UCISM: 一种基于跨学科理念的面向实践类课程的教学方法

罗丹彦, 温东新, 左德承

（哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引 言

实践类课程是我国大学教育教学体系中一个重要的组成部分。如何在有限的课时内充分培养与发挥学生的各方面能力（包括研发能力、沟通能力、合作能力等），开发满足要求的应用系统，一直是教育界同仁思考的一个重要问题。近年来，跨学科教育理念获得了越来越多的认可与重视。跨学科教育不仅扩展了学生的知识面，让学生可以建立更完整的知识体系，也可以推动更多高水平创新研究成果的出现。美国卡内基·梅隆大学提出了“以用户为中心的跨学科并行系统设计方法（User-Centered Interdisciplinary Concurrent System Design Methodology，UCISM）”，并将其应用在该校的工程实践课程“计算机系统的快速原型构建”（Rapid Prototyping of Computer Systems，RPCS）中，取得了很好的教学效果。

1 UCISM方法简介

为了充分发挥跨学科团队在工程设计过程中的技术优势、快速构建令最终用户满意的完整原型系统，美国卡内基·梅隆大学提出了一种新型的开发理念：UCISM[1]。UCISM的设计理念主要包括概念设计、详细设计和实现等3个阶段（如图1所示）。开发人员在概念设计阶段总结用户需求，提出详细技术方案；在详细设计阶段对技术方案进行进一步的详细设计；在实现阶段完成原型系统的开发并进行测试。用户在每个阶段都会对设计进行评判、给出修改意见。用户既可以来到现场，也可以通过网络远程参与系统开发过程与技术团队充分合作，从而保证开发者可以快速构建满足用户需求的原型系统。在这个方法中，跨学科的技术团队可以包括和系统相关的多个学科的专业人士，例如电子工程、机械工程、计算机科学、工业设计、人机交互等学科的专业人士。

图1 UCISM设计理念

经过近30年的使用，美国卡内基·梅隆大学发现UCISM不仅是一种高效的工程设计方法，也是一种有效的教学方法，可以在实践类课程中帮助多学科背景的学生合作研发原型系统。在20世纪90年代初，卡内基·梅隆大学就将这种方法应用于RPCS的教学过程，不仅在教学过程中开发了一系列实用的原型系统，充分锻炼了学生的多种能力，获得了非常好的教学效果，而且这种方法不受限于科技的发展，可以随时将最新技术应用于开发过程中，具有很好的可延续性。

2 基于UCISM的RPCS课程教学过程

卡内基·梅隆大学2018年春季学期RPCS课程共15周29次课，每周2次课，在3个月内完成整个教学过程。RPCS课程面向人机交互专业、电子与计算机工程、计算机科学、艺术等专业的本科生和硕士研究生。在2017年11月份开始课程报名，通过卡内基·梅隆大学的选课系统进行选课，选课人数限制在35人之内，人满则停止报名。由Daniel P. Siewiorek和Asim Smailagic两位教授负责教学工作，配备两位助教。课程配有专用的课程教学网站Kiva，所有教师、助教和学生都可登录Kiva查看课程通知、分享课程资料和对课程内容进行讨论。

图2 原型系统的系统结构

2018年春季学期课程的主题是为患有脊柱侧凸的青少年研制一套能够将护具与多种传感器紧密结合的应用系统，可以收集多种相关参数、检测脊柱侧凸患者是否正确佩戴了护具以及对患者进行自动矫正。最后的原型系统EmBrace由护具、安装在护具上的温度湿度姿势压力等传感器、由气囊气泵组成的矫正系统、安装在智能手机上的应用程序、云端服务器等几部分组成。传感器将检测到的信息通过蓝牙传递给附近的智能手机，智能手机将信息通过Wifi上传到云端服务器，用户再通过连接服务器获得历史数据及分析报告。智能手机中的应用程序也可以通过对数据分析判断是否需要进行矫正，并驱动矫正系统进行工作。

根据UCISM的工作理念，课程由3部分组成。

第1阶段：概念设计。总共9次课。教师首先介绍系统的应用背景、技术内涵和成果要求，然后基于教师给出的系统结构（如图2所示），将任务分为人机交互、传感器、后端、前端4个工作小组，每个小组共6～7人组成，学生自行决定参与哪个小组的工作，也可同时参与多个小组的工作。小组成立后，组员要在一起讨论技术方案、任务分工，提出基本的技术方案和实验设备采购方案。在本阶段的最后一节课，每个小组提交完成的工作报告，并派1名代表进行答辩。

第2阶段：详细设计。总共10次课。在本阶段中，教师将任务进行细化，重新将任务分为用户体验/用户界面、移动设备、传感器、定制护具、Synthetic Interview、云数据库6个工作小组，每个小组由2～5名学生组成。各小组对技术方案进行详细设计，并研制初步的验证系统，在最后一节课提交技术报告，并完成工作答辩和系统演示。

第3阶段：实现。总共10次课。在本阶段中，任务分组不变，但学生可以重新选择加入新组或留在原组。各小组将完成系统的最终实现，并与其他小组进行系统联调，完成演示系统的构建，并提交最终的技术报告和工作答辩，最后实现原型系统Embrace。

在每个阶段后期，教师将和每个学生进行一对一交流，基于学生在Kiva上提交的个人工作日志、课堂表现、报告撰写、答辩、方案设计、演示等方面给出学生在本阶段的分数。学生最终成绩由学生在概念设计、详细设计、实现、系统集成4个部分的成绩，按30%、30%、30%、10%的比例累加得到。

3 UCISM的优势与特色

从2018春RPCS课程的教学过程可以看出，UCISM具有以下突出的优势与特色。

1）充分发挥跨学科优势，加深问题理解，实现知识互补与整合。

构建一个完善的综合应用系统往往需要使用多种不同学科的知识。如果在教学过程中所有学生的背景完全一致，那么就会遇到如下问题：知识面狭窄，对问题理解不够透彻、全面。如果可以引入多种不同学科背景的学生参与课程教学过程，则可以很好地实现知识互补与整合，加深对问题的理解。在系统实现过程中，充分利用多学科知识，也有利于将系统开发的更合理、更易用。由此可知，跨学科课程使学生能够形成独特的跨越学科界限的知识视野和思维习惯，而且学生通过跨学科课程学习，可以学会比较不同学科和理论的观点，理解综合的力量[2]。

在本次RPCS课程中，学生的专业背景包含了电子与计算机工程、计算机科学、艺术等专业。在工作过程中，电子与计算机工程专业的学生会侧重于做嵌入式系统的设计与开发工作，计算机科学专业的学生会偏向于应用程序及界面的相关工作，艺术专业的学生帮助进行工业设计、界面优化等相关工作，还涉及部分媒体方面的工作。在往年的RPCS课程中，跨学科的技术合作也产生了很多很有特色的教学成果，如经过优化设计的计算机主板可以实现折叠并嵌入到特殊设计的外壳中。虽然每个学生在实践过程中，会选择与自己专业相关的工作，但是通过组内交流、组间合作，也会对其他方面的工作有一定理解，扩展了学生的知识面。

2）基于现实情景进行选题，原型系统具有转化为实际成果的能力。

通过采用UCISM，可以大大扩展选题的范围，不必局限于单一学科背景，这样的选题往往更具有现实意义。此外，每年RPCS课程的选题都会基于一个实际背景，让学生建立一个可以在实际环境中使用的原型系统。基于实际背景的选题，不仅可以让学生对知识和系统的理解与运用做到“脚踏实地”，也可以让教学内容与当前最新技术达到同步，使教学成果可以比较容易转化为实际系统。例如，1993年的Vu-man系统就采用3D打印技术制造设备外壳。在20余年的教学过程中，RPCS课程提出了近30个应用于不同领域的原型系统，其中有多个系统在后续的研究过程中成功转化为实际系统。表1展示了其中几个代表性系统，从表1可知这些系统在无线通信技术方面都采用了当时最先进的科学技术。

3）综合运用多种教学手段，全方面培养学生的多种能力，提升教学效果。

在教学手段上，RPCS除了基本的课堂教学以外，还引入了座谈、讨论、答辩、课程网站等多种手段提升教学效果。在课程开始前，教师选择了1位脊柱侧弯患者Beth并为她拍摄了一段视频，在视频中Beth对这种疾病的基本情况及她佩戴的护具做了初步的介绍。在第一堂课中，Beth和她的父母来到了课堂中，与教师和学生进行了座谈，学生也对自己关心的问题对Beth进行了提问。通过这种实例教学的方式，学生不仅对课题背景有了更深的理解，也对自己的工作目标有了清晰的认识。在实践环节中，小组成员在同一区域工作，可以随时进行讨论，解决问题。在上课时间之外，课程每周末还会安排一次小组长会议。各个小组的组长和教师一起参加会议。组长汇报各自已完成的工作和下一阶段的工作，并和其他小组进行工作交流，教师也会根据当前工作进展，提出注意事项和下一步的工作要求。课程网站Kiva在教学过程中也发挥了非常大的作用。学生可以在Kiva下载所有课程相关的文档，也可以上传自己的工作日志、发帖提问；教师可以发布通知并回答问题。

表1 CMU RPCS课程的几个代表性系统

在学生能力训练方面，课程不仅充分尊重学生的“意向和兴趣”，也注重对学生多种能力的培养。在课程的3个阶段中，学生都可以根据自己的兴趣自行决定参与的工作小组。小组成员除了完成自己的代码工作以外，还要和其他组内、组外成员交流工作。各小组在每个阶段推举1个人作为编辑完成本阶段报告的文字工作，推举1个报告人进行阶段报告。小组长、编辑、报告人在每个阶段结束后都会重新选举。通过这种方式，每个学生的动手能力、沟通能力、书写能力、组织能力、表达能力等都得到了充分的锻炼。

4 在我国应用UCISM存在的问题与解决建议

UCISM是一种有效、可行的系统开发方法和教学方法，但在我国大学教育教学过程中应用这种方法可能会面临一些问题。

1）跨学科。

如果想充分发挥UCISM的效果，从课程方面来看，课程应该面向多个学院、多个学科进行公开招生，允许一个班级包含不同技术背景的学生。然而在我国，一门专业课往往只能面向一个学院，学生一般不能跨学院选专业课，这就大大限制了这种方法的应用。如果要打破这种限制，就需要大学在设计培养方案、课程体系时能够充分考虑多个学院、学科之间的合作，建立更多的跨学科专业、设置更多的跨学科课程。当然，跨学科不是简单的让学生去跨学科选修一门课，更重要的是让学生通过实践与合作，加深对问题的理解。目前，我国高校越来越重视跨学科教育的重要意义与优势，清华大学于2017年成立了智能无人系统研究中心、智能网联汽车与交通研究中心、柔性电子技术研究中心等3个跨学科交叉机构，北京大学近年来正着力培育前沿交叉学科，哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院也设置了多门跨学科课程，在未来必定会有越来越多的大学推进这方面的相关工作。

2）选题。

真正的跨学科主题需要从现实情境中提炼出更多的跨学科课程研究的视角[3]，采用UCISM的课程选题往往比其他课程难度更大：一方面，这种课程的题目需要基于实际背景选择，这就要求任课教师对当前的主流技术及其实现方法与过程、社会需求与热点、学生的能力有着准确把握；另一方面，选题必须足够有趣，才能引起学生的兴趣，激发学生主动研究的动力。此外，课程最好每年更换题目，在选题时也要考虑好在这个题目下如何安排好各个学科学生的工作，最大程度的培养与发挥他们的能力。因此，“选题”对任课教师提出了很高的要求。

3）工作量。

在使用UCISM时，工作量是一个必须要仔细考虑的问题。工作量过大，不仅容易导致学生无法在规定时间内完成系统开发或者占用学生过多的时间、影响其他课程的学习，也会大大加重教师和助教的工作负担；工作量过小，容易导致学生提前完成全部工作，学生能力没有得到充分的锻炼、教学效果不佳。因此，在开课前必须结合学生背景、学生能力、学生数量、学时、学生可接受的工作时间等因素综合设计总体工作量和每个学生的平均工作量，保证较好的教学效果。

4）能力培养。

通过运用UCISM，学生的动手能力、沟通能力、书写能力、组织能力、表达能力等都会得到很好的锻炼，但是这也意味着在这些方面，学生需要有一定的基础。例如，低年级本科生的动手能力等方面不足，往往需要先期基础专业课程的训练，因此这种方法更适合于高年级本科生或者研究生课程使用。

5）资金。

采用UCISM就一定要开发一个原型系统。在原型系统开发过程中需要一定的资金去购买相应的软硬件产品。在本次RPCS课程中，大概花费了近2 000美元去购买相应的开发板、芯片、传感器、试验用手机、其他相关材料等硬件设备。因此，如果在我国开设使用这种教学方法的课程，需要保证一定的资金支持。

5 结 语

为了在实践类课程教学过程中获得更好的教学效果，结合日益受到重视的跨学科教育理念，笔者详细介绍了美国卡内基·梅隆大学提出的一种基于跨学科理念的面向实践类课程的教学方法——UCISM。实践证明，这种教学方法不仅可以扩展学生的知识面，完善学生的知识体系，也可以综合锻炼学生的多种能力。这种教学方法经过完善也可以应用于我国大学教育教学过程中，为培养综合性跨学科人才做出贡献。

致 谢

特别感谢美国卡内基·梅隆大学的Daniel P.Siewiorek教授和Asim Smailagic教授允许作者全程参与2018春RPCS课程的教学工作，与作者进行了多次关于课程教学方法、内容等方面的座谈，并提供大量资料。