UCISM: 一種基于跨學科理念的面向實踐類課程的教學方法

羅丹彥, 溫東新, 左德承

（哈爾濱工業大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

實踐類課程是我國大學教育教學體系中一個重要的組成部分。如何在有限的課時內充分培養與發揮學生的各方面能力（包括研發能力、溝通能力、合作能力等），開發滿足要求的應用系統，一直是教育界同仁思考的一個重要問題。近年來，跨學科教育理念獲得了越來越多的認可與重視。跨學科教育不僅擴展了學生的知識面，讓學生可以建立更完整的知識體系，也可以推動更多高水平創新研究成果的出現。美國卡內基·梅隆大學提出了“以用戶為中心的跨學科并行系統設計方法（User-Centered Interdisciplinary Concurrent System Design Methodology，UCISM）”，并將其應用在該校的工程實踐課程“計算機系統的快速原型構建”（Rapid Prototyping of Computer Systems，RPCS）中，取得了很好的教學效果。

1 UCISM方法簡介

為了充分發揮跨學科團隊在工程設計過程中的技術優勢、快速構建令最終用戶滿意的完整原型系統，美國卡內基·梅隆大學提出了一種新型的開發理念：UCISM[1]。UCISM的設計理念主要包括概念設計、詳細設計和實現等3個階段（如圖1所示）。開發人員在概念設計階段總結用戶需求，提出詳細技術方案；在詳細設計階段對技術方案進行進一步的詳細設計；在實現階段完成原型系統的開發并進行測試。用戶在每個階段都會對設計進行評判、給出修改意見。用戶既可以來到現場，也可以通過網絡遠程參與系統開發過程與技術團隊充分合作，從而保證開發者可以快速構建滿足用戶需求的原型系統。在這個方法中，跨學科的技術團隊可以包括和系統相關的多個學科的專業人士，例如電子工程、機械工程、計算機科學、工業設計、人機交互等學科的專業人士。

圖1 UCISM設計理念

經過近30年的使用，美國卡內基·梅隆大學發現UCISM不僅是一種高效的工程設計方法，也是一種有效的教學方法，可以在實踐類課程中幫助多學科背景的學生合作研發原型系統。在20世紀90年代初，卡內基·梅隆大學就將這種方法應用于RPCS的教學過程，不僅在教學過程中開發了一系列實用的原型系統，充分鍛煉了學生的多種能力，獲得了非常好的教學效果，而且這種方法不受限于科技的發展，可以隨時將最新技術應用于開發過程中，具有很好的可延續性。

2 基于UCISM的RPCS課程教學過程

卡內基·梅隆大學2018年春季學期RPCS課程共15周29次課，每周2次課，在3個月內完成整個教學過程。RPCS課程面向人機交互專業、電子與計算機工程、計算機科學、藝術等專業的本科生和碩士研究生。在2017年11月份開始課程報名，通過卡內基·梅隆大學的選課系統進行選課，選課人數限制在35人之內，人滿則停止報名。由Daniel P. Siewiorek和Asim Smailagic兩位教授負責教學工作，配備兩位助教。課程配有專用的課程教學網站Kiva，所有教師、助教和學生都可登錄Kiva查看課程通知、分享課程資料和對課程內容進行討論。

圖2 原型系統的系統結構

2018年春季學期課程的主題是為患有脊柱側凸的青少年研制一套能夠將護具與多種傳感器緊密結合的應用系統，可以收集多種相關參數、檢測脊柱側凸患者是否正確佩戴了護具以及對患者進行自動矯正。最后的原型系統EmBrace由護具、安裝在護具上的溫度濕度姿勢壓力等傳感器、由氣囊氣泵組成的矯正系統、安裝在智能手機上的應用程序、云端服務器等幾部分組成。傳感器將檢測到的信息通過藍牙傳遞給附近的智能手機，智能手機將信息通過Wifi上傳到云端服務器，用戶再通過連接服務器獲得歷史數據及分析報告。智能手機中的應用程序也可以通過對數據分析判斷是否需要進行矯正，并驅動矯正系統進行工作。

根據UCISM的工作理念，課程由3部分組成。

第1階段：概念設計。總共9次課。教師首先介紹系統的應用背景、技術內涵和成果要求，然后基于教師給出的系統結構（如圖2所示），將任務分為人機交互、傳感器、后端、前端4個工作小組，每個小組共6～7人組成，學生自行決定參與哪個小組的工作，也可同時參與多個小組的工作。小組成立后，組員要在一起討論技術方案、任務分工，提出基本的技術方案和實驗設備采購方案。在本階段的最后一節課，每個小組提交完成的工作報告，并派1名代表進行答辯。

第2階段：詳細設計。總共10次課。在本階段中，教師將任務進行細化，重新將任務分為用戶體驗/用戶界面、移動設備、傳感器、定制護具、Synthetic Interview、云數據庫6個工作小組，每個小組由2～5名學生組成。各小組對技術方案進行詳細設計，并研制初步的驗證系統，在最后一節課提交技術報告，并完成工作答辯和系統演示。

第3階段：實現。總共10次課。在本階段中，任務分組不變，但學生可以重新選擇加入新組或留在原組。各小組將完成系統的最終實現，并與其他小組進行系統聯調，完成演示系統的構建，并提交最終的技術報告和工作答辯，最后實現原型系統Embrace。

在每個階段后期，教師將和每個學生進行一對一交流，基于學生在Kiva上提交的個人工作日志、課堂表現、報告撰寫、答辯、方案設計、演示等方面給出學生在本階段的分數。學生最終成績由學生在概念設計、詳細設計、實現、系統集成4個部分的成績，按30%、30%、30%、10%的比例累加得到。

3 UCISM的優勢與特色

從2018春RPCS課程的教學過程可以看出，UCISM具有以下突出的優勢與特色。

1）充分發揮跨學科優勢，加深問題理解，實現知識互補與整合。

構建一個完善的綜合應用系統往往需要使用多種不同學科的知識。如果在教學過程中所有學生的背景完全一致，那么就會遇到如下問題：知識面狹窄，對問題理解不夠透徹、全面。如果可以引入多種不同學科背景的學生參與課程教學過程，則可以很好地實現知識互補與整合，加深對問題的理解。在系統實現過程中，充分利用多學科知識，也有利于將系統開發的更合理、更易用。由此可知，跨學科課程使學生能夠形成獨特的跨越學科界限的知識視野和思維習慣，而且學生通過跨學科課程學習，可以學會比較不同學科和理論的觀點，理解綜合的力量[2]。

在本次RPCS課程中，學生的專業背景包含了電子與計算機工程、計算機科學、藝術等專業。在工作過程中，電子與計算機工程專業的學生會側重于做嵌入式系統的設計與開發工作，計算機科學專業的學生會偏向于應用程序及界面的相關工作，藝術專業的學生幫助進行工業設計、界面優化等相關工作，還涉及部分媒體方面的工作。在往年的RPCS課程中，跨學科的技術合作也產生了很多很有特色的教學成果，如經過優化設計的計算機主板可以實現折疊并嵌入到特殊設計的外殼中。雖然每個學生在實踐過程中，會選擇與自己專業相關的工作，但是通過組內交流、組間合作，也會對其他方面的工作有一定理解，擴展了學生的知識面。

2）基于現實情景進行選題，原型系統具有轉化為實際成果的能力。

通過采用UCISM，可以大大擴展選題的范圍，不必局限于單一學科背景，這樣的選題往往更具有現實意義。此外，每年RPCS課程的選題都會基于一個實際背景，讓學生建立一個可以在實際環境中使用的原型系統。基于實際背景的選題，不僅可以讓學生對知識和系統的理解與運用做到“腳踏實地”，也可以讓教學內容與當前最新技術達到同步，使教學成果可以比較容易轉化為實際系統。例如，1993年的Vu-man系統就采用3D打印技術制造設備外殼。在20余年的教學過程中，RPCS課程提出了近30個應用于不同領域的原型系統，其中有多個系統在后續的研究過程中成功轉化為實際系統。表1展示了其中幾個代表性系統，從表1可知這些系統在無線通信技術方面都采用了當時最先進的科學技術。

3）綜合運用多種教學手段，全方面培養學生的多種能力，提升教學效果。

在教學手段上，RPCS除了基本的課堂教學以外，還引入了座談、討論、答辯、課程網站等多種手段提升教學效果。在課程開始前，教師選擇了1位脊柱側彎患者Beth并為她拍攝了一段視頻，在視頻中Beth對這種疾病的基本情況及她佩戴的護具做了初步的介紹。在第一堂課中，Beth和她的父母來到了課堂中，與教師和學生進行了座談，學生也對自己關心的問題對Beth進行了提問。通過這種實例教學的方式，學生不僅對課題背景有了更深的理解，也對自己的工作目標有了清晰的認識。在實踐環節中，小組成員在同一區域工作，可以隨時進行討論，解決問題。在上課時間之外，課程每周末還會安排一次小組長會議。各個小組的組長和教師一起參加會議。組長匯報各自已完成的工作和下一階段的工作，并和其他小組進行工作交流，教師也會根據當前工作進展，提出注意事項和下一步的工作要求。課程網站Kiva在教學過程中也發揮了非常大的作用。學生可以在Kiva下載所有課程相關的文檔，也可以上傳自己的工作日志、發帖提問；教師可以發布通知并回答問題。

表1 CMU RPCS課程的幾個代表性系統

在學生能力訓練方面，課程不僅充分尊重學生的“意向和興趣”，也注重對學生多種能力的培養。在課程的3個階段中，學生都可以根據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、組外成員交流工作。各小組在每個階段推舉1個人作為編輯完成本階段報告的文字工作，推舉1個報告人進行階段報告。小組長、編輯、報告人在每個階段結束后都會重新選舉。通過這種方式，每個學生的動手能力、溝通能力、書寫能力、組織能力、表達能力等都得到了充分的鍛煉。

4 在我國應用UCISM存在的問題與解決建議

UCISM是一種有效、可行的系統開發方法和教學方法，但在我國大學教育教學過程中應用這種方法可能會面臨一些問題。

1）跨學科。

如果想充分發揮UCISM的效果，從課程方面來看，課程應該面向多個學院、多個學科進行公開招生，允許一個班級包含不同技術背景的學生。然而在我國，一門專業課往往只能面向一個學院，學生一般不能跨學院選專業課，這就大大限制了這種方法的應用。如果要打破這種限制，就需要大學在設計培養方案、課程體系時能夠充分考慮多個學院、學科之間的合作，建立更多的跨學科專業、設置更多的跨學科課程。當然，跨學科不是簡單的讓學生去跨學科選修一門課，更重要的是讓學生通過實踐與合作，加深對問題的理解。目前，我國高校越來越重視跨學科教育的重要意義與優勢，清華大學于2017年成立了智能無人系統研究中心、智能網聯汽車與交通研究中心、柔性電子技術研究中心等3個跨學科交叉機構，北京大學近年來正著力培育前沿交叉學科，哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院也設置了多門跨學科課程，在未來必定會有越來越多的大學推進這方面的相關工作。

2）選題。

真正的跨學科主題需要從現實情境中提煉出更多的跨學科課程研究的視角[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際背景選擇，這就要求任課教師對當前的主流技術及其實現方法與過程、社會需求與熱點、學生的能力有著準確把握；另一方面，選題必須足夠有趣，才能引起學生的興趣，激發學生主動研究的動力。此外，課程最好每年更換題目，在選題時也要考慮好在這個題目下如何安排好各個學科學生的工作，最大程度的培養與發揮他們的能力。因此，“選題”對任課教師提出了很高的要求。

3）工作量。

在使用UCISM時，工作量是一個必須要仔細考慮的問題。工作量過大，不僅容易導致學生無法在規定時間內完成系統開發或者占用學生過多的時間、影響其他課程的學習，也會大大加重教師和助教的工作負擔；工作量過小，容易導致學生提前完成全部工作，學生能力沒有得到充分的鍛煉、教學效果不佳。因此，在開課前必須結合學生背景、學生能力、學生數量、學時、學生可接受的工作時間等因素綜合設計總體工作量和每個學生的平均工作量，保證較好的教學效果。

4）能力培養。

通過運用UCISM，學生的動手能力、溝通能力、書寫能力、組織能力、表達能力等都會得到很好的鍛煉，但是這也意味著在這些方面，學生需要有一定的基礎。例如，低年級本科生的動手能力等方面不足，往往需要先期基礎專業課程的訓練，因此這種方法更適合于高年級本科生或者研究生課程使用。

5）資金。

采用UCISM就一定要開發一個原型系統。在原型系統開發過程中需要一定的資金去購買相應的軟硬件產品。在本次RPCS課程中，大概花費了近2 000美元去購買相應的開發板、芯片、傳感器、試驗用手機、其他相關材料等硬件設備。因此，如果在我國開設使用這種教學方法的課程，需要保證一定的資金支持。

5 結 語

為了在實踐類課程教學過程中獲得更好的教學效果，結合日益受到重視的跨學科教育理念，筆者詳細介紹了美國卡內基·梅隆大學提出的一種基于跨學科理念的面向實踐類課程的教學方法——UCISM。實踐證明，這種教學方法不僅可以擴展學生的知識面，完善學生的知識體系，也可以綜合鍛煉學生的多種能力。這種教學方法經過完善也可以應用于我國大學教育教學過程中，為培養綜合性跨學科人才做出貢獻。

致 謝

特別感謝美國卡內基·梅隆大學的Daniel P.Siewiorek教授和Asim Smailagic教授允許作者全程參與2018春RPCS課程的教學工作，與作者進行了多次關于課程教學方法、內容等方面的座談，并提供大量資料。