清華大學電子工程繫經過整整十年的努力，正式推出新版核心課繫列教材。這成果來之不易！在這個時間節點重新回顧此次課程體繫改革的思路歷程，對於學生，對於教師，對於工程教育研究者，無疑都有重要的意義。
一
高等電子工程教育的基本矛盾是不斷增長的知識量與有限的學制之間的矛盾。這個判斷是這批教材背後基本的觀點。
當今世界，科學技術突飛猛進，尤其是信息科技，在20世紀獨領風騷數十年，至21世紀，勢頭依然強勁。伴隨著科學技術的迅猛發展，知識的總量呈現爆炸性增長趨勢。為了適應這種增長，高等教育繫統不斷進行調整，以把更多新知識納入教學。自18世紀以來，高等教育響應知識增長的主要方式是分化： 一方面延長學制，從本科延伸到碩士、博士； 一方面細化專業，比如把電子工程細分為通信、雷達、圖像、信息、微波、線路、電真空、微電子、光電子等。但過於細化的專業使得培養出的學生缺乏處理綜合性問題的必要準備。為了響應社會對人纔綜合性的要求，綜合化逐步成為高等教育的主要趨勢，同時學生的終身學習能力成為關注的重點。很多大學推行寬口徑、厚基礎本科培養，正是這種綜合化趨勢使然。通識教育日益受到重視，也正是大學對綜合化趨勢的積極回應。
清華大學電子工程繫在20世紀80年代有九個細化的專業，20世紀90年代合並成兩個專業，2005年進一步合並成一個專業，即“電子信息科學類”，與上述綜合化的趨勢一致。
綜合化的困難在於，在有限的學制內學生要學習的內容太多，實踐訓練和課外活動的時間被擠占，學生在動手能力和社會交往能力等方面的發展就會受到影響。解決問題的一種方案是延長學制，比如把本科定位在基礎教育，碩士定位在專業教育，實行五年制或六年制本碩貫通。這個方案雖可以短暫緩解課程量大的壓力，但是無法從根本上解決知識爆炸性增長帶來的問題，因此不可持續。解決問題的根本途徑是減少課程，但這並非易事。減少課程意味著去掉一些教學內容。關於哪些內容可以去掉，哪些內容必須保留，並不容易找到有高度共識的判據。
探索一條可持續有共識的途徑，解決知識量增長與學制限制之間的矛盾，已是必需，也是課程體繫改革的目的所在。
二
學科知識架構是課程體繫的基礎，其中核心概念是重中之重。這是這批教材背後關鍵的觀點。
布魯納特別強調學科知識架構的重要性。架構的重要性在於幫助學生利用關聯性來理解和重構知識； 清晰的架構也有助於學生長期記憶和快速回憶，更容易培養學生舉一反三的遷移能力。抓住知識架構，知識體繫的脈絡就變得清晰明了，教學內容的選擇就會有公認的依據。
核心概念是知識架構的彙聚點，大量的概念是從少數核心概念衍生出來的。形像地說，核心概念是干，衍生概念是枝、是葉。所謂知識量爆炸性增長，很多情況下是“枝更繁、葉更茂”，而不是產生了新的核心概念。在教學時間有限的情況下，教學內容應重點圍繞核心概念來組織。教學內容中，既要有抽像的概念性的知識，也要有具體的案例性的知識。
梳理學科知識的核心概念，這是清華大學電子工程繫課程改革中為關鍵的一步。辦法是梳理自1600年吉爾伯特發表《論磁》一書以來，電磁學、電子學、電子工程以及相關領域發展的歷史脈絡，以庫恩對“範式”的定義為標準，逐步歸納出電子信息科學技術知識體繫的核心概念，即那些具有“範式”地位的學科成就。
圍繞核心概念選擇具體案例是每一位教材編者和教學教師的任務，原則是具有典型性和時代性，且與學生的先期知識有較高關聯度，以幫助學生從已有知識出發去理解新的概念。
三
電子信息科學與技術知識體繫的核心概念是： 信息載體與繫統的相互作用。這是這批教材公共的基礎。
1955年前後，斯坦福大學工學院院長特曼和麻省理工學院電機繫主任布朗都認識到信息比電力發展得更快，他們分別領導兩所學校的電機工程繫進行了課程改革。特曼認為，電子學正在快速成為電機工程教育的主體。他主張徹底修改課程體繫，犧牲掉一些傳統的工科課程以包含更多的數學和物理，包括固體物理、量子電子學等。布朗認為，電機工程的課程體繫有兩個分支，即能量轉換和信息處理與傳輸。他強調這兩個分支不應是非此即彼的兩個選項，因為它們都基於共同的原理，即場與材料之間相互作用的統一原理。
場與材料之間的相互作用，這是電機工程個明確的核心概念，其初的成果形式是麥克斯韋方程組，後又發展出量子電動力學。自彼時以來，經過大半個世紀的飛速發展，場與材料的相互關繫不斷發展演變，推動繫統層次不斷增加。新材料、新結構形器件連接成各種電路，在電路中，場轉化為電勢（電流電壓），“電勢與電路”取代“場和材料”構成新的相互作用關繫。電路演變成開關，發展出數字邏輯電路，電勢二值化為比特，“比特與邏輯”取代“電勢與電路”構成新的相互作用關繫。數字邏輯電路與計算機體繫結構相結合發展出處理器（CPU），比特擴展為指令和數據，進而組織成程序，“程序與處理器”取代“比特與邏輯”構成新的相互作用關繫。在處理器基礎上發展出計算機，計算機執行各種算法，而算法處理的是數據，“數據與算法”取代“程序與處理器”構成新的相互作用關繫。計算機互聯出現互聯網，網絡處理的是數據包，“數據包與網絡”取代“數據與算法”構成新的相互作用關繫。網絡服務於人，為人的認知繫統提供各種媒體（包括文本、圖片、音視頻等），“媒體與認知”取代“數據包與網絡”構成新的相互作用關繫。
以上每一對相互作用關繫的出現，既有所變，也有所不變。變，是指新的繫統層次的出現和範式的轉變； 不變，是指“信息處理與傳輸”這個方向一以貫之，未曾改變。從電子信息的角度看，場、電勢、比特、程序、數據、數據包、媒體都是信息的載體； 而材料、電路、邏輯（電路）、處理器、算法、網絡、認知（繫統）都是繫統。雖然信息的載體變了，處理特定的信息載體的繫統變了，描述它們之間相互作用關繫的範式也變了，但是諸相互作用關繫的本質是統一的，可歸納為“信息載體與繫統的相互作用”。
上述七層相互作用關繫，層層遞進，統一於“信息載體與繫統的相互作用”這一核心概念，構成了電子信息科學與技術知識體繫的核心架構。
四
在核心知識架構基礎上，清華大學電子工程繫規劃出十門核心課： 電動力學（或電磁場與波）、固體物理、電子電路與繫統基礎、數字邏輯與CPU基礎、數據與算法、通信與網絡、媒體與認知、信號與繫統、概率論與隨機過程、計算機程序設計基礎。其中，電動力學和固體物理涉及場和材料的相互作用關繫，電子電路與繫統基礎重點在電勢與電路的相互作用關繫，數字邏輯與CPU基礎覆蓋了比特與邏輯及程序與處理器兩對相互作用關繫，數據與算法重點在數據與算法的相互作用關繫，通信與網絡重點在數據包與網絡的相互作用關繫，媒體與認知重點在媒體和人的認知繫統的相互作用關繫。這些課覆蓋了核心知識架構的七個層次，並且有清楚的對應關繫。另外三門課是公共的基礎，計算機程序設計基礎自不必說，信號與繫統重點在確定性信號與繫統的建模和分析，概率論與隨機過程重點在不確定性信號的建模和分析。
按照“寬口徑、厚基礎”的要求，上述十門課均被確定為電子信息科學類學生必修專業課。專業必修課之前有若干數學、物理基礎課，之後有若干專業限選課和任選課。這套課程體繫的專業覆蓋面拓寬了，核心概念深化了，而且教學計劃安排也更緊湊了。近十年來清華大學電子工程繫的教學實踐證明，這套課程體繫是可行的。
五
知識體繫是不斷發展變化的，課程體繫也不會一成不變。就目前的知識體繫而言，關於算法性質、網絡性質、認知繫統性質的基本概念體繫尚未完全成型，處於範式前階段，相應的課程也會在學科發展中不斷完善和調整。這也意味著學生和教師有很大的創新空間。電動力學和固體物理雖然已經相對成熟，但是從知識體繫角度說，它們應該覆蓋場與材料（電荷載體）的相互作用，如何進一步突出“相互作用關繫”還可以進一步探討。隨著集成電路的發展，傳統上區分場與電勢的條件，即電路尺寸遠小於波長，也變得模糊了。電子電路與繫統或許需要把場和電勢的理論相結合。隨著量子計算和量子通信的發展，未來在邏輯與處理器和通信與網絡層次或許會出現新的範式也未可知。
工程科學的核心概念往往建立在技術發明的基礎之上，比如目前主流的處理器和網絡分別是面向馮·諾依曼結構和TCP/IP協議的，如果體繫結構發生變化或者網絡協議發生變化，那麼相應地，程序的概念和數據包的概念也會發生變化。
六
這套課程體繫是以清華大學電子工程繫的教師和學生的基本情況為前提的。兄弟院校可以參考，但是在實踐中要結合自身教師和學生的情況做適當取舍和調整。
清華大學電子工程繫的很多老師深度參與了課程體繫的建設工作，付出了辛勤的勞動。在這一過程中，他們表現出對教育事業的忠誠，對真理的執著追求，令人欽佩！自課程改革以來，特別是2009年以來，數屆清華大學電子工程繫的本科同學也深度參與了課程體繫的改革工作。他們在沒有教材和講義的情況下，積極支持和參與課程體繫的建設工作，做出了重要的貢獻。向這些同學表示衷心感謝！清華大學出版社多年來一直關注和支持課程體繫建設工作，一並表示衷心感謝！
王希勤2017年7月
