全球掀起第四次工業(yè)革命，世界各國(guó)相繼提出了符合自己國(guó)情的科技轉(zhuǎn)型之路，中國(guó)于2015年發(fā)布了工業(yè)化與信息化相融合的“中國(guó)制造2025”。在戰(zhàn)略持續(xù)推進(jìn)的過程中，我們愈發(fā)深刻地體會(huì)到，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)歸根結(jié)底是人才和教育的競(jìng)爭(zhēng)。

工業(yè)和信息化部黨組書記、部長(zhǎng)苗圩指出，人才是制造強(qiáng)國(guó)的根本，要不斷提升人才服務(wù)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的能力，健全多層次多類型人才培養(yǎng)體系。業(yè)界專家提出，中國(guó)制造業(yè)需通過創(chuàng)新形成獨(dú)特的智造技術(shù)和制造業(yè)升級(jí)路徑，人才是創(chuàng)新體系中最核心的要素。培養(yǎng)一批拔尖的創(chuàng)新工程人才是我國(guó)當(dāng)前最緊迫的任務(wù)。

“沒有教育4.0就沒有工業(yè)4.0”“不存在沒有教育4.0的工業(yè)4.0”，這是當(dāng)前德國(guó)教育領(lǐng)域中出現(xiàn)的一種普遍觀點(diǎn)。德國(guó)聯(lián)邦職業(yè)教育研究所主席Friedrich Hubert Esser教授表示：“人在智能工廠中的作用將更加重要，因?yàn)樵贑PS以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，人是部件設(shè)計(jì)、安裝以及更新保養(yǎng)的實(shí)施者，是實(shí)現(xiàn)信息交互、進(jìn)行決策和流程優(yōu)化的核心載體?！?/p>

美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)將CPS列為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力技術(shù)的首位。2016年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)院三家聯(lián)合發(fā)布了一份長(zhǎng)達(dá)107頁(yè)的“21世紀(jì)CPS教育報(bào)告”，提出CPS是一個(gè)新興的學(xué)科的論斷。研究表明，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，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)的從業(yè)人員隊(duì)伍。

隨著《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略的推行，以軟件和數(shù)據(jù)為核心的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)制造的融合，已經(jīng)貫穿整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈中。在這樣的形勢(shì)下，制造業(yè)從業(yè)者將從只擅長(zhǎng)單一門類的專業(yè)性人才，逐漸演變?yōu)槟軐⒍鄠€(gè)學(xué)科和專業(yè)融合在一起運(yùn)用的復(fù)合型人才。

2017年國(guó)家教委、人社部、工信部聯(lián)合印發(fā)了《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》，提到2015年十大制造行業(yè)總?cè)藬?shù)3206萬(wàn)，2025年需求6192萬(wàn)，人才缺口2986萬(wàn)。

“新工科”的持續(xù)升溫，正是反映了我國(guó)多年來(lái)在高端研發(fā)、高技能和創(chuàng)新工程實(shí)踐領(lǐng)域的人才短缺問題。與傳統(tǒng)工科相比，“新工科”更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。

定位于為國(guó)家傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的人才保障和智力支撐，“新工科”被賦予了實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的歷史使命。然而，我國(guó)高等工程教育仍存在大而不強(qiáng)的問題，包括理念、人才結(jié)構(gòu)、知識(shí)體系，以及培養(yǎng)模式等各個(gè)方面。加入了“華盛頓協(xié)議”，標(biāo)志著我國(guó)工程教育真正融入世界，也催促著我們必須瞄準(zhǔn)世界一流加快教育改革的步伐。

Reference：

[1]《中國(guó)工業(yè)評(píng)論》雜志2017年第11期

[2]《從大數(shù)據(jù)到智能制造》，李杰等， 上海交通大學(xué)出版社

[3] The National Academies of SCIENCES ENGINEERING MEDICINE[EB/OL].

[4] 新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)，鐘登華

附：美國(guó)21世紀(jì)CPS教育報(bào)告簡(jiǎn)介

來(lái)源 | 計(jì)算機(jī)教育（ID：jsjjyzz）

作者 | 言十

21世紀(jì)CPS教育報(bào)告 封面

編者按

當(dāng)前，在以航空、陸路、鐵路、海運(yùn)等運(yùn)載系統(tǒng)、醫(yī)療健康、制造和能源網(wǎng)絡(luò)等為代表的眾多行業(yè)中，產(chǎn)品、系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施的功能和價(jià)值提升日益依賴于CPS系統(tǒng)。CPS系統(tǒng)的發(fā)展，能夠催生出比人類更敏捷快速的通信和響應(yīng)系統(tǒng)，例如汽車自動(dòng)碰撞避免功能；或比人類更精確的系統(tǒng)，例如機(jī)器人外科手術(shù)；或能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大型系統(tǒng)更好的控制和協(xié)調(diào)，例如電網(wǎng)或交通控制；或能提升系統(tǒng)性能，例如建筑物的智能化；同時(shí)也使得許多科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步得以實(shí)現(xiàn)，例如捕獲天文瞬變現(xiàn)象的新一代天文望遠(yuǎn)鏡。CPS系統(tǒng)能夠比松散耦合、離散或手動(dòng)操作的系統(tǒng)提供更豐富的功能，包括效率、靈活性、自治性和可靠性，但CPS系統(tǒng)也會(huì)帶來(lái)與安全性、可靠性、互操作性等相關(guān)的新問題和挑戰(zhàn)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)院三家于2016年聯(lián)合發(fā)布了一份長(zhǎng)達(dá)107頁(yè)的“21世紀(jì)CPS教育報(bào)告”[1]（以下簡(jiǎn)稱“報(bào)告”）。該報(bào)告研究了CPS這一新興領(lǐng)域的知識(shí)內(nèi)容及其對(duì)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的影響，提出CPS是一個(gè)新興的學(xué)科的論斷，給出了CPS本科學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位的課程規(guī)劃，以及土木工程、機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)的課程改革方案。

CPS是英文“Cyber-physical systems”一詞的縮寫，最早由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“NSF”）的Helen Gill提出[2]。國(guó)內(nèi)目前多譯為“信息物理系統(tǒng)”，但難以確切表達(dá)原意。因此，本文以“CPS”代之。按照?qǐng)?bào)告的定義，CPS是由計(jì)算機(jī)算法和物理組件無(wú)縫集成所構(gòu)建的并依賴于這種無(wú)縫集成的工程系統(tǒng)。在這個(gè)定義中，“Cyber”指的是系統(tǒng)內(nèi)支持決策的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、軟件、算法、數(shù)據(jù)等，“Physical”不僅僅表示物理系統(tǒng)部分，例如汽車的機(jī)械和電氣部分，還包括與系統(tǒng)交互的實(shí)體世界，例如道路和行人。CPS與當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市以及機(jī)器人和系統(tǒng)工程等領(lǐng)域都密切相關(guān)。

本刊在此刊出言十系列文章，旨在為相關(guān)高校新專業(yè)的設(shè)置提供借鑒。

1、概 要

NSF在支持CPS研究10余年的基礎(chǔ)上，開始探索CPS的教育和培訓(xùn)要求。作為探索的一部分，NSF請(qǐng)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)院研究此課題，組織研討會(huì)。參加研討會(huì)的有包括麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、卡耐基梅隆大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、喬治亞理工學(xué)院在內(nèi)的多所世界著名大學(xué)，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(shù)等在內(nèi)的多家大公司。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)院3院共同合作成立的“21世紀(jì)CPS教育委員會(huì)”編制中期報(bào)告和最終報(bào)告，審查CPS的教育需求和教育內(nèi)容。

該報(bào)告研究了CPS這一新興領(lǐng)域的知識(shí)內(nèi)容及其對(duì)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的影響，更普及的工程教育未來(lái)，如何使學(xué)生克服障礙完成相應(yīng)的科學(xué)、技術(shù)和工程學(xué)位；研究了目前和將來(lái)的CPS教育需求，闡述了美國(guó)21世紀(jì)將有一批具有CPS專業(yè)人才的愿景；提出了發(fā)展師資力量、學(xué)科與專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，課程設(shè)置方案，核心的、跨領(lǐng)域的及特定領(lǐng)域的知識(shí)，與CPS相關(guān)的多個(gè)學(xué)科，以及如何促進(jìn)多學(xué)科的學(xué)習(xí)和工作，關(guān)注本科教育，同時(shí)考慮對(duì)研究生教育、從業(yè)人員培訓(xùn)和認(rèn)證、社區(qū)學(xué)院、中學(xué)基礎(chǔ)教育及非正式教育的影響；強(qiáng)調(diào)了CPS科學(xué)、工程和技術(shù)人員所需的技能以及考慮有關(guān)CPS概論課程的更廣泛需求。

除了“概要”一節(jié)，報(bào)告分為四個(gè)部分，第一部分探討了CPS教育的需要；第二部分強(qiáng)調(diào)了開發(fā)CPS的人員所需的基本知識(shí)和技能；第三部分提供了CPS教育中如何將這些基礎(chǔ)納入各種課程的范例；第四部分討論了如何開發(fā)并制度化課程體系。

報(bào)告的目錄見表1。

2、CPS人才需求及CPS學(xué)科與專業(yè)

報(bào)告系統(tǒng)描述了CPS人才需求的現(xiàn)狀與前景，提出CPS人才培養(yǎng)的多種方式與方案。

2.1 CPS人才需求與專業(yè)目標(biāo)

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，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)的從業(yè)人員隊(duì)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(shí)和技能的工程師。

來(lái)自汽車、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、航天以及大型工業(yè)集團(tuán)和CPS工程軟件工具供應(yīng)商等行業(yè)企業(yè)人士的報(bào)告表明，這些行業(yè)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(chǎn)品無(wú)法被研發(fā)出來(lái)。還有一些來(lái)自工業(yè)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(gè)工業(yè)界的普及，無(wú)論他們是否認(rèn)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(guī)的教育或培訓(xùn)。當(dāng)今世界已有非常多的系統(tǒng)依賴于CPS，因此必須把發(fā)展CPS學(xué)科及提供更專業(yè)的教育和培訓(xùn)放到優(yōu)先位置。

開發(fā)高效的CPS解決方案需要合理地組合工程師隊(duì)伍，包括設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的開發(fā)人員，以及部署和維護(hù)具有長(zhǎng)生命周期CPS解決方案的技術(shù)人員。工程項(xiàng)目本質(zhì)上就需要具備不同技能的專家進(jìn)行協(xié)作，CPS項(xiàng)目也是如此。

未來(lái)的CPS工程師隊(duì)伍應(yīng)包含以下幾類：

基礎(chǔ)領(lǐng)域工程師（如電氣和計(jì)算機(jī)工程、機(jī)械工程、系統(tǒng)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)）；

特定應(yīng)用領(lǐng)域工程師（如航空航天和土木工程）；

專注于跨領(lǐng)域的知識(shí)和技能的CPS工程師（即信息技術(shù)領(lǐng)域和運(yùn)行于物理世界的物理系統(tǒng)）。

對(duì)CPS人才的培養(yǎng)，報(bào)告提出7種模式：①將CPS融入K—12（美國(guó)的中學(xué)教育）基礎(chǔ)教育；②職業(yè)和社區(qū)學(xué)院項(xiàng)目；③將CPS融入工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的概論課程；④本科階段設(shè)置一門或多門CPS概論課程；⑤涵蓋CPS核心內(nèi)容的特定領(lǐng)域的學(xué)位項(xiàng)目；⑥本科級(jí)別CPS學(xué)位；⑦碩士級(jí)別CPS學(xué)位。

報(bào)告認(rèn)為CPS是一個(gè)新的學(xué)科，同時(shí)認(rèn)為已存在一個(gè)CPS工程師職業(yè)的人才大量需求，因此可以建一個(gè)新專業(yè)。

報(bào)告給了我們一個(gè)啟示，新專業(yè)設(shè)置有兩個(gè)基本前提：

（1）是否已成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。通過對(duì)CPS研究10年后，美國(guó)認(rèn)為CPS是一個(gè)新學(xué)科。

（2）是否有足夠多的職業(yè)需求，是考慮職業(yè)而不是產(chǎn)業(yè)或產(chǎn)品需求。一種職業(yè)就業(yè)不限于某個(gè)行業(yè)或產(chǎn)業(yè)。美國(guó)認(rèn)為CPS是一個(gè)新工程師職業(yè)，并沒有突出CPS是個(gè)產(chǎn)業(yè)。

基于以上兩個(gè)前提，所以美國(guó)認(rèn)為可開設(shè)本科與研究生CPS新專業(yè)。

2.2 CPS知識(shí)體系與能力要求

CPS是一個(gè)新興的學(xué)科。如何開發(fā)一個(gè)可驗(yàn)證的具有良好可靠性和安全性的大型系統(tǒng)所需要的理論、知識(shí)和技能，是這一學(xué)科的核心目標(biāo)。CPS包含嵌入式系統(tǒng)、軟件工程、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)工程等學(xué)科的組成部分，因此，這是個(gè)新興的交叉學(xué)科。把CPS定義為一個(gè)新的學(xué)科，國(guó)內(nèi)業(yè)界有不同的看法，本文不討論這一問題。報(bào)告提出CPS這一新專業(yè)，是在“CPS是一個(gè)新興的學(xué)科”這一前提下提出的，即經(jīng)歷了10余年的研究，業(yè)界已基本達(dá)成共識(shí)，再提出新專業(yè)的具體設(shè)計(jì)方案。

基于對(duì)現(xiàn)有課程、項(xiàng)目和教學(xué)材料的考察以及行業(yè)專家的意見，報(bào)告系統(tǒng)總結(jié)了作為CPS工程師所必需的知識(shí)體系和能力要求。

2.2.1 知識(shí)體系

1）CPS原理。

CPS將工程和物理世界的應(yīng)用、計(jì)算機(jī)工程學(xué)中的硬件、計(jì)算機(jī)科學(xué)中的信息世界三者聯(lián)結(jié)在一起。物理世界的基本原理包括物理學(xué)、數(shù)學(xué)建模、分析、算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并處理其相關(guān)的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)（信息）世界的原理涉及嵌入式計(jì)算和通信硬件系統(tǒng)、軟件編程及網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器是物理和信息世界之間關(guān)鍵的硬件橋梁，因此了解傳感器的特性、在現(xiàn)實(shí)世界中的行為以及對(duì)其產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理的技術(shù)非常重要?？刂评碚撌荂PS的重要基本原理，相關(guān)要素包括穩(wěn)定性、優(yōu)化以及如何控制分布式數(shù)字系統(tǒng)。

2）CPS專業(yè)的知識(shí)體系。

根據(jù)以上基本原理，報(bào)告確定了CPS專業(yè)的知識(shí)體系。

（1）基本計(jì)算概念，除了幾門入門編程課程之外，還包括嵌入式計(jì)算體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、自動(dòng)機(jī)理論、軟件工程等內(nèi)容。

（2）面向?qū)嶓w世界的計(jì)算，包括理解實(shí)體世界的性質(zhì)特性、實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)、能量及存儲(chǔ)等計(jì)算資源的約束。

（3）離散和連續(xù)數(shù)學(xué)，除微積分外，還有微分方程、概率和隨機(jī)過程、線性代數(shù)等。

（4）傳感、驅(qū)動(dòng)、控制、通信及計(jì)算的交叉應(yīng)用。這些應(yīng)用體現(xiàn)出物理—信息世界的交互在CPS中的核心地位，也反映了實(shí)時(shí)約束條件下對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)、傳感、信號(hào)處理及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制的重要性。

（5）控制、計(jì)算和通信融合的異構(gòu)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，重點(diǎn)在于不確定性和系統(tǒng)異構(gòu)性，包括線性和非線性模型、隨機(jī)模型、離散事件、混合模型等技術(shù)，以及基于優(yōu)化理論、概率論和動(dòng)態(tài)規(guī)劃的相關(guān)設(shè)計(jì)方法。

（6）CPS系統(tǒng)開發(fā)，尤其是安全關(guān)鍵系統(tǒng)、高可信系統(tǒng)和彈性系統(tǒng)的開發(fā)，需要具備“初始需求→測(cè)試→認(rèn)證→在線使用”整個(gè)產(chǎn)品生命周期的視角，包括形式化驗(yàn)證和檢驗(yàn)程序以及能夠適應(yīng)系統(tǒng)演化的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

（7）CPS系統(tǒng)特性，許多CPS系統(tǒng)是大型、復(fù)雜且安全關(guān)鍵的。成功地開發(fā)此類系統(tǒng)，需要掌握關(guān)于怎樣使系統(tǒng)具有以下特性的相關(guān)知識(shí)：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(wěn)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(gè)工程類專業(yè)所要求的能力以外，CPS專業(yè)還有補(bǔ)充的能力要求。

（1）工程系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的規(guī)模和復(fù)雜性，意味著工程師需要與多學(xué)科專家進(jìn)行越來(lái)越多的合作?！败洝奔寄堋鐪贤?、靈活性、團(tuán)隊(duì)合作及多學(xué)科合作能力，對(duì)CPS工程尤其重要，因?yàn)檫@項(xiàng)工作本質(zhì)上是跨學(xué)科的。

（2）科學(xué)和工程學(xué)知識(shí)的頻繁變化與更新，以及CPS相關(guān)新知識(shí)的快速出現(xiàn)，要求CPS課程和項(xiàng)目除了有具體的技術(shù)和方法外，還需要強(qiáng)調(diào)可持續(xù)性的學(xué)習(xí)和批判性的思維。

（3）與CPS相關(guān)的工程學(xué)教育的另一個(gè)趨勢(shì)是企業(yè)家精神的融入。為了在市場(chǎng)和業(yè)務(wù)壓力下取得成績(jī)，工程師們應(yīng)該具備企業(yè)家精神。對(duì)于畢業(yè)后不久從事創(chuàng)業(yè)的工程師來(lái)說(shuō)，創(chuàng)業(yè)教育能使他們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、原型設(shè)計(jì)、技術(shù)趨勢(shì)和市場(chǎng)分析等方面具有扎實(shí)的經(jīng)驗(yàn)。這些技能有助于他們?cè)谄鸩街蝎@得成功。

2.3 CPS專業(yè)的課程體系

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，報(bào)告給出CPS專業(yè)的學(xué)士學(xué)位（本科）模塊式課程計(jì)劃，見表2。

課程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通識(shí)教育與專業(yè)教育并重且邊界清楚。按照國(guó)內(nèi)課程劃分通常規(guī)則，通識(shí)教育部分（數(shù)學(xué)與自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)與人文學(xué)科，其中的微分方程、離散數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)，國(guó)內(nèi)一般算專業(yè)基礎(chǔ)課）約15門課程，專業(yè)教育25門課，即通識(shí)教育約為3/8，專業(yè)教育約為5/8。專業(yè)教育課程中有社會(huì)和職業(yè)倫理方面的課程，這很符合工程教育與專業(yè)認(rèn)證的要求。

課程門數(shù)少，4年共40門課程，沒有國(guó)內(nèi)大數(shù)量學(xué)分的“畢業(yè)設(shè)計(jì)”課程。美國(guó)的大學(xué)8個(gè)學(xué)期都開課，一般都是三學(xué)期制，每學(xué)期學(xué)生修課一般都超過4門，而國(guó)內(nèi)大學(xué)每學(xué)期學(xué)生修課一般都超過6門。

2.4 CPS專業(yè)的課程教學(xué)

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)在目前大學(xué)的工程課程中越來(lái)越多。CPS是交叉學(xué)科，涉及問題的復(fù)雜性強(qiáng)，因此特別適合基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，做中學(xué)，學(xué)中做。持續(xù)地針對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)是教學(xué)的關(guān)鍵。現(xiàn)行課程大綱的常見做法是包括課外作業(yè)、考試和項(xiàng)目。課程項(xiàng)目旨在通過融合課程中引入的多個(gè)概念和知識(shí)來(lái)解決具體的現(xiàn)實(shí)問題；而基于項(xiàng)目課程教學(xué)，學(xué)生要選擇真正的實(shí)際問題，在團(tuán)隊(duì)合作中為這些問題建立完整的典型的解決方案。學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)，通過現(xiàn)有的系統(tǒng)組件構(gòu)造新的系統(tǒng)，并學(xué)習(xí)將硬件與有效的軟件集成，以產(chǎn)生真實(shí)問題的解決方案。除課堂項(xiàng)目外，學(xué)生還通常需要完成高級(jí)課程項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)課程對(duì)CPS教育至關(guān)重要。

2.5 師資問題

開展面向本科生的與時(shí)俱進(jìn)的CPS教育，需要對(duì)這個(gè)新興交叉學(xué)科投入巨大的師資力量。CPS不僅跨學(xué)科，而且處在多學(xué)科的交叉點(diǎn)上。教授基礎(chǔ)性、專業(yè)性或基于工程的CPS課程的教師，需要對(duì)CPS所涉各種學(xué)科都有所了解。CPS教師不僅應(yīng)在CPS的某一方面有專長(zhǎng)，也應(yīng)有能力將他們的專長(zhǎng)與完整的CPS系統(tǒng)中其他方面的知識(shí)，以及特定領(lǐng)域的應(yīng)用需求這三者結(jié)合起來(lái)。

從長(zhǎng)期看來(lái)，理想的教師招聘將要求：①CPS學(xué)位或?qū)I(yè)畢業(yè)；②有從事CPS研究的經(jīng)歷；③有CPS技術(shù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人士。

工業(yè)界在發(fā)展CPS課程項(xiàng)目中的作用，同樣也發(fā)揮著重要作用。工業(yè)界可能扮演的角色包括：①鼓勵(lì)行業(yè)專家以客座講師、兼職和訪問教員等身份參與其中來(lái)支持CPS項(xiàng)目的發(fā)展；②提供關(guān)于CPS課程及課程體系設(shè)計(jì)的持續(xù)意見反饋，為學(xué)生在工業(yè)界實(shí)習(xí)和工作做準(zhǔn)備；③提供財(cái)務(wù)或?qū)嵨镏С?，用于開發(fā)課程材料、項(xiàng)目和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.6 CPS碩士學(xué)位課程

報(bào)告給出一個(gè)碩士學(xué)位課程計(jì)劃。課程分為所需的核心課程和選修課兩個(gè)模塊，還需要完成一個(gè)項(xiàng)目，這種項(xiàng)目要體現(xiàn)出設(shè)計(jì)一個(gè)能在現(xiàn)實(shí)世界中可靠工作的CPS系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。碩士學(xué)位課程模塊見表3。

3、“X+CPS”課程規(guī)劃

報(bào)告還提出將CPS融入一些傳統(tǒng)的本科工程專業(yè)的課程方案，相關(guān)的專業(yè)有土木工程、機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等，同時(shí)確保更符合工程教育專業(yè)認(rèn)證規(guī)范。CPS融入領(lǐng)域?qū)I(yè)課程的程度因?qū)W科而異。本科土木和機(jī)械工程課程要求學(xué)生在前兩年內(nèi)主要還是數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和基礎(chǔ)工程與科學(xué)課程。第3年主要是將學(xué)生引導(dǎo)到各自學(xué)科的具體專業(yè)領(lǐng)域，例如，在土木工程中，這些具體專業(yè)領(lǐng)域包括結(jié)構(gòu)、巖土工程、交通運(yùn)輸、環(huán)境、水文、水利和建筑工程；機(jī)械工程選修領(lǐng)域則包括機(jī)器人和控制、熱力學(xué)系統(tǒng)、制造和固體力學(xué)。在第4年，大多數(shù)學(xué)生通過選擇重點(diǎn)關(guān)注其中的一個(gè)選修領(lǐng)域，從而發(fā)展專業(yè)化，設(shè)計(jì)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(tǒng)的本科工程專業(yè)構(gòu)造出新的專業(yè)，我們將其形象地稱之為“X+CPS”課程計(jì)劃，其中的“+”是一種結(jié)合甚至是融合。

表4—表7報(bào)告提出了土木工程、機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)加CPS的課程計(jì)劃。

縱觀下述4個(gè)專業(yè)的課程計(jì)劃，從形式上看，是傳統(tǒng)專業(yè)加入了CPS，但其實(shí)質(zhì)對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，是“計(jì)算機(jī)+X”構(gòu)成新的計(jì)算機(jī)科學(xué)本科專業(yè)課程方案，對(duì)電氣工程、機(jī)械工程、土木工程而言，則是“X+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成新的工程專業(yè)，這只是專業(yè)內(nèi)涵的革新，沒有改變?cè)瓕I(yè)的學(xué)科和行業(yè)屬性，沒有改變工程教育專業(yè)認(rèn)證的基本要求。

4、結(jié) 語(yǔ)

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)院發(fā)表的“21世紀(jì)CPS教育報(bào)告”內(nèi)容豐富，在人才需求、學(xué)科與專業(yè)、人才培養(yǎng)計(jì)劃、課程與專業(yè)建設(shè)、師資隊(duì)伍建設(shè)、課程教學(xué)改革、行業(yè)參與方面，都有系統(tǒng)的論述，我們僅從教學(xué)的角度對(duì)其部分內(nèi)容進(jìn)行了概要的介紹，言十還將發(fā)表系列相關(guān)文章。有興趣的讀者可閱讀原文。CPS從概念的形成到成為學(xué)科，經(jīng)歷了10余年的時(shí)間。作為引領(lǐng)世界現(xiàn)代科技潮流的美國(guó)，把CPS提高到如此重要的地位，值得我們深度思考與認(rèn)真借鑒，特別是對(duì)國(guó)內(nèi)轟轟烈烈的新工科運(yùn)動(dòng)，是否也有參考意義？

（感謝湖南大學(xué)嵌入式計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李仁發(fā)教授CP研究團(tuán)隊(duì)提供的譯文草稿。）

參考文獻(xiàn)：

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