美國21世紀CPS教育報告簡介

言 十

1 概 要

NSF在支持CPS研究10余年的基礎上，開始探索CPS的教育和培訓要求。作為探索的一部分，NSF請美國國家科學院、工程院、醫學院研究此課題，組織研討會。參加研討會的有包括麻省理工學院、斯坦福大學、哈佛大學、加州大學伯克利分校、卡耐基梅隆大學、哥倫比亞大學、喬治亞理工學院在內的多所世界著名大學，以及包括谷歌、IBM、微軟、洛克希德·馬丁、霍尼韋爾、福特汽車、雷神技術等在內的多家大公司。由美國國家科學院、工程院、醫學院3院共同合作成立的“21世紀CPS教育委員會”編制中期報告和最終報告，審查CPS的教育需求和教育內容。

該報告研究了CPS這一新興領域的知識內容及其對工程和計算機科學教育的影響，更普及的工程教育未來，如何使學生克服障礙完成相應的科學、技術和工程學位；研究了目前和將來的CPS教育需求，闡述了美國21世紀將有一批具有CPS專業人才的愿景；提出了發展師資力量、學科與專業發展戰略，課程設置方案，核心的、跨領域的及特定領域的知識，與CPS相關的多個學科，以及如何促進多學科的學習和工作，關注本科教育，同時考慮對研究生教育、從業人員培訓和認證、社區學院、中學基礎教育及非正式教育的影響；強調了CPS科學、工程和技術人員所需的技能以及考慮有關CPS概論課程的更廣泛需求。

除了“概要”一節，報告分為四個部分，第一部分探討了CPS教育的需要；第二部分強調了開發CPS的人員所需的基本知識和技能；第三部分提供了CPS教育中如何將這些基礎納入各種課程的范例；第四部分討論了如何開發并制度化課程體系。

報告的目錄見表1。

表1 報告的目錄

2 CPS人才需求及CPS學科與專業

報告系統描述了CPS人才需求的現狀與前景，提出CPS人才培養的多種方式與方案。

2.1 CPS人才需求與專業目標

CPS是新興的具有重大經濟和社會效益的工程領域。交通運輸、醫藥、能源、國防和信息技術等主要工業部門，越來越需要一支能夠設計并工程化CPS產品和服務的從業人員隊伍。雖然很難量化具體的人才需求，但可以肯定的是需要更多具有CPS知識和技能的工程師。

來自汽車、農業、醫療設備、航天以及大型工業集團和CPS工程軟件工具供應商等行業企業人士的報告表明，這些行業急需擁有CPS工程技能的人才。由于缺少足夠的具備CPS技能的人才，一些產品無法被研發出來。還有一些來自工業界的專家指出，如果有更多受過CPS教育的求職者可用，那么他們公司的員工將被重組。

考慮到CPS在整個工業界的普及，無論他們是否認為自己是這方面的專家，都有非常多的工程師正圍繞著CPS工作。許多人并沒有接受過CPS方面正規的教育或培訓。當今世界已有非常多的系統依賴于CPS，因此必須把發展CPS學科及提供更專業的教育和培訓放到優先位置。

開發高效的CPS解決方案需要合理地組合工程師隊伍，包括設計實現復雜功能的開發人員，以及部署和維護具有長生命周期CPS解決方案的技術人員。工程項目本質上就需要具備不同技能的專家進行協作，CPS項目也是如此。

未來的CPS工程師隊伍應包含以下幾類：

（1）基礎領域工程師（如電氣和計算機工程、機械工程、系統工程和計算機科學）；

（2）特定應用領域工程師（如航空航天和土木工程）；

（3）專注于跨領域的知識和技能的CPS工程師（即信息技術領域和運行于物理世界的物理系統）。

對CPS人才的培養，報告提出7種模式：①將CPS融入K—12（美國的中學教育）基礎教育；②職業和社區學院項目；③將CPS融入工程學和計算機科學的概論課程；④本科階段設置一門或多門CPS概論課程；⑤涵蓋CPS核心內容的特定領域的學位項目；⑥本科級別CPS學位；⑦碩士級別CPS學位。

報告認為CPS是一個新的學科，同時認為已存在一個CPS工程師職業的人才大量需求，因此可以建一個新專業。

報告給了我們一個啟示，新專業設置有兩個基本前提：

（1）是否已成為一個獨立的學科。通過對CPS研究10年后，美國認為CPS是一個新學科。

（2）是否有足夠多的職業需求，是考慮職業而不是產業或產品需求。一種職業就業不限于某個行業或產業。美國認為CPS是一個新工程師職業，并沒有突出CPS是個產業。

基于以上兩個前提，所以美國認為可開設本科與研究生CPS新專業。

2.2 CPS知識體系與能力要求

CPS是一個新興的學科。如何開發一個可驗證的具有良好可靠性和安全性的大型系統所需要的理論、知識和技能，是這一學科的核心目標。CPS包含嵌入式系統、軟件工程、控制系統、網絡和系統工程等學科的組成部分，因此，這是個新興的交叉學科。把CPS定義為一個新的學科，國內業界有不同的看法，本文不討論這一問題。報告提出CPS這一新專業，是在“CPS是一個新興的學科”這一前提下提出的，即經歷了10余年的研究，業界已基本達成共識，再提出新專業的具體設計方案。

基于對現有課程、項目和教學材料的考察以及行業專家的意見，報告系統總結了作為CPS工程師所必需的知識體系和能力要求。

2.2.1 知識體系

1）CPS原理。

CPS將工程和物理世界的應用、計算機工程學中的硬件、計算機科學中的信息世界三者聯結在一起。物理世界的基本原理包括物理學、數學建模、分析、算法和系統設計，并處理其相關的不確定性和風險。計算機工程與計算機科學（信息）世界的原理涉及嵌入式計算和通信硬件系統、軟件編程及網絡。由于傳感器是物理和信息世界之間關鍵的硬件橋梁，因此了解傳感器的特性、在現實世界中的行為以及對其產生的信號進行處理的技術非常重要。控制理論是CPS的重要基本原理，相關要素包括穩定性、優化以及如何控制分布式數字系統。

2）CPS專業的知識體系。

根據以上基本原理，報告確定了CPS專業的知識體系。

（1）基本計算概念，除了幾門入門編程課程之外，還包括嵌入式計算體系結構、數據結構與算法、自動機理論、軟件工程等內容。

（2）面向實體世界的計算，包括理解實體世界的性質特性、實時嵌入式系統、能量及存儲等計算資源的約束。

（3）離散和連續數學，除微積分外，還有微分方程、概率和隨機過程、線性代數等。

（4）傳感、驅動、控制、通信及計算的交叉應用。這些應用體現出物理—信息世界的交互在CPS中的核心地位，也反映了實時約束條件下對通信網絡、傳感、信號處理及驅動系統進行控制的重要性。

（5）控制、計算和通信融合的異構動態系統建模，重點在于不確定性和系統異構性，包括線性和非線性模型、隨機模型、離散事件、混合模型等技術，以及基于優化理論、概率論和動態規劃的相關設計方法。

（6）CPS系統開發，尤其是安全關鍵系統、高可信系統和彈性系統的開發，需要具備“初始需求→測試→認證→在線使用”整個產品生命周期的視角，包括形式化驗證和檢驗程序以及能夠適應系統演化的適應性設計。

（7）CPS系統特性，許多CPS系統是大型、復雜且安全關鍵的。成功地開發此類系統，需要掌握關于怎樣使系統具有以下特性的相關知識：信息安全及隱私；互操作性；可靠性及可信賴性；功耗和能耗管理；安全性；穩定性及性能；人的因素及可用性。

2.2.2 能力要求

除了作為一個工程類專業所要求的能力以外，CPS專業還有補充的能力要求。

（1）工程系統日益增長的規模和復雜性，意味著工程師需要與多學科專家進行越來越多的合作?！败洝奔寄堋鐪贤?、靈活性、團隊合作及多學科合作能力，對CPS工程尤其重要，因為這項工作本質上是跨學科的。

（2）科學和工程學知識的頻繁變化與更新，以及CPS相關新知識的快速出現，要求CPS課程和項目除了有具體的技術和方法外，還需要強調可持續性的學習和批判性的思維。

（3）與CPS相關的工程學教育的另一個趨勢是企業家精神的融入。為了在市場和業務壓力下取得成績，工程師們應該具備企業家精神。對于畢業后不久從事創業的工程師來說，創業教育能使他們在產品設計、開發、原型設計、技術趨勢和市場分析等方面具有扎實的經驗。這些技能有助于他們在起步中獲得成功。

2.3 CPS專業的課程體系

基于工程教育專業認證體系，報告給出CPS專業的學士學位（本科）模塊式課程計劃，見表2。

表2 CPS專業的學士學位（本科）模塊式課程計劃

課程結構簡單，通識教育與專業教育并重且邊界清楚。按照國內課程劃分通常規則，通識教育部分（數學與自然科學、社會科學與人文學科，其中的微分方程、離散數學、邏輯學，國內一般算專業基礎課）約15門課程，專業教育25門課，即通識教育約為3/8，專業教育約為5/8。專業教育課程中有社會和職業倫理方面的課程，這很符合工程教育與專業認證的要求。

課程門數少，4年共40門課程，沒有國內大數量學分的“畢業設計”課程。美國的大學8個學期都開課，一般都是三學期制，每學期學生修課一般都超過4門，而國內大學每學期學生修課一般都超過6門。

2.4 CPS專業的課程教學

基于項目的學習在目前大學的工程課程中越來越多。CPS是交叉學科，涉及問題的復雜性強，因此特別適合基于項目的學習，做中學，學中做。持續地針對實際問題進行系統的學習是教學的關鍵?，F行課程大綱的常見做法是包括課外作業、考試和項目。課程項目旨在通過融合課程中引入的多個概念和知識來解決具體的現實問題；而基于項目課程教學，學生要選擇真正的實際問題，在團隊合作中為這些問題建立完整的典型的解決方案。學生構建系統，通過現有的系統組件構造新的系統，并學習將硬件與有效的軟件集成，以產生真實問題的解決方案。除課堂項目外，學生還通常需要完成高級課程項目，強調基于項目的學習課程對CPS教育至關重要。

2.5 師資問題

開展面向本科生的與時俱進的CPS教育，需要對這個新興交叉學科投入巨大的師資力量。CPS不僅跨學科，而且處在多學科的交叉點上。教授基礎性、專業性或基于工程的CPS課程的教師，需要對CPS所涉各種學科都有所了解。CPS教師不僅應在CPS的某一方面有專長，也應有能力將他們的專長與完整的CPS系統中其他方面的知識，以及特定領域的應用需求這三者結合起來。

從長期看來，理想的教師招聘將要求：①CPS學位或專業畢業；②有從事CPS研究的經歷；③有CPS技術行業經驗的專業人士。

工業界在發展CPS課程項目中的作用，同樣也發揮著重要作用。工業界可能扮演的角色包括：①鼓勵行業專家以客座講師、兼職和訪問教員等身份參與其中來支持CPS項目的發展；②提供關于CPS課程及課程體系設計的持續意見反饋，為學生在工業界實習和工作做準備；③提供財務或實物支持，用于開發課程材料、項目和先進的實驗平臺。

2.6 CPS碩士學位課程

報告給出一個碩士學位課程計劃。課程分為所需的核心課程和選修課兩個模塊，還需要完成一個項目，這種項目要體現出設計一個能在現實世界中可靠工作的CPS系統所面臨的挑戰。碩士學位課程模塊見表3。

表3 CPS碩士學位課程模塊

3 “X+CPS”課程規劃

報告還提出將CPS融入一些傳統的本科工程專業的課程方案，相關的專業有土木工程、機械工程、電氣工程、計算機科學等，同時確保更符合工程教育專業認證規范。CPS融入領域專業課程的程度因學科而異。本科土木和機械工程課程要求學生在前兩年內主要還是數學、自然科學和基礎工程與科學課程。第3年主要是將學生引導到各自學科的具體專業領域，例如，在土木工程中，這些具體專業領域包括結構、巖土工程、交通運輸、環境、水文、水利和建筑工程；機械工程選修領域則包括機器人和控制、熱力學系統、制造和固體力學。在第4年，大多數學生通過選擇重點關注其中的一個選修領域，從而發展專業化，設計課程（capstone design course）通常也是第4年課程的一部分。

將CPS融入一些傳統的本科工程專業構造出新的專業，我們將其形象地稱之為“X+CPS”課程計劃，其中的“+”是一種結合甚至是融合。

表4—表7報告提出了土木工程、機械工程、電氣工程、計算機科學等專業加CPS的課程計劃。

縱觀下述4個專業的課程計劃，從形式上看，是傳統專業加入了CPS，但其實質對計算機科學專業，是“計算機+X”構成新的計算機科學本科專業課程方案，對電氣工程、機械工程、土木工程而言，則是“X+計算機”構成新的工程專業，這只是專業內涵的革新，沒有改變原專業的學科和行業屬性，沒有改變工程教育專業認證的基本要求。

表4 計算機科學+CPS本科課程方案

（續）表4 計算機科學+CPS本科課程方案

表5 電氣工程+CPS本科課程方案

表7 土木工程+CPS本科課程計劃

（續）表7 土木工程+CPS本科課程計劃

4 結 語

美國國家科學院、工程院、醫學院發表的“21世紀CPS教育報告”內容豐富，在人才需求、學科與專業、人才培養計劃、課程與專業建設、師資隊伍建設、課程教學改革、行業參與方面，都有系統的論述，我們僅從教學的角度對其部分內容進行了概要的介紹，言十還將發表系列相關文章。有興趣的讀者可閱讀原文。CPS從概念的形成到成為學科，經歷了10余年的時間。作為引領世界現代科技潮流的美國，把CPS提高到如此重要的地位，值得我們深度思考與認真借鑒，特別是對國內轟轟烈烈的新工科運動，是否也有參考意義？

（感謝湖南大學嵌入式計算與網絡重點實驗室李仁發教授CP研究團隊提供的譯文草稿。）

[1]The National Academies of SCIENCES ENGINEERING MEDICINE[EB/OL]. [2017-11-16]. http://www.nap.edu.

[2]Lee E A. 嵌入式系統導論[M]. 李實英譯. 北京: 機械工業出版社, 2012.