少课程配有实验外,ECE210课程表现更为突出.该课程名称为“模拟信号处理”,课程内容涉及电路理论、信号与系统和模电知识.与传统的信号与系统课程不同,该课程有很强的具体物理系统支撑.理论与实际相结合,理论不再那么抽象.当然数学知识是它的前提.

（4）软件与硬件紧密结合.ECE190课程名称为“计算系统导论”,也是非常特别的课程.既不是传统的C语言课,也不是微机原理,更不是数电课程.课程内容涉及数电、计算机组成原理、C语言三门传统课程的有关知识.C语言内容占比略大,但重点不在语言本身,而是强调计算系统的构成及实现原理,即关注的是计算机实现的本质问题.课程的软硬件结合紧密.后续课程ECE290计算机工程I则是传统数电课程向计算机组成原理的延伸,更注重计算机的硬件实现.

通过对伊利诺伊大学香槟分校EE专业课程体系及典型课程的分析研究,并与华中科技大学相关专业的课程体系加以对比,得到以下结论：该校EE专业口径宽泛,专业课程设置注重基础和知识面的宽广度；知识横向联合、分层递进的课程体系有助于学生对知识综合应用能力的提高；开设的突破传统教育观念的专业导论课,使学生更早地对所学专业有清晰的认识,并为学生工程实践能力培养奠定了基础.选修课（含限选）学分与必修课学分基本持平,与国内高校相比,学生自由选课的余地大很多,本科毕业学分要求远低于国内高校.