精品資料（2021-2022年收藏）清華大學(xué)電子工程系教學(xué)改革思路與實(shí)踐

1、清華大學(xué)電子工程系教學(xué)改革思路與實(shí)踐1. 引言人才是國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一資源。目前我國(guó)高等學(xué)校人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀與國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求之間還存在不相適應(yīng)之處，特別是高層次拔尖創(chuàng)新型人才匱乏、人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力不強(qiáng)等問(wèn)題比較突出。我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處于向自主創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變的歷史進(jìn)程中。根據(jù)國(guó)家人事部的統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)最急需的高技術(shù)人才中，電子信息類人才排在第一位。這說(shuō)明，在創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)中，高等電子工程教育有著特殊的地位，電子信息人才的培養(yǎng)舉足輕重。清華大學(xué)電子工程系歷經(jīng)近60年建設(shè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，目前無(wú)論是招生數(shù)量還是質(zhì)量都名列前茅，在電子信息類教育教學(xué)改革方面有著良好的基礎(chǔ)條件，理應(yīng)承擔(dān)起率先改革的使

2、命。課程體系在教育教學(xué)中處于“總綱要”的地位，幾乎所有的教學(xué)活動(dòng)都是圍繞課程體系所確立的原則、方法和流程而進(jìn)行的。課程體系設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響（甚至是決定）教育教學(xué)效果和學(xué)生培養(yǎng)的質(zhì)量。清華大學(xué)電子系改革前的課程體系經(jīng)過(guò)數(shù)十年的實(shí)踐檢驗(yàn)證明對(duì)培養(yǎng)高水平的學(xué)生是有效的，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，知識(shí)總量和人才培養(yǎng)目標(biāo)也相應(yīng)發(fā)生了很大的變化，該課程體系存在著與學(xué)科發(fā)展及人才培養(yǎng)不相適應(yīng)之處。這一問(wèn)題在全世界高等工程教育界有一定的共性，也引起了世界各國(guó)的高度重視。前些年，美國(guó)工程院、中國(guó)工程院等分別進(jìn)行過(guò)大規(guī)模的對(duì)未來(lái)工程師培養(yǎng)目標(biāo)和模式的研究，歐洲也在大力推進(jìn)博洛尼亞進(jìn)程。西

3、方大學(xué)早在十多年前就已經(jīng)開(kāi)始嘗試各種改革。這種局面，使得本輪課程體系改革具有特殊重要的意義。世界一流的學(xué)生培養(yǎng)體系是世界一流大學(xué)的重要特征之一。應(yīng)該說(shuō)，在本輪競(jìng)爭(zhēng)中，哪個(gè)大學(xué)率先科學(xué)地設(shè)置了適應(yīng)新情況新要求的課程體系，這個(gè)大學(xué)就可能在未來(lái)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。在這樣的背景下，清華電子系從2007年5月開(kāi)始展開(kāi)本科課程體系改革工作，經(jīng)過(guò)近五年的努力，梳理出了學(xué)科的知識(shí)體系，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建起了以10門核心課程為主體的新課程體系，在電子信息類課程改革方面探索出一條理論與實(shí)踐相結(jié)合的新路。2. 課程體系改革的理念和思路從各國(guó)研究的成果看，目前高等工程教育面臨的矛盾有很多，比如人文與科學(xué)、通識(shí)與專

4、業(yè)、理論與實(shí)踐、基礎(chǔ)與前沿、課內(nèi)與課外、教與學(xué)等等。高等工程教育帶來(lái)的問(wèn)題也很嚴(yán)重，據(jù)美國(guó)的研究稱，很多學(xué)生要么不能適應(yīng)工程學(xué)習(xí)，要么即使勉強(qiáng)完成學(xué)業(yè)也不再適合做設(shè)計(jì)性、發(fā)明性的工作。通過(guò)回顧歷史，我們認(rèn)識(shí)到，知識(shí)隨著社會(huì)的發(fā)展總會(huì)越積越多，而每個(gè)人的學(xué)習(xí)時(shí)間因壽命的限制是有限的，這就必然產(chǎn)生增長(zhǎng)的知識(shí)量和有限的學(xué)習(xí)時(shí)間之間的矛盾。這一矛盾是引發(fā)歷次高等教育改革的真正動(dòng)因。本輪改革也是如此，矛盾已經(jīng)十分尖銳。我們課上講的“量”越來(lái)越多，而教給學(xué)生的“質(zhì)”卻越來(lái)越少，導(dǎo)致學(xué)生智商發(fā)展不良。學(xué)生要學(xué)的理論課程越來(lái)越多，沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使得間接經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越多，直接經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越少，影響到學(xué)生能

5、力的發(fā)展。課內(nèi)負(fù)擔(dān)越來(lái)越重，課外活動(dòng)越來(lái)越少，學(xué)生沒(méi)有時(shí)間去思考、鍛煉、交往，情商發(fā)展不良，甚至畢業(yè)時(shí)不愿意離開(kāi)學(xué)校。分析目前高等工程教育中的種種問(wèn)題，究其根源，都是由增長(zhǎng)的知識(shí)量和有限的學(xué)習(xí)時(shí)間之間的矛盾引起的。為解決這一基本矛盾，歷史上也采取過(guò)很多措施，比如分學(xué)科（專業(yè)）、分層次（本、碩、博），還有延長(zhǎng)學(xué)制，但是這些辦法都不能從根本上解決矛盾。課程體系改革必須引入新的機(jī)制。上個(gè)世紀(jì)末，教育學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等領(lǐng)域的一批學(xué)者把關(guān)于“學(xué)習(xí)”這一問(wèn)題的研究成果總結(jié)成 “關(guān)于學(xué)習(xí)的科學(xué)”，提出了“學(xué)習(xí)理論”（Learn Theory）?；凇皩W(xué)習(xí)理論”，我們認(rèn)識(shí)到：（1） 學(xué)習(xí)是一個(gè)

6、知識(shí)重建的過(guò)程。這種知識(shí)的重建是建立在學(xué)生已有知識(shí)基礎(chǔ)之上的。把教學(xué)的重點(diǎn)放在新知識(shí)與已有概念之間的差異上，既可以提高教學(xué)效率，又可以改善教學(xué)效果。（2） 任何一個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)都是有結(jié)構(gòu)的。把知識(shí)放到一個(gè)大的架構(gòu)下學(xué)習(xí)，有助于掌握和理解，有益于記憶和應(yīng)用，可以有效提高學(xué)習(xí)效率。知識(shí)體系是建立在為數(shù)不多的“核心概念”基礎(chǔ)之上的，很多知識(shí)內(nèi)容不過(guò)是這些“核心概念”的在某種具體條件下的實(shí)例。概念型知識(shí)與案例型知識(shí)相互支撐?？梢?jiàn)，要提高教學(xué)的效率和效果，首先需要梳理本學(xué)科的知識(shí)體系和核心概念，打破原有各門課程相對(duì)獨(dú)立成體系的狀況，構(gòu)建起學(xué)科的整體知識(shí)脈絡(luò)。什么樣的概念才是“核心概念”？美國(guó)學(xué)者庫(kù)恩認(rèn)為，

7、科學(xué)發(fā)展是“常規(guī)科學(xué)”與“科學(xué)革命”交替發(fā)生的過(guò)程?？茖W(xué)革命所建立的足以支撐其后常規(guī)科學(xué)發(fā)展過(guò)程的科學(xué)成就，被庫(kù)恩稱為“范式”。我們認(rèn)為，“范式”正是學(xué)科發(fā)展過(guò)程中建立起來(lái)的核心概念。從分析高等教育的基本矛盾，到以學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)重點(diǎn)梳理知識(shí)體系，到以科學(xué)革命理論為指導(dǎo)整理核心概念，構(gòu)成了完整的課程體系改革的理念和思路。3. 主要措施及進(jìn)展（1） 提出高等電子工程教育的基本矛盾，以及解決該基本矛盾的思路，為整個(gè)課程體系改革提供了理論依據(jù)。我們提出，高等電子工程教育的基本矛盾是知識(shí)量的膨脹和學(xué)時(shí)的限制之間的矛盾，并提出了基于“學(xué)習(xí)理論”和“科學(xué)革命”理論的解決基本矛盾的思路，為整個(gè)課程體系改革提供

8、了理論基礎(chǔ)。我們有理由相信，這一理論基礎(chǔ)可以擴(kuò)展到更多的高等工程教育領(lǐng)域，甚至更多的其它學(xué)科領(lǐng)域。（2） 完成了電子信息科學(xué)知識(shí)體系的梳理，為建立新的課程體系提供了結(jié)構(gòu)框架。通過(guò)梳理電子信息科學(xué)技術(shù)400多年的歷史進(jìn)程，以“范式”作為選材標(biāo)準(zhǔn)，我們提煉出“場(chǎng)和電荷載體”、“電勢(shì)與電路”、“比特與邏輯”、“程序與處理器”、“數(shù)據(jù)與算法”、“數(shù)據(jù)包與網(wǎng)絡(luò)”、“媒體和認(rèn)知”等七層逐次遞進(jìn)的核心概念體系，并將其統(tǒng)一在“信息載體與系統(tǒng)的相互作用”這一核心概念之下。信息的載體有電磁場(chǎng)、電流/電壓、比特、程序、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包、包括人看到的媒體等形式。不同的信息載體有不同的系統(tǒng)與之相互作用，相應(yīng)的有物質(zhì)

9、材料、電路、處理器、算法、網(wǎng)絡(luò)、人的大腦等等。把這個(gè)核心概念體系放到從基礎(chǔ)數(shù)學(xué)物理到工程應(yīng)用系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中，我們梳理出了電子信息科學(xué)技術(shù)的知識(shí)架構(gòu)圖（圖1），也簡(jiǎn)稱為“地圖”，或者“MAP”。它宏觀地反映了整個(gè)電子信息科學(xué)的知識(shí)脈絡(luò)與層次，為課程體系的規(guī)劃奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，屬于世界首創(chuàng)。圖1 電子信息科學(xué)技術(shù)的知識(shí)架構(gòu)（3） 成功開(kāi)設(shè)了電子信息科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)引課程。以電子信息科學(xué)知識(shí)架構(gòu)為基礎(chǔ)，我們從2009年開(kāi)始在大一新生中開(kāi)設(shè)了必修課程電子信息科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)引（簡(jiǎn)稱“導(dǎo)引課”）。該課圍繞知識(shí)架構(gòu)圖（圖1）展開(kāi)，授課對(duì)象為大一新生，教學(xué)目標(biāo)為引導(dǎo)新生了解電子信息學(xué)科知識(shí)體系的架構(gòu)，初步建立學(xué)科

10、知識(shí)的核心概念，理解課程體系設(shè)置與培養(yǎng)計(jì)劃安排的背景，為學(xué)生選課和確定主攻方向打下基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過(guò)2009年秋季、2010年春季和秋季3輪課堂教學(xué)的實(shí)踐，該課程從教學(xué)大綱、授課教師、講義等方面都日趨成熟。到目前為止，已經(jīng)有2009級(jí)、2010級(jí)、2011級(jí)約930人學(xué)習(xí)了本課程。同時(shí)，該課程的講義編寫工作也已經(jīng)基本完成。為了能讓大一學(xué)生理解和掌握學(xué)科的核心概念，“導(dǎo)引課”內(nèi)容針對(duì)學(xué)生們的preconception來(lái)設(shè)計(jì)，在專業(yè)知識(shí)和專業(yè)術(shù)語(yǔ)的鋪墊方面盡量利用學(xué)生中學(xué)過(guò)的知識(shí)和日常生活的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合視頻、圖畫、動(dòng)畫等多種形式，力爭(zhēng)形象化；同時(shí)以實(shí)際科研工作的例子、歷史案例、校友或?qū)W長(zhǎng)的例子

11、、名人軼事等增加學(xué)生們的感性認(rèn)識(shí)。這門課程受到了同學(xué)們的普遍好評(píng)和歡迎。絕大部分同學(xué)反映，導(dǎo)引課讓他們對(duì)電子工程的知識(shí)體系、研究對(duì)象、發(fā)展方向、課程體系等有所了解，對(duì)激發(fā)他們的興趣和熱情，激發(fā)他們的專業(yè)自豪感和認(rèn)同感起到了積極作用。（4）建立起10門專業(yè)核心課程，形成新的課程體系。圖2為新構(gòu)建的課程體系。其中帶邊框的為專業(yè)核心課程（包括相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程），右下角為基礎(chǔ)課程。新構(gòu)建的課程體系從本學(xué)科知識(shí)體系的核心概念及其相互關(guān)系出發(fā)，將原有的14門專業(yè)必修課凝練成9門專業(yè)核心課，新增加了一門核心課“媒體與認(rèn)知”，構(gòu)成10門專業(yè)核心課如下：計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)概率論與隨機(jī)過(guò)程信號(hào)與系統(tǒng)固體物理基礎(chǔ)電動(dòng)力學(xué)

12、電子電路與系統(tǒng)數(shù)字邏輯與CPU數(shù)據(jù)與算法通信與網(wǎng)絡(luò)媒體與認(rèn)知這10門專業(yè)核心課作為必修課程涵蓋了本學(xué)科的核心概念和主要案例，可作為本學(xué)科領(lǐng)域覆蓋兩個(gè)一級(jí)學(xué)科的基礎(chǔ)。這10門課改變了原來(lái)各門課程自成體系的狀況，內(nèi)容凝練，提高了第一課堂學(xué)習(xí)的效果和效率，學(xué)分減少，為學(xué)生們第二課堂的學(xué)習(xí)擠出了寶貴的時(shí)間。節(jié)省下來(lái)的學(xué)分一部分用于增加實(shí)驗(yàn)課程，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的培養(yǎng)；另一部分增加為限選學(xué)分，增加學(xué)生的課程選擇性。在改革后的課程體系中，學(xué)生限選課程學(xué)分從原來(lái)的8學(xué)分增加到了16學(xué)分。從2009年開(kāi)始，這10門核心課逐步開(kāi)始了課堂實(shí)踐。目前，已在全年級(jí)推廣。試驗(yàn)過(guò)程中積累了362學(xué)時(shí)的課堂錄像，由此整

13、理出309萬(wàn)字的教材初稿。在10門核心課程的基礎(chǔ)上，建設(shè)起了由24門限選課程構(gòu)成的限選課程群，學(xué)生們可以根據(jù)自己的興趣和就業(yè)預(yù)期選擇合適的課程修滿要求的限選課程學(xué)分。圖2的課程體系圖的左上邊為新建的本專業(yè)限選課程?？梢哉f(shuō)，10門核心課程打下寬而厚的專業(yè)基礎(chǔ)，限選課程群則為學(xué)生開(kāi)辟了廣闊的選擇空間。圖2. 新構(gòu)建的課程體系。其中帶邊框的為專業(yè)核心課程，右下角為基礎(chǔ)課程，左上邊為專業(yè)限選課程。（5）建立起實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和一支專門從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師隊(duì)伍。為了配合課程體系的改革，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)力度，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，2007年清華電子系正式成立了清華大學(xué)“電子工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。中心中心占地面積近1500平米，設(shè)