[正版]电子信息科学与技术导引 王希勤 电子信息工程信息科学与技术

丛书序

作者简介

王希勤，清华大学电子工程系教授，清华大学常务副校长。长期从事信号处理理论、算法和系统实现方面的研究。2006年任电子工程系主任，发起并主持系教学改革，深入研究电子信息科学与技术知识体系，并推动新课程体系建设，获2012年北京市高等教育教学成果一等奖。

清华大学电子工程系经过整整十年的努力，正式推出新版核心课系列教材。这成果来之不易！在这个时间节点重新回顾此次课程体系改革的思路历程，对于学生，对于教师，对于工程教育研究者，无疑都有重要的意义。

一

高等电子工程教育的基本矛盾是不断增长的知识量与有限的学制之间的矛盾。这个判断是这批教材背后最基本的观点。

当今世界，科学技术突飞猛进，尤其是信息科技，在20世纪独领风骚数十年，至21世纪，势头依然强劲。伴随着科学技术的迅猛发展，知识的总量呈现爆炸性增长趋势。为了适应这种增长，高等教育系统不断进行调整，以把更多新知识纳入教学。自18世纪以来，高等教育响应知识增长的主要方式是分化： 一方面延长学制，从本科延伸到硕士、博士； 一方面细化专业，比如把电子工程细分为通信、雷达、图像、信息、微波、线路、电真空、微电子、光电子等。但过于细化的专业使得培养出的学生缺乏处理综合性问题的必要准备。为了响应社会对人才综合性的要求，综合化逐步成为高等教育的主要趋势，同时学生的终身学习能力成为关注的重点。很多大学推行宽口径、厚基础本科培养，正是这种综合化趋势使然。通识教育日益受到重视，也正是大学对综合化趋势的积极回应。

清华大学电子工程系在20世纪80年代有九个细化的专业，20世纪90年代合并成两个专业，2005年进一步合并成一个专业，即“电子信息科学类”，与上述综合化的趋势一致。

综合化的困难在于，在有限的学制内学生要学习的内容太多，实践训练和课外活动的时间被挤占，学生在动手能力和社会交往能力等方面的发展就会受到影响。解决问题的一种方案是延长学制，比如把本科定位在基础教育，硕士定位在专业教育，实行五年制或六年制本硕贯通。这个方案虽可以短暂缓解课程量大的压力，但是无法从根本上解决知识爆炸性增长带来的问题，因此不可持续。解决问题的根本途径是减少课程，但这并非易事。减少课程意味着去掉一些教学内容。关于哪些内容可以去掉，哪些内容必须保留，并不容易找到有高度共识的判据。

探索一条可持续有共识的途径，解决知识量增长与学制限制之间的矛盾，已是必需，也是课程体系改革的目的所在。

二

学科知识架构是课程体系的基础，其中核心概念是重中之重。这是这批教材背后最关键的观点。

布鲁纳特别强调学科知识架构的重要性。架构的重要性在于帮助学生利用关联性来理解和重构知识； 清晰的架构也有助于学生长期记忆和快速回忆，更容易培养学生举一反三的迁移能力。抓住知识架构，知识体系的脉络就变得清晰明了，教学内容的选择就会有公认的依据。

核心概念是知识架构的汇聚点，大量的概念是从少数核心概念衍生出来的。形象地说，核心概念是干，衍生概念是枝、是叶。所谓知识量爆炸性增长，很多情况下是“枝更繁、叶更茂”，而不是产生了新的核心概念。在教学时间有限的情况下，教学内容应重点围绕核心概念来组织。教学内容中，既要有抽象的概念性的知识，也要有具体的案例性的知识。

梳理学科知识的核心概念，这是清华大学电子工程系课程改革中最为关键的一步。办法是梳理自1600年吉尔伯特发表《论磁》一书以来，电磁学、电子学、电子工程以及相关领域发展的历史脉络，以库恩对“范式”的定义为标准，逐步归纳出电子信息科学技术知识体系的核心概念，即那些具有“范式”地位的学科成就。

围绕核心概念选择具体案例是每一位教材编者和教学教师的任务，原则是具有典型性和时代性，且与学生的先期知识有较高关联度，以帮助学生从已有知识出发去理解新的概念。

三

电子信息科学与技术知识体系的核心概念是： 信息载体与系统的相互作用。这是这批教材公共的基础。

1955年前后，斯坦福大学工学院院长特曼和麻省理工学院电机系主任布朗都认识到信息比电力发展得更快，他们分别领导两所学校的电机工程系进行了课程改革。特曼认为，电子学正在快速成为电机工程教育的主体。他主张彻底修改课程体系，牺牲掉一些传统的工科课程以包含更多的数学和物理，包括固体物理、量子电子学等。布朗认为，电机工程的课程体系有两个分支，即能量转换和信息处理与传输。他强调这两个分支不应是非此即彼的两个选项，因为它们都基于共同的原理，即场与材料之间相互作用的统一原理。

场与材料之间的相互作用，这是电机工程第一个明确的核心概念，其最初的成果形式是麦克斯韦方程组，后又发展出量子电动力学。自彼时以来，经过大半个世纪的飞速发展，场与材料的相互关系不断发展演变，推动系统层次不断增加。新材料、新结构形成各种元器件，元器件连接成各种电路，在电路中，场转化为电势（电流电压），“电势与电路”取代“场和材料”构成新的相互作用关系。电路演变成开关，发展出数字逻辑电路，电势二值化为比特，“比特与逻辑”取代“电势与电路”构成新的相互作用关系。数字逻辑电路与计算机体系结构相结合发展出处理器（CPU），比特扩展为指令和数据，进而组织成程序，“程序与处理器”取代“比特与逻辑”构成新的相互作用关系。在处理器基础上发展出计算机，计算机执行各种算法，而算法处理的是数据，“数据与算法”取代“程序与处理器”构成新的相互作用关系。计算机互联出现互联网，网络处理的是数据包，“数据包与网络”取代“数据与算法”构成新的相互作用关系。网络服务于人，为人的认知系统提供各种媒体（包括文本、图片、音视频等），“媒体与认知”取代“数据包与网络”构成新的相互作用关系。

以上每一对相互作用关系的出现，既有所变，也有所不变。变，是指新的系统层次的出现和范式的转变； 不变，是指“信息处理与传输”这个方向一以贯之，未曾改变。从电子信息的角度看，场、电势、比特、程序、数据、数据包、媒体都是信息的载体； 而材料、电路、逻辑（电路）、处理器、算法、网络、认知（系统）都是系统。虽然信息的载体变了，处理特定的信息载体的系统变了，描述它们之间相互作用关系的范式也变了，但是诸相互作用关系的本质是统一的，可归纳为“信息载体与系统的相互作用”。

上述七层相互作用关系，层层递进，统一于“信息载体与系统的相互作用”这一核心概念，构成了电子信息科学与技术知识体系的核心架构。

四

在核心知识架构基础上，清华大学电子工程系规划出十门核心课： 电动力学（或电磁场与波）、固体物理、电子电路与系统基础、数字逻辑与CPU基础、数据与算法、通信与网络、媒体与认知、信号与系统、概率论与随机过程、计算机程序设计基础。其中，电动力学和固体物理涉及场和材料的相互作用关系，电子电路与系统基础重点在电势与电路的相互作用关系，数字逻辑与CPU基础覆盖了比特与逻辑及程序与处理器两对相互作用关系，数据与算法重点在数据与算法的相互作用关系，通信与网络重点在数据包与网络的相互作用关系，媒体与认知重点在媒体和人的认知系统的相互作用关系。这些课覆盖了核心知识架构的七个层次，并且有清楚的对应关系。另外三门课是公共的基础，计算机程序设计基础自不必说，信号与系统重点在确定性信号与系统的建模和分析，概率论与随机过程重点在不确定性信号的建模和分析。

按照“宽口径、厚基础”的要求，上述十门课均被确定为电子信息科学类学生必修专业课。专业必修课之前有若干数学、物理基础课，之后有若干专业限选课和任选课。这套课程体系的专业覆盖面拓宽了，核心概念深化了，而且教学计划安排也更紧凑了。近十年来清华大学电子工程系的教学实践证明，这套课程体系是可行的。

五

知识体系是不断发展变化的，课程体系也不会一成不变。就目前的知识体系而言，关于算法性质、网络性质、认知系统性质的基本概念体系尚未完全成型，处于范式前阶段，相应的课程也会在学科发展中不断完善和调整。这也意味着学生和教师有很大的创新空间。电动力学和固体物理虽然已经相对成熟，但是从知识体系角度说，它们应该覆盖场与材料（电荷载体）的相互作用，如何进一步突出“相互作用关系”还可以进一步探讨。随着集成电路的发展，传统上区分场与电势的条件，即电路尺寸远小于波长，也变得模糊了。电子电路与系统或许需要把场和电势的理论相结合。随着量子计算和量子通信的发展，未来在逻辑与处理器和通信与网络层次或许会出现新的范式也未可知。

工程科学的核心概念往往建立在技术发明的基础之上，比如目前主流的处理器和网络分别是面向冯·诺依曼结构和TCP/IP协议的，如果体系结构发生变化或者网络协议发生变化，那么相应地，程序的概念和数据包的概念也会发生变化。

六

这套课程体系是以清华大学电子工程系的教师和学生的基本情况为前提的。兄弟院校可以参考，但是在实践中要结合自身教师和学生的情况做适当取舍和调整。

清华大学电子工程系的很多老师深度参与了课程体系的建设工作，付出了辛勤的劳动。在这一过程中，他们表现出对教育事业的忠诚，对真理的执着追求，令人钦佩！自课程改革以来，特别是2009年以来，数届清华大学电子工程系的本科同学也深度参与了课程体系的改革工作。他们在没有教材和讲义的情况下，积极支持和参与课程体系的建设工作，做出了重要的贡献。向这些同学表示衷心感谢！清华大学出版社多年来一直关注和支持课程体系建设工作，一并表示衷心感谢！

王希勤2017年7月