MIT电气科学与工程专业本科培养体系研究

2015-04-26肖春燕赵婷婷

电气电子教学学报 2015年6期

肖春燕，赵婷婷

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191)

美国麻省理工学院(MIT)的电气工程与计算机科学学科(EECS)下设电气科学与工程、电气工程与计算机科学和计算机科学与工程三个专业，可授予学士学位，其中与我国的电气工程专业相对应的是电气科学与工程专业。本文对MIT的EECS本科培养目标和2013年秋季电气科学与工程专业的课程设置进行研究，以便为我国高等院校所借鉴。

1 EECS学科本科培养目标

(1)工程气质，即运用EECS的分析和计算方法，能对研究对象抽象出本质结构，探究其来龙去脉，并采用正确的模型和技术工具着手解决问题，这些问题不仅涉及工程领域，还包括管理、医学、教育、法律以及艺术等领域。

(2)领导能力，让学生毕业后能够在职业生涯中充满自信、诚信实践，并凭借技术实力推动创新，通过沟通、协作激励和指导团队将想法转化为成果，成为其所在领域和事业中的优秀领导者。

(3)多才多艺，毕业生在本专业领域之外的其它领域和行业中，也能够卓有成效地发挥其能力和表达见解。能够涉猎各个行业和多种职业，做出自己的成绩和创造性的贡献。

(4)契约精神，毕业生能够适应社会环境，对社会关心、负责，遵从道德规范，终生学习，以使自己一直成为社会上有实力的成员。

2 电气科学与工程专业课程设置

EECS的严苛要求和创新精神是世界公认的，它拥有 MIT最大的本科培养体系［1，2］。下面介绍EECS的电气科学与工程专业的本科课程设置。

2.1 课程设置

根据MIT网站公布的2013年秋季课程要求，电气科学与工程专业的学生至少要修满32门课程才能获得学士学位，所学课程分为校级基本要求(GIRs)课程和系级(即专业)基本要求课程两大类［3］。17门校级基本要求课程详见表1;18门系级基本要求课程详见表2，其中导论课和数学课中共3门课程与校级基本要求课程重复。与以往不同的是，所有课程均设置为12学分。

表1 MIT电气科学与工程学科校级基本要求

表2 MIT电气科学与工程学科系级基本要求

根据表1和表2，对电气科学与工程专业的课程设置分析如下。

(1)校级基本要求(GIRs)课程。包括数学、物理、生物、化学和实验课共9门和人文、艺术和社会科学(简称HASS)课8门。具体是:①6门自然科学:1门化学，1门生物，2门数学，2门物理。②1门实验选修:EECS导论I和II。EECS导论I以移动机器人为例，通过大量实验综合介绍EECS，涉及工程设计和实现的关键问题:系统测量和建模、传感器和效应器的误差评估、任务说明、基于解析和计算模型的解决方案设计、性能测试方案、实施和评估以及模型和设计的完善;还有保障各种工程系统稳健运行的问题，包括计算机程序、控制系统、概率推理、电路和传感器的选择等。EECS导论II以数字通信系统为载体介绍EECS的基本理念。课程包括三部分，即位、信号和包。该课程通过编程和实验实现理论和实践的结合，并能应用于通信系统和网络的设计和分析。③2门科技限选课:微分方程和概率系统分析。④8门HASS课:基础HASS课程3门;其中，专业课程3～4门;其他选修课程1～2门。

(2)专业基本要求课程。除与GIRs重复的3门导论课和数学课外，专业课程还包括专业基础课、专业课、专业实验课、高等本科课程、高等项目和任选课程共六部分。①专业基础课3门:“电路与电子学”、“信号与系统”和“电磁能:从电机到激光”。②专业课:从“通信、控制与信号处理引论”，“微电子器件与电路”、“电磁学及其应用”、“细胞生物物理学与神经生理学”这4门课中选3门。③专业实验课从33门实验课中选1门。④高等本科课程(AUS)从37门本科高等课程或者12门研究生课程中选2门。⑤高等项目:包括高等本科技术1门和高等本科项目或者研究1门。⑥任选课程:任选课可以从学校开设的所有课程中选4门。

(3)除表1和表2所列课程之外，还要求选修4门交流课程(0学分)，包括2门HASS课程和2门专业交流课程。专业交流课程至少从以下课程中选1门:“细胞生物物理学和神经生理学”、“计算机系统工程”、“模拟电子实验导论”、“数字系统实验导论”、“微计算机项目实验”、“电力电子实验”、“机器人”:“科学和系统 I”、“微/纳米加工技术”、“现代光学项目实验”、“频闪项目实验”、“心理声学项目实验”以及“伦理和法律”等。

2.2 课程设置特点分析

扎实的自然科学基础，宽厚的人文、艺术和社会科学氛围，统一、坚实的专业核心课程，涉及多学科领域的专业选修课程，以及贯穿四年的创新实践培养环节，形成了MIT培养高素质、全面发展、具有创新和领导能力人才的电气科学与工程的课程体系特色。电气科学与工程专业的课程设置特点如下。

1)重视基础课程和人文课程

MIT电气科学与工程专业的课程设置分为通识类、专业类和实践类三个层次，其课程结构如图1所示。在电气科学与工程专业课程设置中，科学基础课和科技限选课这两大类课程共占了总门数的一半，科学基础课程包括数学、物理、化学、生物等，而我国大学的电气工程专业开设生物课程的学校却寥寥无几。由此可见，MIT非常重视培养学生的扎实基础和人文素养。在专业课程设置上，形成了以“电路与电子学”、“信号与系统”和“应用电磁学”为专业基础，以“电磁学及其应用”、“通信/控制/信号处理”、“微电子器件与电路”、“细胞生物物理学与神经生理学”为专业课程的统一、坚实的专业平台。通过AUS、UAT和UAP等专业实验和项目实践的完成，培养学生的科研素质和创新能力。

图1 MIT电气科学与工程专业课程结构

2)加强交流课和实践课的教学

电气科学与工程专业教学注重学生交流和实践能力的培养，为此开设了4门交流课。实践课贯穿本科四年，一年级就开设了EECS导论课，并在不同年级段设置电气科学与工程实验课程:AUS1和AUS2(Advanced Undergraduate Subjects 1，2)，UAT(Preparation for Undergraduate Advanced Project)和UAP(Undergraduate Advanced Project)。通过以上大量的动手实践课程，培养学生解决复杂工程问题的能力、创新能力、团队合作意识、沟通和交流能力以及自我学习能力。

3)灵活宽松的选课原则

学生在满足课程要求前提下有自主选择课程的权利，可以在全校所开设的所有课程中根据自己的兴趣爱好选择自己喜欢的课程，从而打破了同一个专业的学生每学期所学课程完全一样的传统格局。例如，8门人文课程中，不同类别课程有3门，集中分配3-4门，任选1-2门，课程选择较为灵活自由;高等本科课程要选2门，可以从37门本科课程和12门研究生课程中选择;系实验课可以从33门实验课中任选一门;任选课可以在全校开设的所有课程中任选4门。

3 培养模式

1)通识教育贯穿整个本科阶段

通识教育课程的重点是加强学生道德、科学和艺术方面的修养。要求学生完成8门HASS课程(约占校级要求课程的47%)的学习，内容涵盖了考古学、经济学、政治学、艺术和建筑以及种族研究等方面。通过通识教育课程的学习，让学生成为一个涉猎广泛且有自主学习能力的人。

2)跨学科课程不断发展

MIT采取多种积极手段促进学科间的交叉融合，目前一共有71个跨学科的实验室，研究中心和研究项目。学院内部和学院之间构成了不同层次、不同形式的跨学科研究体系，电气科学与工程专业的课程设置中就交叉了生物、化学、物理、电气、电子、通信以及由此衍生出来的课程，例如细胞生物物理学与神经生理学。

3)宽口径和多模式

电气科学与工程、电气工程与计算机科学和计算机科学与工程三个专业的课程相互交融，彼此结合，另外学校还开设了150门人文课程供学生们选择，任选课也可以在学校开设的所有课程中选，选课范围广泛，而且每个学生选课的模式也是多种多样的。

4)研究活动多样化

研究活动主要包括HASS课程交流项目，项目及实验前期准备，实践期三个阶段:

(1)HASS课程交流项目，即在全校提供的HASS课程中选择2门课进行交流，让学生参与到交流、表达活动中。

(2)项目及实验前期准备，主要是给本科生开设了开放、广阔、跨学科的课程，包含通识和专业两大类。通识类融合了生物、化学、物理和数学等学科的内容;专业类包括专业介绍，专业基础课和专业课，是学生打基础的阶段。

(3)实践期，包括专业实验、高等课程和项目三大类，提供很多学术性和非学术型课题，让学生熟悉并探索促进当今社会高科技进步的关键课题［4］。

4 经验与启示

1)拓宽专业口径，增加跨学科课程

MIT的电气科学与工程专业口径宽，所开设的专业课程涉及我国电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、计算机科学与技术和生物医学工程等专业，既体现了电气工程的专业特色，又形成了多学科交叉的融合。此外，课程不仅涉及工程领域，校级要求课程还包括管理、医学、教育、法律和艺术创作等领域。相比MIT，我国的电气工程专业口径窄且细，缺乏交叉学科的交流和渗透，特别是在电气科学与工程与生物、化学等学科交叉方面，我国还存在很大的不足。因此，我们需要继续拓宽专业口径，赋予学生更大的选课自由，扩展学生视野，增强学生适应能力。

2)增大实践课程的比重

MIT的课程设置不仅重视专业基础课程的学习，还大大增加了实践类课程的比例，并贯穿于整个本科教育，给学生提供了一个全面广阔的视野，使学生了解如何解决问题并专注于建模和问题的抽象，为以后在各行业的成功做准备。而在我国，专业基础课和实践类课程的门数比重相对过大，课堂授课与实践的课时比重也相对过大，学生实践和自主学习的时间偏少，尤其是学生通常到三、四年级才开始专业实践，不利于学生自学和创新能力的培养。

3)建立合理的专业课程体系平台

MIT的电气工程的专业课程门数虽少，但涉及电气工程、生物、通信、控制与信号处理、电动力学与能量控制、计算机和电子技术等多个领域［5］。与MIT相比，我国的电气工程的专业基础课和专业课的门数多，但所涉及的领域相对单一，专业课程多围绕"四电"(即电路、电磁场、电力电子技术、电机学)而开设。在课程内容设置上，通常MIT的一门专业课在我国被细分成多门课单独讲授。例如，MIT的“电路与电子学”课程内容包括我国的“电路”、“数字电路”、“模拟电路”等多门课程内容。开设的课程“电磁能:从电机到激光”，主要讲授电气和机电系统在宏观和微观领域的能量转换和功率流动，包括电动机和发电机、电路元件、量子轨道结构和工具、光和粒子在太阳能电池、显示器和激光等物质中的相互作用等内容，这一门课不仅涉及电气工程学科内容而且还涉及我国的电子学科、计算机学科和信息学科等多学科交叉内容。此外，MIT的课程基本由授课、实验、自学三部分组成，授课、实验、自学的比例一般为4:1:7。MIT课程经过整合后，使得授课课时数大大减少，这既避免了细分课程后授课内容部分重复，而且给学生留出了大量的实践和自学时间，利于学生实践和创新能力以及自学能力的培养，这方面值得我国高校借鉴。

4)加大选修课程比例

从MIT电气科学与工程专业的课程设置可以看出，在校级基本要求中HASS课程选修课有8门，在系级学科要求中任选课为4门，占比很大，而且限选课程也给学生提供了很大的选择空间，有时一门课程可从几十门甚至上百门课程中选择。而我国高校的本科课程设置，目前普遍存在必修课比重相对过大、选修课比重过小的现象，这不利于拓宽学生知识面，也不利于学科交叉。所以改革课程设置，加大任选课的比重是我国高校当前面临的重要的任务。