美國(guó)21世紀(jì)CPS教育報(bào)告的專業(yè)課程規(guī)劃及啟示

言 十

編者按：本期繼續(xù)刊發(fā)言十對(duì)“美國(guó)21世紀(jì)CPS教育報(bào)告”的系列解讀文章。文章結(jié)合“新工科”建設(shè)的理念，對(duì)報(bào)告關(guān)于專業(yè)課程規(guī)劃與課程分類(lèi)進(jìn)行解讀，并提出借鑒和思考。

0 引 言

21 世紀(jì) CPS 教育報(bào)告[1-2]（以下簡(jiǎn)稱“報(bào)告”） ，基本按照工程教育專業(yè)認(rèn)證體系[3]，符合美國(guó)工程與技術(shù)認(rèn)證委員會(huì)（ABET）的要求，給出了5個(gè)本科專業(yè)4年課程規(guī)劃。此處“專業(yè)課程”是指按照課程分類(lèi)表（見(jiàn)表1）中的 “專業(yè)教育課程”，我們?cè)噲D主要是從“辦學(xué)者”和“教學(xué)者”的角度，結(jié)合“新工科”建設(shè)的理念，對(duì)報(bào)告關(guān)于專業(yè)課程規(guī)劃與課程教學(xué)方面進(jìn)行解讀。

1 課程分類(lèi)指導(dǎo)意見(jiàn)

“報(bào)告”認(rèn)為，CPS是新興的具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的工程領(lǐng)域。交通運(yùn)輸、醫(yī)藥、能源、國(guó)防和信息技術(shù)等主要工業(yè)部門(mén)，越來(lái)越需要一支能夠設(shè)計(jì)并工程化CPS產(chǎn)品和服務(wù)的人才隊(duì)伍。這些產(chǎn)品和服務(wù)將信息元素（計(jì)算硬件和軟件）與物理組件緊密結(jié)合在一起，并對(duì)它們的交互及對(duì)物理環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行管理。美國(guó)科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)院3家聯(lián)合組成專門(mén)委員會(huì)，邀請(qǐng)來(lái)自多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的業(yè)界人士對(duì)CPS在工業(yè)界中日益增長(zhǎng)的重要性和CPS技能需求進(jìn)行研討，提出了很多意見(jiàn)，CPS教育如何設(shè)置課程，委員會(huì)最終形成以下指導(dǎo)性意見(jiàn)：

（1）確定了CPS學(xué)科的6個(gè)基礎(chǔ)：基本計(jì)算概念、實(shí)體世界的計(jì)算、離散和連續(xù)數(shù)學(xué)、交叉應(yīng)用、CPS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、建模。明確CPS教育超越了傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)模型（常微分或差分方程），不僅體現(xiàn)在實(shí)體層面的物理影響，而且體現(xiàn)在“信息（Cyber）”與“實(shí)體（Physical）”的交叉與交互上。

（2）強(qiáng)調(diào)傳感器的特性和原理重要性。傳感器是連接物理和信息世界之間的硬件橋梁，理解傳感器及物理世界的約束，并以適當(dāng)?shù)姆绞绞褂脗鞲衅?。程序員需要知道這些原理和通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行處理，來(lái)確保它們開(kāi)發(fā)的CPS正常工作。信號(hào)處理所需的原理包括線性信號(hào)和系統(tǒng)理論、模擬和數(shù)字濾波、時(shí)域和頻域分析、卷積、線性變換（如離散傅立葉變換和快速傅里葉變換）、信號(hào)噪聲和統(tǒng)計(jì)特征、機(jī)器學(xué)習(xí)、決策和傳感器融合。在CPS中，與考慮傳感器的可靠性一樣，對(duì)于嵌入式CPU上的這些信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)運(yùn)行和安全關(guān)鍵特性是必須重視的，而經(jīng)典信號(hào)處理課程一般不涉及這些問(wèn)題。

表1 課程分類(lèi)表

（3）控制是CPS的主要內(nèi)容之一?？刂评碚摰南嚓P(guān)要素包括網(wǎng)絡(luò)、混合系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)控制技術(shù)的穩(wěn)定和優(yōu)化。在信息域中特別重要的是對(duì)分布式系統(tǒng)的控制和固有延遲的影響。

（4）網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線、實(shí)時(shí)已深入到我們的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)中，了解這些主題的基本原理對(duì)于CPS工程非常重要。學(xué)生需要知道的知識(shí)包括：

·通信和網(wǎng)絡(luò)。需要理解CPS的物理層原理、協(xié)議、分層架構(gòu)，了解無(wú)線通信的實(shí)際性能。

·實(shí)時(shí)。需要了解諸如實(shí)時(shí)調(diào)度理論、程序中的時(shí)間語(yǔ)義以及網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步等。

·分布式系統(tǒng)。CPS在許多應(yīng)用中的分布式性質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)納入CPS教育。即使傳統(tǒng)工程或計(jì)算機(jī)科學(xué)課程涵蓋了分布式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化，但這些課程往往不涉及CPS問(wèn)題。CPS將硬件實(shí)現(xiàn)與算法運(yùn)行的軟件相結(jié)合，全部在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中運(yùn)行。

·嵌入式系統(tǒng)。對(duì)嵌入式軟件的原理、編程、算法、軟件設(shè)計(jì)、方法和平臺(tái)（架構(gòu)和操作系統(tǒng)）進(jìn)行有力的教學(xué)和培訓(xùn)工作，這些對(duì)于開(kāi)發(fā)可靠和高質(zhì)量CPS系統(tǒng)的信息組件是必需的。

·物理特性。了解并能夠?qū)Νh(huán)境的物理特性建模和硬件平臺(tái)非常重要。軟件設(shè)計(jì)原則應(yīng)滿足安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性、風(fēng)險(xiǎn)管理、安全需求，這些解決物理世界實(shí)際問(wèn)題的方法應(yīng)該成為課程的一部分。

·人機(jī)交互。人機(jī)工程、人為環(huán)境控制以及對(duì)人類(lèi)行為反應(yīng)的理解和計(jì)算對(duì)于許多CPS來(lái)說(shuō)非常重要。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原則是使CPS易操作、易控制和易維護(hù)。類(lèi)似于其他工程學(xué)科，實(shí)踐項(xiàng)目和跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)合作也是理解和應(yīng)用核心原理的基礎(chǔ)。

委員會(huì)也注意到了目前已運(yùn)行的系統(tǒng)的差距，例如網(wǎng)絡(luò)攻擊的脆弱性以及互操作性差。建議在CPS早期課程中介紹以下特性及相關(guān)的設(shè)計(jì)方法，并引入貫穿到CPS課程和計(jì)劃中。

·安全隱私。所有基于信息技術(shù)的系統(tǒng)都會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。許多CPS系統(tǒng)是非常脆弱的，因?yàn)樗鼈兲幵陂_(kāi)放環(huán)境中，或以無(wú)線通信方式交互。安全和隱私風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)對(duì)CPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

·互操作性。特別是在大規(guī)模CPS中，系統(tǒng)將由許多組件構(gòu)成，這些組件來(lái)自于不同供應(yīng)商，部分可能有不同的實(shí)體運(yùn)行情況。實(shí)現(xiàn)CPS的全部目標(biāo)將需要異構(gòu)組件和系統(tǒng)之間具有互操作性。而實(shí)現(xiàn)互操作性則需要掌握如何定義和使用共同架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化接口和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的知識(shí)。

·可靠性和可信性。許多CPS系統(tǒng)將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑珻PS的實(shí)用化要求很高的可靠性和可信性。由于許多CPS設(shè)備的計(jì)算能力、內(nèi)存和資源有限，這會(huì)帶來(lái)一些新問(wèn)題出現(xiàn)。最好的系統(tǒng)是設(shè)計(jì)之初就考慮了可靠性（和安全性），而不是在測(cè)試期間不斷地修復(fù)系統(tǒng)。CPS還需要具備魯棒性，以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)之初可能難以量化的不確定性。為了確保這些不確定性能夠得到解決，必須在實(shí)施階段跟蹤并處理這些不確定性。

·功耗和能耗管理。一些CPS組件緊湊的尺寸和自主操作，使能耗管理非常關(guān)鍵，應(yīng)該優(yōu)先設(shè)計(jì)考慮。

·安全。隨著CPS在日常生活中的應(yīng)用，確保CPS對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的操作是安全的非常重要。與這些行為相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該是可以被評(píng)估和管控的。

·穩(wěn)定性和性能。由于CPS是動(dòng)態(tài)的、隨機(jī)的，它的穩(wěn)定性包含系統(tǒng)的線性或非線性、帶寬、采樣率、系統(tǒng)的極點(diǎn)和零點(diǎn)、模型的噪聲和不確定性，以及傳感器和執(zhí)行器的局限性（例如噪聲或飽和）。

·人機(jī)工程和可用性。人機(jī)工程設(shè)計(jì)、人機(jī)環(huán)境友好以及對(duì)人類(lèi)行為及反應(yīng)的理解和計(jì)算，對(duì)于許多CPS應(yīng)用來(lái)說(shuō)都很重要。

2 專業(yè)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1 課程規(guī)劃基本原則

報(bào)告給出了專業(yè)課程規(guī)劃的重點(diǎn)，以報(bào)告中的CPS專業(yè)為例，對(duì)報(bào)告中關(guān)于專業(yè)教育課程規(guī)劃的基本原則，總結(jié)歸納見(jiàn)表2。

2.2 課程內(nèi)容設(shè)置范例

報(bào)告同時(shí)還對(duì)具體課程內(nèi)容的設(shè)置，給出了明確的要求和范例，以下是報(bào)告給出的課程內(nèi)容的設(shè)置范例。

表2 CPS本科專業(yè)的專業(yè)教育課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1）課程內(nèi)容設(shè)置范例一：

課程名稱：生命攸關(guān)應(yīng)用的嵌入式軟件。

開(kāi)課學(xué)校：賓夕法尼亞大學(xué)，Insup Lee，Sanjian Chen。

課程代碼：CIS 541/441。

先修課程：C或Java編程，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)或操作系統(tǒng)導(dǎo)論。

課程描述[5]：本課程側(cè)重于CPS，重點(diǎn)關(guān)注實(shí)時(shí)問(wèn)題。CPS是計(jì)算和通信與物理過(guò)程的集成。嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制物理過(guò)程。隨著這些嵌入式計(jì)算機(jī)越來(lái)越網(wǎng)絡(luò)化，相信會(huì)有革命性的轉(zhuǎn)變。就像個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)從文字處理機(jī)向信息收集和共享的全球通信設(shè)備轉(zhuǎn)變一樣，嵌入式計(jì)算機(jī)也將通過(guò)感知、監(jiān)控和控制我們的物理環(huán)境，從小型獨(dú)立的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃PS。

該課程旨在研究構(gòu)建高可信安全CPS的原理、方法和技術(shù)。主題包括需求分析和建模、智能模型、可信案例、危險(xiǎn)性分析、實(shí)時(shí)編程和通信、實(shí)時(shí)調(diào)度和虛擬機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的反饋控制、檢驗(yàn)和驗(yàn)證以及循證認(rèn)證。

該課程還將包括一系列的安全關(guān)鍵的嵌入式系統(tǒng)實(shí)施項(xiàng)目，如起搏器或輸液泵。

課程主題：

1. CPS導(dǎo)論

·CPS應(yīng)用程序

·特點(diǎn)和挑戰(zhàn)

2.需求、建模和分析

·基于模型的開(kāi)發(fā)

·需要獲取和建模

·狀態(tài)機(jī)，定時(shí)自動(dòng)機(jī)

·屬性和模型檢驗(yàn)

·用戶心理模型

·架構(gòu)描述語(yǔ)言

·代碼生成和綜合

3.實(shí)現(xiàn)范式和技術(shù)

·實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

·編程范型和語(yǔ)言

·組合與基于反饋的實(shí)時(shí)調(diào)度

·計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的反饋控制

·虛擬機(jī)，監(jiān)控程序，內(nèi)核隔離

·組件，嵌入式系統(tǒng)的即插即用功能

·混合關(guān)鍵系統(tǒng)

·分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)概念：排序，全局時(shí)間，時(shí)鐘同步

·安全和隱私

4.驗(yàn)證，檢驗(yàn)和認(rèn)證

·測(cè)試覆蓋和生成

·基于模型的測(cè)試

·閉環(huán)測(cè)試

·運(yùn)行時(shí)監(jiān)控和驗(yàn)證技術(shù)

·人機(jī)交互

·模塊化和循證認(rèn)證

·危險(xiǎn)性分析，保證案例

講義：

1. CPS導(dǎo)論

2.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論

3.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，虛擬機(jī)，監(jiān)控程序

4.實(shí)時(shí)調(diào)度：EDF，RM，服務(wù)器，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

5.多處理器實(shí)時(shí)調(diào)度

6.實(shí)時(shí)編程語(yǔ)言和范式

7.分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)：全局排序，全局時(shí)間，時(shí)鐘同步

8.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的反饋

9.醫(yī)療CPS

10.起搏器挑戰(zhàn)問(wèn)題

11.案例

12.醫(yī)療器械質(zhì)量問(wèn)題——FDA觀點(diǎn)

13.形式化建模和模型檢驗(yàn)

14.擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)，定時(shí)自動(dòng)機(jī)

15.UPPAAL工具集：定時(shí)自動(dòng)機(jī)和定時(shí)CTL，模型檢驗(yàn)

16.狀態(tài)機(jī)的代碼生成/綜合

17.測(cè)試，測(cè)試覆蓋，測(cè)試生成

18.實(shí)時(shí)測(cè)試，基于模型的測(cè)試，閉環(huán)測(cè)試

19.運(yùn)行時(shí)驗(yàn)證

·架構(gòu)描述語(yǔ)言，AADL

20.人機(jī)交互：用戶界面

21.用戶心理模型

22.項(xiàng)目介紹：起搏器建模和實(shí)現(xiàn)，

案例和演示

（2）課程內(nèi)容設(shè)置范例二：

課程名稱：嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論：CPS方法。

開(kāi)課學(xué)校：加州大學(xué)伯克利分校，Edward A.Lee、Sanjit A. Sehsia。

課程代碼：EECS 149 / 249A。

先修課程：信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、離散數(shù)學(xué)。

課程描述：課程向?qū)W生介紹了與物理過(guò)程相互作用的計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。這些系統(tǒng)的應(yīng)用包括醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品，玩具和游戲、輔助生活、交通控制和安全、汽車(chē)系統(tǒng)、過(guò)程控制、能源管理和保護(hù)、環(huán)境控制、飛機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、儀器儀表、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施控制（例如電力、水資源和通信系統(tǒng)）、機(jī)器人技術(shù)和分布式機(jī)器人技術(shù)（遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程醫(yī)療）、國(guó)防系統(tǒng)、制造業(yè)、智能建筑。

本課程的主題是實(shí)際設(shè)計(jì)與系統(tǒng)模型（包括軟件組件和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)）之間的相互作用。主要重點(diǎn)將放在構(gòu)建具有實(shí)時(shí)和并發(fā)行為的高可信度系統(tǒng)上。

本課程作為一般本科課程（EECS 149）和碩士研究生課程（EE C249A和CS C249A）。參加研究生課程的學(xué)生需要做額外的作業(yè)，并對(duì)該項(xiàng)目有更高的要求。

本課程包括一系列實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐，它們最終將成為一個(gè)必須涉及課程中不同主題的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。

課程主題

1.計(jì)算模型

·有限狀態(tài)機(jī)

·線程

·常微分方程

·混成系統(tǒng)

·離散事件

·數(shù)據(jù)流

2.基本分析，控制和系統(tǒng)仿真

·仿真

·可達(dá)性分析

·控制器綜合

·連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)估計(jì)

3.與實(shí)體世界交互

·傳感器/執(zhí)行器建模和標(biāo)定

·多實(shí)時(shí)流的并發(fā)性

·軟件中非精確數(shù)據(jù)處理

4.嵌入式平臺(tái)

·實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

·執(zhí)行時(shí)間分析

·調(diào)度

·并發(fā)性

5.分布式嵌入式系統(tǒng)

·協(xié)議設(shè)計(jì)

·可預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

·安全性

講義：

1.CPS概述

2.傳感器和執(zhí)行器

3.基于模型的設(shè)計(jì)和連續(xù)動(dòng)力學(xué)

4.內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)

5.輸入和輸出

6.模態(tài)行為和離散系統(tǒng)建模

7.擴(kuò)展和時(shí)間自動(dòng)機(jī)

8.狀態(tài)機(jī)組成

9.分級(jí)狀態(tài)機(jī)

10.規(guī)約和時(shí)間邏輯

11.狀態(tài)機(jī)比較

12.可達(dá)性分析

13.CPS中的時(shí)序邏輯

14.多任務(wù)

15.操作系統(tǒng)，微內(nèi)核與調(diào)度

16.調(diào)度反轉(zhuǎn)

17.執(zhí)行時(shí)間分析

18.同步，反應(yīng)和數(shù)據(jù)流模型

19.嵌入式系統(tǒng)的安全性

20.網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)

3 報(bào)告帶來(lái)的借鑒和參考

分析報(bào)告中關(guān)于專業(yè)教育課程規(guī)劃與內(nèi)容設(shè)置的論述，結(jié)合其他相關(guān)信息資料，我們認(rèn)為有以下幾點(diǎn)值得借鑒和參考：

1） 課程及課程內(nèi)容的設(shè)置遵循工程教育與專業(yè)認(rèn)證規(guī)范。

以社會(huì)需求為導(dǎo)向，充分了解企業(yè)的需求，認(rèn)真聽(tīng)取企業(yè)專家的意見(jiàn)。報(bào)告介紹了參加研討會(huì)的企業(yè)主要代表，其中包括：

（1）汽車(chē)工業(yè)的福特研發(fā)及高級(jí)工程部提出，為什么汽車(chē)工業(yè)界對(duì)于CPS人才的需求越來(lái)越多？盡管基礎(chǔ)的汽車(chē)工程知識(shí)（如動(dòng)力傳動(dòng)系，燃燒和排放）仍然是根本，但汽車(chē)工程師們還需要能夠設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試包括通信、傳感以及更復(fù)雜計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。福特公司希望有朝一日加入公司的員工能具備更強(qiáng)的CPS基礎(chǔ)。

（2）航空交通業(yè)的霍尼韋爾公司認(rèn)為，在航空交通運(yùn)輸業(yè)中，CPS扮演著越來(lái)越重要的角色，許多CPS密集型系統(tǒng)（例如飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)、空中交通管制、維護(hù)和乘客服務(wù)）構(gòu)成了空中交通環(huán)境。

（3）農(nóng)業(yè)和建筑設(shè)備約翰·迪爾公司的系統(tǒng)架構(gòu)師指出，農(nóng)業(yè)和建筑設(shè)備業(yè)正變成CPS密集型行業(yè)。例如，該公司生產(chǎn)部分或完全自動(dòng)駕駛汽車(chē)，提供車(chē)輛間無(wú)線MESH和車(chē)載信息服務(wù)連接，遠(yuǎn)程更新和產(chǎn)品故障診斷，并正為其產(chǎn)品收集的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用。此外，現(xiàn)在的一個(gè)大型的工業(yè)化農(nóng)場(chǎng)是一個(gè)系統(tǒng)中的系統(tǒng)（SoS），需要一套系統(tǒng)的方法來(lái)開(kāi)發(fā)和部署產(chǎn)品與服務(wù)，這與關(guān)注單個(gè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)截然不同。

（4）醫(yī)療器械的美敦力公司認(rèn)為醫(yī)療器械越來(lái)越強(qiáng)大的健康功能，包括監(jiān)測(cè)和診斷患者健康狀況，維持生命（起搏器），或者通過(guò)減輕疼痛感來(lái)改善身體狀況，而當(dāng)今的工程師們并沒(méi)有具備開(kāi)發(fā)未來(lái)醫(yī)療器械所需的全部能力。

（5）航空航天的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建造、部署和運(yùn)行航天器系統(tǒng)，主要項(xiàng)目包括火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室“好奇號(hào)”火星車(chē)和“卡西尼”探測(cè)器等。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)很難找到已經(jīng)擁有所需CPS技能和其他工程技能的畢業(yè)生，打算通過(guò)參與實(shí)踐項(xiàng)目和高級(jí)工程師指導(dǎo)的形式來(lái)培養(yǎng)新員工。

（6）CPS開(kāi)發(fā)工具的SimuQuest公司，該公司是一家軟件公司，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品支持基于模型的系統(tǒng)工程。公司明確提出他們所尋找的員工需具備的關(guān)鍵知識(shí)技能：受控對(duì)象建模、算法設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理解網(wǎng)絡(luò)和工程流程。CPS技能還有一個(gè)新的重點(diǎn)，包括非確定性、時(shí)序和延遲管理，以及協(xié)同仿真。

由此可知，來(lái)自企業(yè)的意見(jiàn)，對(duì)CPS教育的課程規(guī)劃起了非常重要的作用。

2）課程綱要（syllabus）是一門(mén)課程最重要的文件。

查閱報(bào)告列出的兩門(mén)課程的網(wǎng)頁(yè)[5-6]，我們可以看到，任課老師編寫(xiě)的課程綱要內(nèi)容完整嚴(yán)謹(jǐn)，其中包括本課程的目的、使用的教科書(shū)和參考書(shū)目、課程內(nèi)容、進(jìn)度安排、作業(yè)要求和提交時(shí)間、考試日期、成績(jī)結(jié)構(gòu)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)科政策（包含考勤、遲交功課等）和學(xué)術(shù)政策（處理作弊抄襲的政策等）等，綱要里還要包括授課老師和助教的聯(lián)系方式和答疑的時(shí)間和地點(diǎn)。它既是“課程”這個(gè)“產(chǎn)品”的說(shuō)明書(shū)，也是師生之間的一個(gè)“契約”，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)只要遵守課程綱要的要求通過(guò)這門(mén)功課的問(wèn)題就不大。而對(duì)教師來(lái)說(shuō)，課程綱要是指導(dǎo)也是一種約束，教師在教學(xué)過(guò)程中一般不得隨意更改綱要所列出的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)時(shí)間安排，考試也只能測(cè)驗(yàn)其中包括的內(nèi)容。

3） 教學(xué)過(guò)程嚴(yán)格，教學(xué)方法與模式多樣。

以加州大學(xué)伯克利分校的“嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論”課程為例，一門(mén)課程兩個(gè)代碼，課堂授課不分本科生和研究生，但要求不同，區(qū)別體現(xiàn)在“做額外的作業(yè)，并對(duì)該項(xiàng)目有更高的要求”，這在國(guó)內(nèi)（指內(nèi)地，下同）幾乎難以行通。但這種教學(xué)組織模式卻是真正的“現(xiàn)代化”，真正體現(xiàn)了“效率”，體現(xiàn)了“做中學(xué)，學(xué)中做”的現(xiàn)代教學(xué)模式。同時(shí)還可以看出，課堂授課對(duì)一門(mén)課程的教學(xué)而言，并非是最重要的，而“做”才是最重要的。如他們普遍采用或者是小班“研討式”授課，或者是采用“大班授課，小班研討”的教學(xué)模式。這與國(guó)內(nèi)的教學(xué)傳統(tǒng)理念有很大差異，因?yàn)槲覀儗?duì)教學(xué)的考核，計(jì)算教師上了多少節(jié)課是首要的，最重要的，在很多大學(xué)甚至是唯一的。并且國(guó)內(nèi)大學(xué)對(duì)教學(xué)的基本資源的建設(shè)和管理也主要集中在教學(xué)樓（教室）和課堂授課。因此，從教學(xué)的理念到教學(xué)的模式，我們基本上還停留在農(nóng)耕時(shí)代。加州大學(xué)伯克利分校的這種教學(xué)模式其實(shí)有其理論依據(jù)，如圖1所示的“學(xué)習(xí)金字塔”。雖然圖中的具體數(shù)據(jù)并不一定科學(xué)可靠，但對(duì)學(xué)習(xí)者而言，6種不同的教與學(xué)方法所可能獲得的效果，實(shí)踐證明基本趨勢(shì)是符合的。

我們還可以了解到，美國(guó)一些好的大學(xué)，課程的考試特別多，每周都有大大小小的考試，課外閱讀材料多，實(shí)驗(yàn)多，每次課堂的作業(yè)量很大。這些在國(guó)內(nèi)幾乎不可能。

圖1 學(xué)習(xí)金字塔

4）強(qiáng)調(diào)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（project-based learning）。

報(bào)告認(rèn)為基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)對(duì)CPS教育至關(guān)重要?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)在目前大學(xué)工程課程中越來(lái)越多。CPS特別適合“做中學(xué)”，在實(shí)驗(yàn)室而不是在教室學(xué)。在實(shí)驗(yàn)室中教師與學(xué)生接觸，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)合作和最終產(chǎn)品的有效完成。學(xué)生選擇真正的實(shí)際問(wèn)題，在團(tuán)隊(duì)合作中為這些問(wèn)題建立完整的典型的解決方案。學(xué)生構(gòu)建硬件，通過(guò)現(xiàn)有的硬件組件組成新的硬件系統(tǒng)，并學(xué)習(xí)將硬件與有效的軟件集成，以形成真實(shí)問(wèn)題的解決方案。除課堂項(xiàng)目外，學(xué)生還通常需要完成設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目（capstone projects），整合具有多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)，合作進(jìn)行大型項(xiàng)目。

5） 教師的學(xué)術(shù)研究對(duì)課程教學(xué)非常重要。

報(bào)告所列兩門(mén)課程，雖冠以“導(dǎo)論”之名，但課程實(shí)際內(nèi)容的廣度、深度及創(chuàng)新性，都是非常強(qiáng)的。而開(kāi)設(shè)這兩門(mén)課程的主講教師，加州大學(xué)伯克利分校的Edward A. Lee和Sanjit A.Sehsia，賓夕法尼亞大學(xué)的Insup Lee和Sanjian Chen，都是CPS領(lǐng)域國(guó)際上的著名學(xué)者，他們開(kāi)設(shè)的課程內(nèi)容，很多就是他們多年科學(xué)研究的成果。可見(jiàn)，在美國(guó)這些一流大學(xué)，就沒(méi)有“重教學(xué)”還是“重科研”這類(lèi)問(wèn)題。對(duì)大學(xué)教授而言，做研究首先是為了教學(xué)，好的教學(xué)必須依靠自身深入的學(xué)術(shù)研究，沒(méi)有研究的教學(xué)不可能產(chǎn)生出高水平的教學(xué)效果。這與我們教學(xué)中的“排課”有本質(zhì)的不同，我們是“分配教學(xué)任務(wù)”，并不真正關(guān)心主講教師對(duì)該課程所涉及的核心內(nèi)容是否有研究。于是，“照本宣科”就成常態(tài)之勢(shì)。

6） 教學(xué)投入充足，極為重視本科教學(xué)，認(rèn)為教授的天職就是教學(xué)。

而科研是屬于教授的個(gè)人興趣與愛(ài)好。學(xué)校當(dāng)然支持教授的研究工作，因?yàn)闆](méi)有研究的教學(xué)，教學(xué)的水平和效果無(wú)法保證，但絕不能因?yàn)榭蒲卸鴵p害教學(xué)的利益。許多教授的工資是按本科教學(xué)的工作任務(wù)發(fā)放的。教授必須按照本科的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和要求完成教學(xué)任務(wù)，否則就有可能拿不到工資。對(duì)課程本身投入巨大，學(xué)校和院系在本科生課程投入上毫不吝嗇。據(jù)了解，MIT電子工程系每年在一門(mén)課程上的投入就高達(dá)30萬(wàn)美元，少的也有10多萬(wàn)美元。這些經(jīng)費(fèi)并不包含教師的工資，是純粹投入到課程本身的，分配給各個(gè)學(xué)生小組來(lái)使用。

7） 非常完善的 TA（Teaching Assistant）制度。

如美國(guó)CMU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論課程，一門(mén)課程有3個(gè)教師，12個(gè)TA，學(xué)生不過(guò)200。TA對(duì)一門(mén)課的教學(xué)起到非常大的作用。國(guó)內(nèi)還很少有完整TA制度的大學(xué)。國(guó)內(nèi)大學(xué)有“三助”制度，但這與現(xiàn)代大學(xué)的TA制度不是一回事。

8） 重視對(duì)課程教學(xué)質(zhì)量的評(píng)估與監(jiān)控。

美國(guó)好大學(xué)極為重視課程教學(xué)質(zhì)量評(píng)估工作，有成熟的體系和方法，如同行之間的評(píng)估、高級(jí)職員對(duì)低級(jí)職員的評(píng)估、學(xué)生對(duì)老師的評(píng)估等。而課程的評(píng)估也是工程教與專業(yè)認(rèn)證的重要內(nèi)容，而國(guó)內(nèi)在這方面幾乎還是空白。

我們對(duì)報(bào)告關(guān)于專業(yè)課程規(guī)劃與教學(xué)方面的解讀，主要是從“辦學(xué)者”和“教學(xué)者”的角度展開(kāi)的（我們將在后續(xù)的文章中著重從學(xué)生的角度進(jìn)一步解讀報(bào)告）。報(bào)告對(duì)我們建構(gòu)“新工科”專業(yè)課程體系，有非常重要的借鑒意義?！靶鹿た啤敝浴靶隆保仨毬鋵?shí)到具體課程的設(shè)置與課程的教學(xué)。國(guó)內(nèi)在專業(yè)課程的設(shè)置上，考慮專業(yè)的學(xué)科屬性和要求多，考慮企業(yè)或社會(huì)的需求太少，“新工科”建設(shè)應(yīng)著力彌補(bǔ)這方面的不足。國(guó)內(nèi)在專業(yè)課程的教學(xué)上，實(shí)際狀況非常嚴(yán)峻，改革已刻不容緩?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)或許是個(gè)契機(jī)。

我們?cè)诒ＷC本科教育質(zhì)量方面，的確還存在著相當(dāng)大的差距。這個(gè)差距可能不是與世界一流大學(xué)的差距，而是與我們自定培養(yǎng)目標(biāo)的差距。改革開(kāi)放40年來(lái)，世界先進(jìn)大學(xué)的樣子我們基本上都學(xué)來(lái)了，學(xué)分制、GPA（平均績(jī)點(diǎn)）、自由選課、彈性學(xué)制、教學(xué)評(píng)估、專業(yè)認(rèn)證等，但實(shí)際效果又如何呢？我們似乎打破了計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代形成的教學(xué)體系，但還沒(méi)有形成適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的新的教學(xué)體系。從微觀上看，課程的教學(xué)模式與方法，基本上還停留在農(nóng)耕時(shí)代。從宏觀上看，什么樣的現(xiàn)代大學(xué)治理機(jī)制適合我們，可能并沒(méi)有完全解決，或有待進(jìn)一步完善。如果我們的課程教學(xué)質(zhì)量得不到基本保證，專業(yè)教育質(zhì)量從何而來(lái)？沒(méi)有好的教育質(zhì)量，一流大學(xué)的奮斗目標(biāo)能實(shí)現(xiàn)嗎？

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