美國大學(xué)電氣工程專業(yè)方向介紹

　　電氣工程（Electrical Engineering簡稱EE）是現(xiàn)代科技領(lǐng)域中的核心學(xué)科之一，更是當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵學(xué)科。例如正是電子技術(shù)的巨大進(jìn)步才推動了以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息時代的到來，并將改變?nèi)祟惖纳罟ぷ髂Ｊ降鹊取?br>
　　從某種意義上講，電氣工程的發(fā)達(dá)程度代表著國家的科技進(jìn)步水平。正因?yàn)榇?，電氣工程的教育和科研一直在發(fā)達(dá)國家大學(xué)中占據(jù)十分重要的地位。

　　美國大學(xué)電氣工程學(xué)科在機(jī)構(gòu)名稱上有的學(xué)校稱電氣工程系，有的稱為電氣工程與信息科學(xué)系，有的稱為電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系等等。該學(xué)科（系）在科研、教學(xué)及學(xué)術(shù)組織形式上與國內(nèi)電氣工程學(xué)科有較大不同。了解國外學(xué)科狀態(tài)及教學(xué)、科研方向，對調(diào)整我們的學(xué)科方向、提高教學(xué)、科研水平具有十分重要的作用。美國4年制本科大學(xué)約有2320所，其中按學(xué)校綜合實(shí)力排名或者按研究生院水平排名占前50名的大學(xué)，一般認(rèn)為是美國的一流大學(xué)。作者重點(diǎn)收集整理了美國Stanford大學(xué)，加 州大學(xué)Berkeley分校、Los Angeles分校、San Diego分校，Cornell大學(xué)，賓州大學(xué)，加州理工學(xué)院，Princeton大學(xué)，西北大學(xué)，Maryland大學(xué)，哈佛大學(xué)，John Hopkins大學(xué)，Yale大學(xué)，Duke大學(xué)，PColumbia大學(xué)，Michigan大學(xué)，Georgia理工學(xué)院，Illinois大學(xué)等50所名牌大學(xué)電氣工程系（學(xué)科）的教學(xué)、科研概況，初步歸納出電氣工程的概念、影響因素及11個主要研究方向。由于上述大學(xué)電氣工程學(xué)術(shù)領(lǐng)域十分寬泛，有些專業(yè)術(shù)語聞所未聞，因此在翻譯上可能有不準(zhǔn)確之處，懇請專家學(xué)者批評指正。 

　　一、電氣工程的定義

　　傳統(tǒng)的電氣工程定義為用于創(chuàng)造產(chǎn)生電氣與電子系統(tǒng)的有關(guān)學(xué)科的總和。此定義本已經(jīng)十分寬泛，但隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，21世紀(jì)的電氣工程概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出上述定義的范疇，斯坦福大學(xué)教授指出：今天的 ! R! ~( @+ t8 r+ R; g
電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關(guān)的工程行為。本領(lǐng)域知識寬度的巨大增長，要求我們重新檢查甚至重新構(gòu)造電氣工程的學(xué)科方向、課程設(shè)置及其內(nèi)容，以便使電氣工程學(xué)科能有效地回應(yīng)學(xué)生的需求、社會的需求、科技的進(jìn)步和動態(tài)的科研環(huán)境。

　　二、影響電氣工程的主要因素

　　今后若干年內(nèi)對電氣工程發(fā)展影響最大的主要因素包括：
　　1、信息技術(shù)的決定性影響。信息技術(shù)廣泛地定義為包括計(jì)算機(jī)、世界范圍高速寬帶計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊系統(tǒng)，以及用來傳感、處理、存儲和顯示各種信息等相關(guān)支持技術(shù)的綜合。信息技術(shù)對電氣工程的發(fā)展具有特別大的支配性影響。信息技術(shù)持續(xù)以指數(shù)速度增長在很大程度上取決于電氣工程中眾多學(xué)科領(lǐng)域的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新。反過來，信息技術(shù)的進(jìn)步又為電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了更新更先進(jìn)的工具基礎(chǔ)。

　　2、與物理科學(xué)的相互交叉面拓寬?！∮捎谌龢O管的發(fā)明和大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，固體電子學(xué)在20世紀(jì)的后50年對電氣工程的成長起到了巨大的推動作用。電氣工程與物理科學(xué)間的緊密聯(lián)系與交叉仍然是今后電氣工程學(xué)科的關(guān)鍵，并且將拓寬到生物系統(tǒng)、光子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。21世紀(jì)中的某些最重要的新裝置、新系統(tǒng)和新技術(shù)將來自上述領(lǐng)域。
　　
　　3、快速變化。技術(shù)的飛速進(jìn)步和分析方法、設(shè)計(jì)方法的日新月異，使得我們必須每隔幾年對工程問題的過去解決方案重新全面思考或?qū)彶?。這對我們?nèi)绾纹赣眯碌慕淌冢绾闻囵B(yǎng)我們的學(xué)生有很大影響。

　　三、教學(xué)與科研領(lǐng)域

　　美國主要大學(xué)電氣工程學(xué)科的教學(xué)與科研領(lǐng)域簡要?dú)w納為11個方向：它們是通訊與網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程，信號處理，系統(tǒng)控制，電子學(xué)與集成電路，光子學(xué)與光學(xué)，電力，電磁學(xué)，微結(jié)構(gòu)（Microstructure），材料與裝置，生物工程。

　　為了節(jié)省篇幅和突出重點(diǎn)，下面僅僅介紹各學(xué)術(shù)方向中的主要內(nèi)容。
　　
　　1、通訊與網(wǎng)絡(luò)

　　通訊與網(wǎng)絡(luò)是目前很熱門的學(xué)科方向之一，主要包括無線網(wǎng)絡(luò)與光網(wǎng)絡(luò)，移動網(wǎng)絡(luò)，量子與光通訊，信息理論，網(wǎng)絡(luò)安全，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)，交互式通訊，INTERNET運(yùn)行性能建模與分析，分布式高速緩存系統(tǒng)，開放式可編程網(wǎng)絡(luò)，路由算法，多點(diǎn)傳送協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)電話學(xué)，帶寬高效調(diào)制與編碼系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的差錯控制理論及應(yīng)用，多維信息與通訊理論，快速傳送連接，服務(wù)質(zhì)量評價，網(wǎng)絡(luò)仿真工具，網(wǎng)絡(luò)分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；信息的特征提取、傳送、存儲及各種介質(zhì)下的信息網(wǎng)絡(luò)化問題，包括大氣、空間、光釬、電纜等介質(zhì)等。本方向與信號處理，計(jì)算機(jī)，控制與光學(xué)等廣泛交叉。
　　
　　2、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程

　　計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程涉及領(lǐng)域較寬廣，包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，口語系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)機(jī)器人，醫(yī)學(xué)視覺，移動機(jī)器人學(xué)，應(yīng)用人工智能，有生物靈感的機(jī)器人及其模型。醫(yī)療決策系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)輔助自動化，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)與移動系統(tǒng)，并行與分布式操作系統(tǒng)，編程方法學(xué)，可編程系統(tǒng)研究，超級計(jì)算技術(shù)，復(fù)雜性理論，計(jì)算與生物學(xué)，密碼學(xué)與信息安全，分布式系統(tǒng)理論，先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并行編輯器與運(yùn)行時間系統(tǒng)；并行輸入輸出與磁盤結(jié)構(gòu)，并行系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫和交易系統(tǒng)，在線分析處理與數(shù)據(jù)開采中的性能分析。
　　
　　3、信號處理
　　
　　信號處理技術(shù)是現(xiàn)代電氣電子工程的基礎(chǔ)。包括聲音與語言信號處理，圖象與視頻信號處理，生物醫(yī)學(xué)成像與可視化，成像陣列與陣列信號處理，自適應(yīng)與隨時間變化的信號處理，信號處理理論，大規(guī)模集成電路（VLSI）體系結(jié)構(gòu)，實(shí)時軟件，統(tǒng)計(jì)信號處理，非線性信號處理與非線性系統(tǒng)標(biāo)識，濾波器庫與小波變換理論，無序信號處理，分形與形態(tài)信號處理。

　　三、教學(xué)與科研領(lǐng)域

　　1、系統(tǒng)控制
　　
　　系統(tǒng)控制包括魯棒與最優(yōu)控制，魯棒多變量控制系統(tǒng)，大規(guī)模動態(tài)系統(tǒng)，多變量系統(tǒng)的標(biāo)識，制造系統(tǒng)，最小最大控制與動態(tài)游戲，用于控制與信號處理的自適應(yīng)系統(tǒng)，隨機(jī)系統(tǒng)，線性與非線性評估的設(shè)計(jì)，隨機(jī)與自適應(yīng)控制等等。

　　2、電子學(xué)與集成電路

　　本領(lǐng)域包括微電子學(xué)與微機(jī)械學(xué)，納電子學(xué)（Nanoelectronics），超導(dǎo)電路，電路仿真與裝置建模，集成電路（IC）設(shè)計(jì)，大規(guī)模集成電路中的信號處理，易于制造的集成電路設(shè)計(jì)，集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)，A/D與轉(zhuǎn)換器，數(shù)字與模擬電路，數(shù)字無線系統(tǒng)，RF電路，高電子遷移三極管，雪崩光電管，聲控電荷傳輸裝置，封裝技術(shù)，材料生長及其特征化。
　　
　　3、光子學(xué)與光學(xué)

　　在美國大學(xué)，光子學(xué)與光學(xué)屬于電氣電子系的關(guān)鍵方向之一。本方向包括光電子學(xué)裝置，超快電子學(xué)，非線性光學(xué)，微光子學(xué)，三維視覺，光通訊，軟X　光與遠(yuǎn)紫外線光學(xué)，光印刷學(xué)，光數(shù)據(jù)處理，光通訊，光計(jì)算，光數(shù)據(jù)存儲，光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與全息攝影，體全息攝影研究，復(fù)合光數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理，圖象處理與材料光學(xué)特性研究。

　　4、電力技術(shù)
　　
　　此方面主要包括電氣材料學(xué)與半導(dǎo)體學(xué)，電力電子及裝置，電機(jī)，電動車輛，電力系統(tǒng)動態(tài)及穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，實(shí)時控制，電能轉(zhuǎn)換，高電壓工程等。

　　5、電磁學(xué)
　　
　　本方面包括衛(wèi)星通訊，微波電子學(xué)，遙感，射電天文學(xué)，雷達(dá)天線，電磁波理論及應(yīng)用，無線電與光系統(tǒng)，光學(xué)與量子電子學(xué)，短波激光，光信息處理，超導(dǎo)電子學(xué)，微波磁學(xué)，電磁場與生物媒介的相互作用，微波與毫米波電路，微波數(shù)字電路設(shè)計(jì)，用于地球遙感的衛(wèi)星成像處理，子毫米波大氣成像輻射線測定（Submillimeter－Wave Atmospheric Imaging Radiometry），矢量有限元，材料電氣特性測量方法，金屬零件缺陷定位。

　　6、微結(jié)構(gòu)Microstructure　

　　作為微電子學(xué)革命的發(fā)源學(xué)科，固體電子學(xué)技術(shù)現(xiàn)在又產(chǎn)生了另一個新的重要的技術(shù)領(lǐng)域--微機(jī)電系統(tǒng)Micro－Electro－Mechanical Systems MEMS。MEMS是一個極端多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，對許多工程與科學(xué)領(lǐng)域有重大影響，尤其是電氣工程，機(jī)械工程，生物工程等等。最近的研究表明微加工（Micromaching）為推動化學(xué)工程、材料工程、生物學(xué)、物理化學(xué)的前沿發(fā)展提供了強(qiáng)大的工具。MEMS的最基礎(chǔ)方面是微制備技術(shù)的加工知識，制造微小結(jié)構(gòu)的方法。正是MEMS技術(shù)使我們能夠制造超聲微噴流（Microjet）和微米尺度電機(jī)，能在一硅晶片上制造納米尺度掃描隧道顯微鏡nanoscale scanning tunneling microscopes　，能制作用于測量精細(xì)胞活性的微迷宮。

　　7、材料與裝置
　　
　　電氣電子材料及其裝置是美歐大學(xué)電氣學(xué)科中的重要學(xué)科方向之一。 這一學(xué)科包括光電子裝置仿真，納結(jié)構(gòu)電子學(xué)，半導(dǎo)體與微電子學(xué)，磁性材料、介電材料與光材料及其裝置，固態(tài)物理及其應(yīng)用，小型機(jī)械結(jié)構(gòu)及其激勵器，微機(jī)械與納機(jī)械裝置 （Micromechanical and Nanomechanical Devices），物理、化學(xué)和生物傳感器，裝置物理學(xué)及其特征化，設(shè)備建模與仿真， 納制備（Nanofabrication）與新裝置，微細(xì)加工（Microfabrication），超導(dǎo)電子學(xué)。
　　
　　8、生物工程

　　生物、生命科學(xué)是21世紀(jì)的最活躍學(xué)科之一，利用電氣電子技術(shù)進(jìn)行生物生命研究是美歐大學(xué)電氣學(xué)科的特點(diǎn)之一。本方面包括生物儀器，生物傳感器，計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），神經(jīng)系統(tǒng)中信號的傳遞與編碼，高能粒子與生命物質(zhì)的相互作用，高能粒子束與高能X光在治療腫瘤中的臨床應(yīng)用，醫(yī)學(xué)成像，生物圖象處理，磁共振成像，發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)（PET　和SPET），超聲成像，超聲成像的三維重建，心臟成像的特征提取，PET/SPET成像中衰減校正，神經(jīng)微電子界面，血管內(nèi)的成像，聾瞎病人感官輔助系統(tǒng)，盲人閱讀機(jī)，自動語言識別等。
　
　　四、美國國家自然科學(xué)基金委員會（NSF）電氣工程學(xué)科簡介

　　美國大學(xué)是承擔(dān)NSF資助項(xiàng)目的主要單位，　NSF資助的項(xiàng)目代表著美國基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的最高水平。因此了解NSF中電氣工程學(xué)科的資助重點(diǎn)，可以使我們從美國的國家需求高度，宏觀了解美國在該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展方向。

　　美國NSF在工程領(lǐng)域的資助范圍包括：生物工程與環(huán)境系統(tǒng)，建筑學(xué)與機(jī)械系統(tǒng)，化學(xué)與運(yùn)輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)、制造及工業(yè)創(chuàng)新，電氣與通訊系統(tǒng)，工程教育等。
　　
　　在電氣工程與通訊系統(tǒng)領(lǐng)域中，第一重點(diǎn)資助的學(xué)科方向是微電子學(xué)（Microelectronics）、納電子學(xué)（Nanoelectronics），光電子學(xué)，微機(jī)電裝置，以 及將它們集成到電路和微系統(tǒng)中。第二重點(diǎn)資助的學(xué)科領(lǐng)域是系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)原理。它包括學(xué)習(xí)與自適應(yīng)系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)，混合離散--連續(xù)表征方法，高性能仿真與特定域計(jì)算，基于生物原理的搜索和優(yōu)化算法等。

　　綜合上述內(nèi)容表明，美國大學(xué)的電氣工程包括了以電子和光子為基礎(chǔ)的幾乎所有工程領(lǐng)域，如此寬廣的學(xué)術(shù)內(nèi)容體現(xiàn)于電氣工程系的課程設(shè)置，學(xué)生培養(yǎng)方向和科研課題之中，這無疑會培養(yǎng)學(xué)生在電氣工程領(lǐng)域打下寬廣而深厚的理論基礎(chǔ)。