美國大學電氣工程專業方向介紹

　　電氣工程（Electrical Engineering簡稱EE）是現代科技領域中的核心學科之一，更是當今高新技術領域中不可或缺的關鍵學科。例如正是電子技術的巨大進步才推動了以計算機網絡為基礎的信息時代的到來，并將改變人類的生活工作模式等等。

　　從某種意義上講，電氣工程的發達程度代表著國家的科技進步水平。正因為此，電氣工程的教育和科研一直在發達國家大學中占據十分重要的地位。

　　美國大學電氣工程學科在機構名稱上有的學校稱電氣工程系，有的稱為電氣工程與信息科學系，有的稱為電氣工程與計算機科學系等等。該學科（系）在科研、教學及學術組織形式上與國內電氣工程學科有較大不同。了解國外學科狀態及教學、科研方向，對調整我們的學科方向、提高教學、科研水平具有十分重要的作用。美國4年制本科大學約有2320所，其中按學校綜合實力排名或者按研究生院水平排名占前50名的大學，一般認為是美國的一流大學。作者重點收集整理了美國Stanford大學，加 州大學Berkeley分校、Los Angeles分校、San Diego分校，Cornell大學，賓州大學，加州理工學院，Princeton大學，西北大學，Maryland大學，哈佛大學，John Hopkins大學，Yale大學，Duke大學，PColumbia大學，Michigan大學，Georgia理工學院，Illinois大學等50所名牌大學電氣工程系（學科）的教學、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。由于上述大學電氣工程學術領域十分寬泛，有些專業術語聞所未聞，因此在翻譯上可能有不準確之處，懇請專家學者批評指正。 

　　一、電氣工程的定義

　　傳統的電氣工程定義為用于創造產生電氣與電子系統的有關學科的總和。此定義本已經十分寬泛，但隨著科學技術的飛速發展，21世紀的電氣工程概念已經遠遠超出上述定義的范疇，斯坦福大學教授指出：今天的 ! R! ~( @+ t8 r+ R; g
電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關的工程行為。本領域知識寬度的巨大增長，要求我們重新檢查甚至重新構造電氣工程的學科方向、課程設置及其內容，以便使電氣工程學科能有效地回應學生的需求、社會的需求、科技的進步和動態的科研環境。

　　二、影響電氣工程的主要因素

　　今后若干年內對電氣工程發展影響最大的主要因素包括：
　　1、信息技術的決定性影響。信息技術廣泛地定義為包括計算機、世界范圍高速寬帶計算機網絡及通訊系統，以及用來傳感、處理、存儲和顯示各種信息等相關支持技術的綜合。信息技術對電氣工程的發展具有特別大的支配性影響。信息技術持續以指數速度增長在很大程度上取決于電氣工程中眾多學科領域的持續技術創新。反過來，信息技術的進步又為電氣工程領域的技術創新提供了更新更先進的工具基礎。

　　2、與物理科學的相互交叉面拓寬。　由于三極管的發明和大規模集成電路制造技術的發展，固體電子學在20世紀的后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間的緊密聯系與交叉仍然是今后電氣工程學科的關鍵，并且將拓寬到生物系統、光子學、微機電系統（MEMS）。21世紀中的某些最重要的新裝置、新系統和新技術將來自上述領域。
　　
　　3、快速變化。技術的飛速進步和分析方法、設計方法的日新月異，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審查。這對我們如何聘用新的教授，如何培養我們的學生有很大影響。

　　三、教學與科研領域

　　美國主要大學電氣工程學科的教學與科研領域簡要歸納為11個方向：它們是通訊與網絡，計算機科學與工程，信號處理，系統控制，電子學與集成電路，光子學與光學，電力，電磁學，微結構（Microstructure），材料與裝置，生物工程。

　　為了節省篇幅和突出重點，下面僅僅介紹各學術方向中的主要內容。
　　
　　1、通訊與網絡

　　通訊與網絡是目前很熱門的學科方向之一，主要包括無線網絡與光網絡，移動網絡，量子與光通訊，信息理論，網絡安全，網絡協議與體系結構，交互式通訊，INTERNET運行性能建模與分析，分布式高速緩存系統，開放式可編程網絡，路由算法，多點傳送協議，網絡電話學，帶寬高效調制與編碼系統，網絡中的差錯控制理論及應用，多維信息與通訊理論，快速傳送連接，服務質量評價，網絡仿真工具，網絡分析，神經網絡；信息的特征提取、傳送、存儲及各種介質下的信息網絡化問題，包括大氣、空間、光釬、電纜等介質等。本方向與信號處理，計算機，控制與光學等廣泛交叉。
　　
　　2、計算機科學與工程

　　計算機科學與工程涉及領域較寬廣，包括計算機圖形學，計算機視覺技術，口語系統，醫學機器人，醫學視覺，移動機器人學，應用人工智能，有生物靈感的機器人及其模型。醫療決策系統，計算機輔助自動化，計算機體系結構，網絡與移動系統，并行與分布式操作系統，編程方法學，可編程系統研究，超級計算技術，復雜性理論，計算與生物學，密碼學與信息安全，分布式系統理論，先進網絡體系結構，并行編輯器與運行時間系統；并行輸入輸出與磁盤結構，并行系統、分布式數據庫和交易系統，在線分析處理與數據開采中的性能分析。
　　
　　3、信號處理
　　
　　信號處理技術是現代電氣電子工程的基礎。包括聲音與語言信號處理，圖象與視頻信號處理，生物醫學成像與可視化，成像陣列與陣列信號處理，自適應與隨時間變化的信號處理，信號處理理論，大規模集成電路（VLSI）體系結構，實時軟件，統計信號處理，非線性信號處理與非線性系統標識，濾波器庫與小波變換理論，無序信號處理，分形與形態信號處理。

　　三、教學與科研領域

　　1、系統控制
　　
　　系統控制包括魯棒與最優控制，魯棒多變量控制系統，大規模動態系統，多變量系統的標識，制造系統，最小最大控制與動態游戲，用于控制與信號處理的自適應系統，隨機系統，線性與非線性評估的設計，隨機與自適應控制等等。

　　2、電子學與集成電路

　　本領域包括微電子學與微機械學，納電子學（Nanoelectronics），超導電路，電路仿真與裝置建模，集成電路（IC）設計，大規模集成電路中的信號處理，易于制造的集成電路設計，集成電路設計方法學，A/D與轉換器，數字與模擬電路，數字無線系統，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，材料生長及其特征化。
　　
　　3、光子學與光學

　　在美國大學，光子學與光學屬于電氣電子系的關鍵方向之一。本方向包括光電子學裝置，超快電子學，非線性光學，微光子學，三維視覺，光通訊，軟X　光與遠紫外線光學，光印刷學，光數據處理，光通訊，光計算，光數據存儲，光系統設計與全息攝影，體全息攝影研究，復合光數字數據處理，圖象處理與材料光學特性研究。

　　4、電力技術
　　
　　此方面主要包括電氣材料學與半導體學，電力電子及裝置，電機，電動車輛，電力系統動態及穩定性，電力系統經濟性運行，實時控制，電能轉換，高電壓工程等。

　　5、電磁學
　　
　　本方面包括衛星通訊，微波電子學，遙感，射電天文學，雷達天線，電磁波理論及應用，無線電與光系統，光學與量子電子學，短波激光，光信息處理，超導電子學，微波磁學，電磁場與生物媒介的相互作用，微波與毫米波電路，微波數字電路設計，用于地球遙感的衛星成像處理，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、微結構Microstructure　

　　作為微電子學革命的發源學科，固體電子學技術現在又產生了另一個新的重要的技術領域--微機電系統Micro－Electro－Mechanical Systems MEMS。MEMS是一個極端多學科交叉的領域，對許多工程與科學領域有重大影響，尤其是電氣工程，機械工程，生物工程等等。最近的研究表明微加工（Micromaching）為推動化學工程、材料工程、生物學、物理化學的前沿發展提供了強大的工具。MEMS的最基礎方面是微制備技術的加工知識，制造微小結構的方法。正是MEMS技術使我們能夠制造超聲微噴流（Microjet）和微米尺度電機，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電氣學科中的重要學科方向之一。 這一學科包括光電子裝置仿真，納結構電子學，半導體與微電子學，磁性材料、介電材料與光材料及其裝置，固態物理及其應用，小型機械結構及其激勵器，微機械與納機械裝置 （Micromechanical and Nanomechanical Devices），物理、化學和生物傳感器，裝置物理學及其特征化，設備建模與仿真， 納制備（Nanofabrication）與新裝置，微細加工（Microfabrication），超導電子學。
　　
　　8、生物工程

　　生物、生命科學是21世紀的最活躍學科之一，利用電氣電子技術進行生物生命研究是美歐大學電氣學科的特點之一。本方面包括生物儀器，生物傳感器，計算神經網絡，生物醫學超聲學，微機電系統（MEMS），神經系統中信號的傳遞與編碼，高能粒子與生命物質的相互作用，高能粒子束與高能X光在治療腫瘤中的臨床應用，醫學成像，生物圖象處理，磁共振成像，發射型計算機斷層攝影術（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，神經微電子界面，血管內的成像，聾瞎病人感官輔助系統，盲人閱讀機，自動語言識別等。
　
　　四、美國國家自然科學基金委員會（NSF）電氣工程學科簡介

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

　　美國NSF在工程領域的資助范圍包括：生物工程與環境系統，建筑學與機械系統，化學與運輸系統，設計、制造及工業創新，電氣與通訊系統，工程教育等。
　　
　　在電氣工程與通訊系統領域中，第一重點資助的學科方向是微電子學（Microelectronics）、納電子學（Nanoelectronics），光電子學，微機電裝置，以 及將它們集成到電路和微系統中。第二重點資助的學科領域是系統的分析與設計原理。它包括學習與自適應系統，分布式系統與網絡，混合離散--連續表征方法，高性能仿真與特定域計算，基于生物原理的搜索和優化算法等。

　　綜合上述內容表明，美國大學的電氣工程包括了以電子和光子為基礎的幾乎所有工程領域，如此寬廣的學術內容體現于電氣工程系的課程設置，學生培養方向和科研課題之中，這無疑會培養學生在電氣工程領域打下寬廣而深厚的理論基礎。