UCISM: 一種基于跨學(xué)科理念的面向?qū)嵺`類課程的教學(xué)方法

羅丹彥, 溫東新, 左德承

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

實(shí)踐類課程是我國(guó)大學(xué)教育教學(xué)體系中一個(gè)重要的組成部分。如何在有限的課時(shí)內(nèi)充分培養(yǎng)與發(fā)揮學(xué)生的各方面能力（包括研發(fā)能力、溝通能力、合作能力等），開(kāi)發(fā)滿足要求的應(yīng)用系統(tǒng)，一直是教育界同仁思考的一個(gè)重要問(wèn)題。近年來(lái)，跨學(xué)科教育理念獲得了越來(lái)越多的認(rèn)可與重視?？鐚W(xué)科教育不僅擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面，讓學(xué)生可以建立更完整的知識(shí)體系，也可以推動(dòng)更多高水平創(chuàng)新研究成果的出現(xiàn)。美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)提出了“以用戶為中心的跨學(xué)科并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（User-Centered Interdisciplinary Concurrent System Design Methodology，UCISM）”，并將其應(yīng)用在該校的工程實(shí)踐課程“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的快速原型構(gòu)建”（Rapid Prototyping of Computer Systems，RPCS）中，取得了很好的教學(xué)效果。

1 UCISM方法簡(jiǎn)介

為了充分發(fā)揮跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、快速構(gòu)建令最終用戶滿意的完整原型系統(tǒng)，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)提出了一種新型的開(kāi)發(fā)理念：UCISM[1]。UCISM的設(shè)計(jì)理念主要包括概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等3個(gè)階段（如圖1所示）。開(kāi)發(fā)人員在概念設(shè)計(jì)階段總結(jié)用戶需求，提出詳細(xì)技術(shù)方案；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)設(shè)計(jì)；在實(shí)現(xiàn)階段完成原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)并進(jìn)行測(cè)試。用戶在每個(gè)階段都會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)判、給出修改意見(jiàn)。用戶既可以來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程參與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程與技術(shù)團(tuán)隊(duì)充分合作，從而保證開(kāi)發(fā)者可以快速構(gòu)建滿足用戶需求的原型系統(tǒng)。在這個(gè)方法中，跨學(xué)科的技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以包括和系統(tǒng)相關(guān)的多個(gè)學(xué)科的專業(yè)人士，例如電子工程、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互等學(xué)科的專業(yè)人士。

圖1 UCISM設(shè)計(jì)理念

經(jīng)過(guò)近30年的使用，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)發(fā)現(xiàn)UCISM不僅是一種高效的工程設(shè)計(jì)方法，也是一種有效的教學(xué)方法，可以在實(shí)踐類課程中幫助多學(xué)科背景的學(xué)生合作研發(fā)原型系統(tǒng)。在20世紀(jì)90年代初，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)就將這種方法應(yīng)用于RPCS的教學(xué)過(guò)程，不僅在教學(xué)過(guò)程中開(kāi)發(fā)了一系列實(shí)用的原型系統(tǒng)，充分鍛煉了學(xué)生的多種能力，獲得了非常好的教學(xué)效果，而且這種方法不受限于科技的發(fā)展，可以隨時(shí)將最新技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)過(guò)程中，具有很好的可延續(xù)性。

2 基于UCISM的RPCS課程教學(xué)過(guò)程

卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)2018年春季學(xué)期RPCS課程共15周29次課，每周2次課，在3個(gè)月內(nèi)完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程。RPCS課程面向人機(jī)交互專業(yè)、電子與計(jì)算機(jī)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、藝術(shù)等專業(yè)的本科生和碩士研究生。在2017年11月份開(kāi)始課程報(bào)名，通過(guò)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的選課系統(tǒng)進(jìn)行選課，選課人數(shù)限制在35人之內(nèi)，人滿則停止報(bào)名。由Daniel P. Siewiorek和Asim Smailagic兩位教授負(fù)責(zé)教學(xué)工作，配備兩位助教。課程配有專用的課程教學(xué)網(wǎng)站Kiva，所有教師、助教和學(xué)生都可登錄Kiva查看課程通知、分享課程資料和對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行討論。

圖2 原型系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2018年春季學(xué)期課程的主題是為患有脊柱側(cè)凸的青少年研制一套能夠?qū)⒆o(hù)具與多種傳感器緊密結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)，可以收集多種相關(guān)參數(shù)、檢測(cè)脊柱側(cè)凸患者是否正確佩戴了護(hù)具以及對(duì)患者進(jìn)行自動(dòng)矯正。最后的原型系統(tǒng)EmBrace由護(hù)具、安裝在護(hù)具上的溫度濕度姿勢(shì)壓力等傳感器、由氣囊氣泵組成的矯正系統(tǒng)、安裝在智能手機(jī)上的應(yīng)用程序、云端服務(wù)器等幾部分組成。傳感器將檢測(cè)到的信息通過(guò)藍(lán)牙傳遞給附近的智能手機(jī)，智能手機(jī)將信息通過(guò)Wifi上傳到云端服務(wù)器，用戶再通過(guò)連接服務(wù)器獲得歷史數(shù)據(jù)及分析報(bào)告。智能手機(jī)中的應(yīng)用程序也可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析判斷是否需要進(jìn)行矯正，并驅(qū)動(dòng)矯正系統(tǒng)進(jìn)行工作。

根據(jù)UCISM的工作理念，課程由3部分組成。

第1階段：概念設(shè)計(jì)。總共9次課。教師首先介紹系統(tǒng)的應(yīng)用背景、技術(shù)內(nèi)涵和成果要求，然后基于教師給出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖2所示），將任務(wù)分為人機(jī)交互、傳感器、后端、前端4個(gè)工作小組，每個(gè)小組共6～7人組成，學(xué)生自行決定參與哪個(gè)小組的工作，也可同時(shí)參與多個(gè)小組的工作。小組成立后，組員要在一起討論技術(shù)方案、任務(wù)分工，提出基本的技術(shù)方案和實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購(gòu)方案。在本階段的最后一節(jié)課，每個(gè)小組提交完成的工作報(bào)告，并派1名代表進(jìn)行答辯。

第2階段：詳細(xì)設(shè)計(jì)?？偣?0次課。在本階段中，教師將任務(wù)進(jìn)行細(xì)化，重新將任務(wù)分為用戶體驗(yàn)/用戶界面、移動(dòng)設(shè)備、傳感器、定制護(hù)具、Synthetic Interview、云數(shù)據(jù)庫(kù)6個(gè)工作小組，每個(gè)小組由2～5名學(xué)生組成。各小組對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并研制初步的驗(yàn)證系統(tǒng)，在最后一節(jié)課提交技術(shù)報(bào)告，并完成工作答辯和系統(tǒng)演示。

第3階段：實(shí)現(xiàn)?？偣?0次課。在本階段中，任務(wù)分組不變，但學(xué)生可以重新選擇加入新組或留在原組。各小組將完成系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)，并與其他小組進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，完成演示系統(tǒng)的構(gòu)建，并提交最終的技術(shù)報(bào)告和工作答辯，最后實(shí)現(xiàn)原型系統(tǒng)Embrace。

在每個(gè)階段后期，教師將和每個(gè)學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一交流，基于學(xué)生在Kiva上提交的個(gè)人工作日志、課堂表現(xiàn)、報(bào)告撰寫(xiě)、答辯、方案設(shè)計(jì)、演示等方面給出學(xué)生在本階段的分?jǐn)?shù)。學(xué)生最終成績(jī)由學(xué)生在概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)集成4個(gè)部分的成績(jī)，按30%、30%、30%、10%的比例累加得到。

3 UCISM的優(yōu)勢(shì)與特色

從2018春RPCS課程的教學(xué)過(guò)程可以看出，UCISM具有以下突出的優(yōu)勢(shì)與特色。

1）充分發(fā)揮跨學(xué)科優(yōu)勢(shì)，加深問(wèn)題理解，實(shí)現(xiàn)知識(shí)互補(bǔ)與整合。

構(gòu)建一個(gè)完善的綜合應(yīng)用系統(tǒng)往往需要使用多種不同學(xué)科的知識(shí)。如果在教學(xué)過(guò)程中所有學(xué)生的背景完全一致，那么就會(huì)遇到如下問(wèn)題：知識(shí)面狹窄，對(duì)問(wèn)題理解不夠透徹、全面。如果可以引入多種不同學(xué)科背景的學(xué)生參與課程教學(xué)過(guò)程，則可以很好地實(shí)現(xiàn)知識(shí)互補(bǔ)與整合，加深對(duì)問(wèn)題的理解。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，充分利用多學(xué)科知識(shí)，也有利于將系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的更合理、更易用。由此可知，跨學(xué)科課程使學(xué)生能夠形成獨(dú)特的跨越學(xué)科界限的知識(shí)視野和思維習(xí)慣，而且學(xué)生通過(guò)跨學(xué)科課程學(xué)習(xí)，可以學(xué)會(huì)比較不同學(xué)科和理論的觀點(diǎn)，理解綜合的力量[2]。

在本次RPCS課程中，學(xué)生的專業(yè)背景包含了電子與計(jì)算機(jī)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、藝術(shù)等專業(yè)。在工作過(guò)程中，電子與計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生會(huì)側(cè)重于做嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作，計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生會(huì)偏向于應(yīng)用程序及界面的相關(guān)工作，藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生幫助進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)、界面優(yōu)化等相關(guān)工作，還涉及部分媒體方面的工作。在往年的RPCS課程中，跨學(xué)科的技術(shù)合作也產(chǎn)生了很多很有特色的教學(xué)成果，如經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)主板可以實(shí)現(xiàn)折疊并嵌入到特殊設(shè)計(jì)的外殼中。雖然每個(gè)學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中，會(huì)選擇與自己專業(yè)相關(guān)的工作，但是通過(guò)組內(nèi)交流、組間合作，也會(huì)對(duì)其他方面的工作有一定理解，擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面。

2）基于現(xiàn)實(shí)情景進(jìn)行選題，原型系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)化為實(shí)際成果的能力。

通過(guò)采用UCISM，可以大大擴(kuò)展選題的范圍，不必局限于單一學(xué)科背景，這樣的選題往往更具有現(xiàn)實(shí)意義。此外，每年RPCS課程的選題都會(huì)基于一個(gè)實(shí)際背景，讓學(xué)生建立一個(gè)可以在實(shí)際環(huán)境中使用的原型系統(tǒng)。基于實(shí)際背景的選題，不僅可以讓學(xué)生對(duì)知識(shí)和系統(tǒng)的理解與運(yùn)用做到“腳踏實(shí)地”，也可以讓教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前最新技術(shù)達(dá)到同步，使教學(xué)成果可以比較容易轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)。例如，1993年的Vu-man系統(tǒng)就采用3D打印技術(shù)制造設(shè)備外殼。在20余年的教學(xué)過(guò)程中，RPCS課程提出了近30個(gè)應(yīng)用于不同領(lǐng)域的原型系統(tǒng)，其中有多個(gè)系統(tǒng)在后續(xù)的研究過(guò)程中成功轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)。表1展示了其中幾個(gè)代表性系統(tǒng)，從表1可知這些系統(tǒng)在無(wú)線通信技術(shù)方面都采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。

3）綜合運(yùn)用多種教學(xué)手段，全方面培養(yǎng)學(xué)生的多種能力，提升教學(xué)效果。

在教學(xué)手段上，RPCS除了基本的課堂教學(xué)以外，還引入了座談、討論、答辯、課程網(wǎng)站等多種手段提升教學(xué)效果。在課程開(kāi)始前，教師選擇了1位脊柱側(cè)彎患者Beth并為她拍攝了一段視頻，在視頻中Beth對(duì)這種疾病的基本情況及她佩戴的護(hù)具做了初步的介紹。在第一堂課中，Beth和她的父母來(lái)到了課堂中，與教師和學(xué)生進(jìn)行了座談，學(xué)生也對(duì)自己關(guān)心的問(wèn)題對(duì)Beth進(jìn)行了提問(wèn)。通過(guò)這種實(shí)例教學(xué)的方式，學(xué)生不僅對(duì)課題背景有了更深的理解，也對(duì)自己的工作目標(biāo)有了清晰的認(rèn)識(shí)。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，小組成員在同一區(qū)域工作，可以隨時(shí)進(jìn)行討論，解決問(wèn)題。在上課時(shí)間之外，課程每周末還會(huì)安排一次小組長(zhǎng)會(huì)議。各個(gè)小組的組長(zhǎng)和教師一起參加會(huì)議。組長(zhǎng)匯報(bào)各自已完成的工作和下一階段的工作，并和其他小組進(jìn)行工作交流，教師也會(huì)根據(jù)當(dāng)前工作進(jìn)展，提出注意事項(xiàng)和下一步的工作要求。課程網(wǎng)站Kiva在教學(xué)過(guò)程中也發(fā)揮了非常大的作用。學(xué)生可以在Kiva下載所有課程相關(guān)的文檔，也可以上傳自己的工作日志、發(fā)帖提問(wèn)；教師可以發(fā)布通知并回答問(wèn)題。

表1 CMU RPCS課程的幾個(gè)代表性系統(tǒng)

在學(xué)生能力訓(xùn)練方面，課程不僅充分尊重學(xué)生的“意向和興趣”，也注重對(duì)學(xué)生多種能力的培養(yǎng)。在課程的3個(gè)階段中，學(xué)生都可以根據(jù)自己的興趣自行決定參與的工作小組。小組成員除了完成自己的代碼工作以外，還要和其他組內(nèi)、組外成員交流工作。各小組在每個(gè)階段推舉1個(gè)人作為編輯完成本階段報(bào)告的文字工作，推舉1個(gè)報(bào)告人進(jìn)行階段報(bào)告。小組長(zhǎng)、編輯、報(bào)告人在每個(gè)階段結(jié)束后都會(huì)重新選舉。通過(guò)這種方式，每個(gè)學(xué)生的動(dòng)手能力、溝通能力、書(shū)寫(xiě)能力、組織能力、表達(dá)能力等都得到了充分的鍛煉。

4 在我國(guó)應(yīng)用UCISM存在的問(wèn)題與解決建議

UCISM是一種有效、可行的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法和教學(xué)方法，但在我國(guó)大學(xué)教育教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用這種方法可能會(huì)面臨一些問(wèn)題。

1）跨學(xué)科。

如果想充分發(fā)揮UCISM的效果，從課程方面來(lái)看，課程應(yīng)該面向多個(gè)學(xué)院、多個(gè)學(xué)科進(jìn)行公開(kāi)招生，允許一個(gè)班級(jí)包含不同技術(shù)背景的學(xué)生。然而在我國(guó)，一門(mén)專業(yè)課往往只能面向一個(gè)學(xué)院，學(xué)生一般不能跨學(xué)院選專業(yè)課，這就大大限制了這種方法的應(yīng)用。如果要打破這種限制，就需要大學(xué)在設(shè)計(jì)培養(yǎng)方案、課程體系時(shí)能夠充分考慮多個(gè)學(xué)院、學(xué)科之間的合作，建立更多的跨學(xué)科專業(yè)、設(shè)置更多的跨學(xué)科課程。當(dāng)然，跨學(xué)科不是簡(jiǎn)單的讓學(xué)生去跨學(xué)科選修一門(mén)課，更重要的是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐與合作，加深對(duì)問(wèn)題的理解。目前，我國(guó)高校越來(lái)越重視跨學(xué)科教育的重要意義與優(yōu)勢(shì)，清華大學(xué)于2017年成立了智能無(wú)人系統(tǒng)研究中心、智能網(wǎng)聯(lián)汽車與交通研究中心、柔性電子技術(shù)研究中心等3個(gè)跨學(xué)科交叉機(jī)構(gòu)，北京大學(xué)近年來(lái)正著力培育前沿交叉學(xué)科，哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院也設(shè)置了多門(mén)跨學(xué)科課程，在未來(lái)必定會(huì)有越來(lái)越多的大學(xué)推進(jìn)這方面的相關(guān)工作。

2）選題。

真正的跨學(xué)科主題需要從現(xiàn)實(shí)情境中提煉出更多的跨學(xué)科課程研究的視角[3]，采用UCISM的課程選題往往比其他課程難度更大：一方面，這種課程的題目需要基于實(shí)際背景選擇，這就要求任課教師對(duì)當(dāng)前的主流技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法與過(guò)程、社會(huì)需求與熱點(diǎn)、學(xué)生的能力有著準(zhǔn)確把握；另一方面，選題必須足夠有趣，才能引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)研究的動(dòng)力。此外，課程最好每年更換題目，在選題時(shí)也要考慮好在這個(gè)題目下如何安排好各個(gè)學(xué)科學(xué)生的工作，最大程度的培養(yǎng)與發(fā)揮他們的能力。因此，“選題”對(duì)任課教師提出了很高的要求。

3）工作量。

在使用UCISM時(shí)，工作量是一個(gè)必須要仔細(xì)考慮的問(wèn)題。工作量過(guò)大，不僅容易導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或者占用學(xué)生過(guò)多的時(shí)間、影響其他課程的學(xué)習(xí)，也會(huì)大大加重教師和助教的工作負(fù)擔(dān)；工作量過(guò)小，容易導(dǎo)致學(xué)生提前完成全部工作，學(xué)生能力沒(méi)有得到充分的鍛煉、教學(xué)效果不佳。因此，在開(kāi)課前必須結(jié)合學(xué)生背景、學(xué)生能力、學(xué)生數(shù)量、學(xué)時(shí)、學(xué)生可接受的工作時(shí)間等因素綜合設(shè)計(jì)總體工作量和每個(gè)學(xué)生的平均工作量，保證較好的教學(xué)效果。

4）能力培養(yǎng)。

通過(guò)運(yùn)用UCISM，學(xué)生的動(dòng)手能力、溝通能力、書(shū)寫(xiě)能力、組織能力、表達(dá)能力等都會(huì)得到很好的鍛煉，但是這也意味著在這些方面，學(xué)生需要有一定的基礎(chǔ)。例如，低年級(jí)本科生的動(dòng)手能力等方面不足，往往需要先期基礎(chǔ)專業(yè)課程的訓(xùn)練，因此這種方法更適合于高年級(jí)本科生或者研究生課程使用。

5）資金。

采用UCISM就一定要開(kāi)發(fā)一個(gè)原型系統(tǒng)。在原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要一定的資金去購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的軟硬件產(chǎn)品。在本次RPCS課程中，大概花費(fèi)了近2 000美元去購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的開(kāi)發(fā)板、芯片、傳感器、試驗(yàn)用手機(jī)、其他相關(guān)材料等硬件設(shè)備。因此，如果在我國(guó)開(kāi)設(shè)使用這種教學(xué)方法的課程，需要保證一定的資金支持。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了在實(shí)踐類課程教學(xué)過(guò)程中獲得更好的教學(xué)效果，結(jié)合日益受到重視的跨學(xué)科教育理念，筆者詳細(xì)介紹了美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)提出的一種基于跨學(xué)科理念的面向?qū)嵺`類課程的教學(xué)方法——UCISM。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法不僅可以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，完善學(xué)生的知識(shí)體系，也可以綜合鍛煉學(xué)生的多種能力。這種教學(xué)方法經(jīng)過(guò)完善也可以應(yīng)用于我國(guó)大學(xué)教育教學(xué)過(guò)程中，為培養(yǎng)綜合性跨學(xué)科人才做出貢獻(xiàn)。

致 謝

特別感謝美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的Daniel P.Siewiorek教授和Asim Smailagic教授允許作者全程參與2018春RPCS課程的教學(xué)工作，與作者進(jìn)行了多次關(guān)于課程教學(xué)方法、內(nèi)容等方面的座談，并提供大量資料。