基于創新實踐能力培養的精準分層教學

王永雄 丁德瑞 宋燕 張孫杰

摘要：創新實踐能力培養是當今高等教育的重要目標，特別是機器人、人工智能等跨多專業的新工科的快速發展，對現有的教學和培養模式提出了更高的要求。精準教學是面向知識教學的精準、系統的評估方法。該文借助精準教學的精準評估策略和良好的教學效果，結合傳統集中式高效的授課方式，將精準教學與傳統的集中教學模式實現無縫對接，提出了“分組+階段+模塊”的分層精準教學模式，“分組”進行廣度上的專業基礎知識教學，“階段”進行深度上的知識學習，“模塊”實施功能導向式的培養。同時差異化分組策略可以激發學生的競爭意識，提升學習興趣，有助于形成良好的學習和研究氛圍，從而提高學生的解決問題和創新實踐能力。

關鍵詞：精準教學；創新實踐；分層教學；教學模式

創新實踐能力培養是當今大學理工科教育的重要目標，現階段我國高校創新能力培養仍舊存在諸多問題，傳統的教育模式主要是注重知識本身的傳授，而缺乏知識的融會貫通、靈活運用，使得知識與實踐之間存在巨大的鴻溝，“填鴨式”的教學方式難以滿足需求；再者，傳統教育很少考慮學生的個體差異，這在很大程度上限制了學生的自主思維意識和獨立創新精神。特別是新興工科專業急需大量的人才，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等，這些方向涉及了多個專業知識，知識更新換代快，要求學生具備較高的創新實踐和學習能力，這些人才的培養都需要新理念的指引和新培養模式的支撐。

創新實踐可以理解為：首先掌握足夠廣度和深度的學科知識和實踐經驗，比如學習最新的技術和算法，然后發揮個人的創造性思維，產生新的技術、方法或成果。真正有價值的創造大多是長期學習和思考的結果，是建立在深厚的知識積累之上的。創新實踐的條件是：站在巨人肩膀上用自己的頭腦思考。因此，創新人才或創造性人才的培養應該以增強知識基礎為前提，通過在實踐中長期的、深入的思考形成創造性的思維和成果。

20世紀60年代奧格登·林斯利（Ogden Lindsley）率先提出了精準教學的概念，作為一種精準、系統的評估方法，相關專家學者指出：精準教學是精準的評估方法與其他教學策略的有機結合，借助精準教學的評估手段，精準評估各種教學方法的優劣，找出問題并加以改進，例如各種競賽指導、翻轉課堂等。國內外研究表明，精準教學可以補救學生知識和技能缺陷。從國外實例中反映了精準教學在數學、閱讀教學等表現出了強大的生命力，可以大幅提高指導和課堂教學的效果和效率。

從本質上講創新實踐能力培養就是要“因材施教”，根據學生知識結構和能力高低，制定相應的教學策略和選用合適的教學內容和材料，這一點與精準教學的特點相吻合。精準教學特定適合小班級差異化的教學、小團隊創新性的項目研發。通過學生的自主適應和團隊的互動討論的方式，充分發揮雙方的促進作用，并借助反饋數據精準評估學生意愿、需求和學習效果等，才能到達較滿意的效果。從創新的特點和形成的過程來看，必須掌握足夠廣度和深度的專業知識、學習和實踐思維方法，而精準教學能夠精準地找出學生知識和能力的不足和問題，針對性地提高和完善學生的知識水平和實踐能力。

本文意在借助精準教學的系統、精準的評估策略和高效的教學效果，針對性地實施個性化的創新實踐能力培養，結合傳統集中式高效的授課方式，提出了“分組+階段+模塊”的精準分層教學模式，“分組”進行廣度上的專業基礎知識教學，“階段”進行深度上的知識學習，“模塊”實施功能導向式的培養，幫助學生整理分析問題、發掘問題和解決問題的思路，從而提高學生的解決問題和創新實踐能力。

一、針對創新實踐能力培養的精準分層教學必要性和可行性

目前，絕大多數高校都將創新實踐能力作為學生培養的主要目標之一。創新實踐的教學和培養，不僅要進行基本知識、專業知識和技能實踐的培訓，而且要提高學生的分析問題、解決問題的能力，是綜合能力、創新能力和創新意識的培養。在現有培養機制中，很多高校采用學科競賽方式來促進創新實踐的培訓，是個可行且很好的方式，但是在現有的培養過程中，往往每個老師各自為政，參與的學生人數和涉及面比較小，缺乏高效的教學培養組織方式，特別是對于基礎較差的學生來說，往往難以取得理想的教學效果，甚至影響到日常的課程學習。因此，要求創新實踐的教學和培養具有系統性、可操作性和可評估性，要求具有較好針對性和高效性，同時要求學生有較大的自主和興趣參與到學習和實踐中。

對創新實踐的教學和指導大多數是采用傳統的方法，很少高校有系統的指導和評估方法，學生的學習狀態也沒有太多的改進。雖然傳統模式在知識點的講授上是高效的，但是滿堂灌式的傳統教學模式對創新實踐的培養存在很多問題：重知識的傳授和獲取，輕知識的加工和問題的思考，理論傳授與實際應用脫節，對學生的專業實踐能力訓練不夠；存在興趣型過少、自主型過少、問題型過少等諸多問題，而且很少考慮學生個體的知識結構、興趣和特長等差異。在不同程度上抑制學生的學習興趣，不利于學生的自主思維意識和獨立創新精神的培養。基于前期知識的認識，針對自身特長，學習者可自主確定自己的研究方向，并選擇自己在項目團隊中角色。老師引導學生進行個性化發展，針對每個學生的狀況，指導教師因材施教，制定符合組別、個體的綜合培養方案，達到“因材施教”“精準培養”的目的。

本文中提出的分層精準教學模式分為精準的教學目標確定、教學實施、評估分析和反饋改進環節，形成一個遞進的高效循環過程。圖1表示了一個知識點或者小模塊知識的精準教學框架，可以認為是一個小循環。首先根據學生水平和實際情況，設定精準的教學目標；其次，通過選擇相應的教學策略和教材等，實施分層分組的教學和學習；最后，借助數據挖掘和機器學習技術，進行精準的教學質量、效果等評估，發現學生學習中的各種問題，也找出教師在教學過程中的不足，同時也反饋學生個體的建議和情感。根據評估反饋數據，改善后續教學目標，找到精準教學所需要針對的問題，如果有必要，可以按照學生個體的能力和興趣重新調整分組或分班，調整和改進下一階段的教學目標和教學策略、內容等。這個循環遞進過程就是為不同層次的學生提供精準的個性化指導和服務，最終實現高效的教學，因此精準的分層教學是完全有必要和可行的。

目前精準教學并沒有得到充分的利用，除了學校的運行機制外，主要原因是精準教育是個系統工程，工程量巨大，沒有現成教學材料和工具，沒有簡單易用的方法。就拿教學評估環節來說，它是精準教學的一個重要部分或者環節，根據評估反饋數據能夠找到教學中的問題，改善教學和學生學習中不足，但這個過程復雜、工作量很大。然而，隨著信息技術的發展，尤其是移動網絡技術和機器學習的高速發展和普及，可以通過信息技術替代過去人工用筆記錄學生的表現和問題等，人為分析、找出問題等，使得精準教育中的評估環節能夠變得快捷且有效，采用微信公眾平臺設計了一個簡潔可行的教學評價系統，再加上各種實踐類創新活動與學科競賽的廣泛開展，積累了大量的教學經驗，使得精準教學成為創新實踐培養的首選教學方法。祝智庭等人設計了信息技術支持的精準教學，通過合理的人機分工，綜合兩方面的優勢，使得精準教學的效果更佳。

二、集中授課和精準教學相結合的靈活分層精準教學體系與構建

創新實踐培養重在培養學生的專業實踐能力和創新思維能力，不但要求掌握基本專業知識，而且還要通過實踐方式靈活運用、融會貫通。精準教學的目的是快速找出教學問題和學生的知識缺陷，使教師及時調整教學策略和針對性指導，從而獲得更高效的學習效果。每個學生的水平、興趣和知識結構不同，有些學生基礎知識不足，有些學生動手能力缺乏，而創新實踐的教學和培養是個系統性的工程，涉及的面非常廣，需要區別對待，因此為了提高教學效率，傳統的集中授課和精準教學的結合，我們采用“分組+階段+模塊”的分層精準教學模式，如圖2所示。

整個教學體系分為三層：第一、通過學生和教學評價，摸清學生知識點的掌握情況、能力、興趣愛好，打破原有入學年限的班級制，按照實際能力和實踐需求的分班原則，進行靈活機動的分組，精準確定每組的學習目標、學習策略和教材，對各個班組進行集中授課和訓練。借助傳統教學高效的集中授課，完成廣度上的基礎知識教學；第二、為了充分利用有限的教學資源和指導時間，參考實踐培養中的“慧魚模型”和階梯式教學模式。“慧魚模型”是一種實踐培養方法，誕生于德國，是通過機械、電氣、控制器、傳感器及軟件等模塊組成的系統，模擬工業生產和大型設備的操作，涵蓋了電子信息、機械原理、氣動原理、控制技術、汽車制造和機器人等多個領域，可以真實展現控制過程、機械以及科學原理。目前IBM、寶馬、西門子等一大批世界著名公司均采用慧魚模型來論證生產流水線。第三、功能導向式綜合創新能力培養，遵循實踐設計的解決思維過程，使用一套功能導向式培養方式，幫助學生從項目的功能出發分析問題、發掘問題和解決問題。

整個教學體系中，每組每個模塊都包含了三個主要環節：水平精準測試和精準教學目標確定、分階段分模塊教學設計、基于數據分析的精準定位、教學評價和問題查找等。

（一）水平精準測試和精準教學目標樹確定

在學生“分組”時：首先對學生進行精準測試評估，根據學生的水平、興趣和項目類型等進行分組，各組之間可以根據實際需要靈活分拆和組合，在學習模式上采用“階段+模塊”的培養模式，把學習內容進行分解和組合，對每個階段和每個模塊分別設計教學目標、任務和學習材料資源等，為各個組設計精準的教學目標，每組都采用集中教學方式，因此可以認為是一種精準教學與傳統教學模式相結合。

精準教學目標確定是精準教學的一個重要環節，也是與教學評估、問題自查相對應。首先經過教師團隊對知識或技能目標的層層梳理后，按照學生掌握知識或技能內化過程來設置精準教學的目標和問題。由于知識和技能的關聯性和復雜性，精準教學的目標設計可以是由多個子目標組合起來的一顆目標樹，最上層的是根目標。圖3示例了一個第一階段的復雜的機電一體化模塊教學目標樹。

教學目標樹的建立需要根據知識或技能的內容具體細化子目標，并有可執行性，同時每個目標可以對應幾個知識點或問題，建立與目標樹對應的節點配套的試題庫，用于測試評估學生的掌握情況。特別是對于實踐類的知識或技能，精準教學不僅要講授關聯知識和技能，還要引導學生完成實踐活動的教學，與具體的、細化的問題具有很大的關聯性。因此，要求精準目標能夠針對知識點或實現某個功能，引導學生從簡單的模仿到有自己的想法思路，甚至創新思維，可以高質量地完成一個實踐學習，從而提高教學效果和教學效率。

目標樹同時也是問題自查和數據挖掘的主要依據。子目標對應的具體知識點和具體問題可以用于發現學生的掌握情況，驗證教學的實際效果，其過程類似于傳統教學的階段測試。在評估過程中，對教學周期教學評估測試，尋找短板知識或欠缺的技能，貫徹到下一步教學設計和實施中，從而避免自由散漫，提高教學的有效性和針對性。

（二）基于創新實踐的分階段分模塊教學設計

在創新實踐環節，應該遵循認識事物發展的固有規律，由淺入深、由簡到繁、由個別學習到綜合應用，因此“分組+階段+模塊”培養模式是個不錯的選擇。“階段”是按創新實踐培養分為基礎知識和培訓階段、實踐提高階段、綜合創新實踐等三個階段；在基礎階段中，著重培養學生的基礎知識和專業理論知識，和傳統的教學的不同在于首先需要根據學生的水平等級進行分組；在理論和實踐提高階段，加深專業理論知識，并與實踐相結合，針對實際項目或問題設計實踐方案，逐步培養學生發現問題、解決問題的能力；在創新設計階段，鍛煉學生在各種創新課程設計、創新實踐設計和各種創新比賽中發現的問題、解決問題，并提煉為理論知識。整個教學設計如圖4所示。

在每個階段中，將各個知識和技能“模塊化”中，即在三個不同的學習階段分為多個學習模塊。例如，在基礎知識和培訓階段，根據機器人創新設計和競賽的基本知識和技能，分為控制理論基礎知識模塊、機械設計知識模塊、傳感器模塊、電氣電路模塊及上、下位機軟件編程模塊等。在實踐提高階段，實現獨立的功能模塊設計，例如，在移動機器人項目中的一個實際問題“實現機器人運動加速度的精確測量”，這個問題涉及了多個知識點，可以分解為多個問題和目標：（1）“傳感器加速度測量的選擇”；（2）“如何精確測量”，其中包含對各種傳感器的了解和選型，測量的精度、標定、校對和誤差分析處理等多個概念和步驟。實際中首先選擇合適的傳感器，然后可能需要完成傳感器的標定和校對，測量之后，對測量數據進行分析和處理。

在綜合創新實踐階段：圍繞的實踐項目的關鍵技術，例如機器人項目的核心模塊開發、改進和研究，通過把畢業設計、創新實踐項目及創新性比賽作為載體，進一步培養學生的創新思維，鍛煉學生的實踐創新能力。

為了能夠達到精準教學目標，需要建構與精準目標相應的學習教材、資源庫和測試庫等，以便教學過程中，準確地推送對應的學習、訓練和測試資料，將傳統教材加上各種其他材料，例如PPT、電子書、在線視頻、3D仿真、程序源碼、在線論壇和題庫等多種類型，擴展為“知識點學習材料”“實踐練習材料”“綜合創新實踐材料”為一體的系統學習訓練庫。

（三）基于數據分析的精準定位、教學評價和問題查找

傳統的教學策略是在預定的課堂內完成對某個知識點或技能的學習，下一時刻將必須進入到下個知識點，而且往往不管學生是否已經掌握了這個知識點或技能，因此，對部分學生來說，無法高效地利用時間和有限資源。學生的最清楚原則和每日表現測量是精準教學的兩大基本原則，是教學評價的主要依據。精準教學與傳統教學方法不同的是需要準確地判斷學生對知識點的掌握情況、對技能的使用情況和教學的實際效果等，從而可以有針對性地選擇適當的教學資料，采用恰當的教學手段，講授特定的教學內容，因此，教學評估和學生知識體系缺陷的評估是精準教育的基礎環節，也是和傳統教育方法的主要區別之一。只有通過教學評價，才能清晰直觀地了解學生的學習情況，發現教學過程中的問題，并以評價結果為依據改善教學。

在傳統的教學方法中要做到上述的精準定位和精準決策是很困難的。然而，隨著信息技術的發展，尤其是移動互聯網技術、智能手機的大量使用，獲取數據變得方便，教師可隨時了解學習進展和效果，快速實現問題的精準查找和定位，通過機器學習等先進信息技術處理收集的數據和分析算法，及時反饋教學效果和狀態，發現學生的困難和瓶頸，為最終的精準決策提供依據。

當學習較難的知識點時，及時發現問題，掌握學習效果，反復練習直到解決問題；當發現學生對知識學習的動力和興趣不大時，其原因可能是趣味性差或者學生自身的注意力不集中。若某一知識點的多次出現學習效果不佳，從側面說明老師講解不透徹、不到位，從而幫助教師查找問題，重新設計教學材料和策略。例如，當學生在綜合測試題目中的正確率低于某一標準（如60%）時，要求學生重新回到原模塊的學習，直到通過相應模塊的測試題目。總之，監控數據可以確定教學內容、發現教學策略最佳調整和教學干預時機等。現在，微信不但能夠解決師生、生生之間交流、協作不足的問題，而且通過其擴展功能，例如訂閱號、微信小程序，都能夠為學生日常的教育和學習提供了一個良好的學習平臺、數據的收集和評價的平臺。例如設計“閑時教育”的微信公眾號，包含“課件”“布置任務”“知識點介紹”三個功能模塊，“布置任務”的菜單下有“每日一測”“作品評價”和“評價量表”。此系統功能簡單，通過適當的功能擴展，可以開發出適合精準教學的多維度的在線學習、評價系統。

三、靈活的分層分組實施策略

現有各高校陸續開設了各種各樣的創新創業類課程。根據多數高校的情況，第一層和第二層的大部分課程和知識點可以分配到日常的教學和現有的創新創業類課程中。例如，上海理工大學除了各類專業課以外，還為電子信息類專業開設了多種創新創業類課程：C語言程序設計與實踐、單片機應用與電子競賽實訓、機器人創新設計、工程制圖競賽、移動互聯網和人工智能創新設計、數學建模競賽與實訓、創新思維訓練、網絡工程技術與應用、汽車電子技術、虛擬桌面運維等。在很大程度上，學生日常的教學完成了大部分第一階段和部分第二階段的學習，因此，可以和現有的教學體系實現了無縫對接。

在每個階段中，通過學生知識體系缺陷測評，查找出學生和技能不足，針對性進行知識教學和技能訓練，讓學生快速完善知識體系和技能。實施的流程是：按模塊分組學習（測試通過）→下一模塊學習（整組模塊測試通過）→下一階段（按項目分組），形成一個遞進的循環學習過程，逐步提升和完善學生的知識結構、實踐動手和創新能力。綜合創新實踐是現有高校的培養方案中比較欠缺，也是最困難的環節。另外，我們指定相應的研究生參與指導本科生，協助困難問題解決。采用差異化的分組策略有助于形成同組之間的協同氛圍和組別之間的競爭機制。

目前，各種各樣的學科競賽、創新項目種類多，始終貫穿大學教育，因此將競賽內容有機地融入精準教學的綜合創新實踐，已經有了較好的基礎。現有的成功經驗大多是借力于各種學科比賽和創新實踐項目。從我們實施效果來看，將精準教學與各種競賽、創新創業項目以及畢業設計的結合，分組之間的差異，可以激發學生的競爭意識，提升學習興趣，有助于形成良好的學習和研究氛圍。在同組學生之間的相互討論和協助下，絕大多數學生能夠較快地進入項目或研究課題，提高學生分析問題和解決問題的能力，從而提高學生的解決問題和創新實踐能力。

我們成功的做法是以畢業設計、創新實踐項目及創新性較強的課程設計為載體，例如全國電子設計大賽、挑戰杯、全國機器人大賽等，利用學校比賽經費、儀器設備等資源，針對各種比賽項目進行創新實踐能力的培養，取得了較好成績。近3年，我們學院和團隊獲得全國各類學科競賽和創新設計比賽中取得了優秀成績，全國性一等獎20多項、二等獎40多項，特別是在今年的中國研究生電子設計競賽一等獎3項，2015年的本科生全國電子設計大賽全國一等獎5項，并且有多項學生設計作品成功轉化為產品，有效地促進了學生實踐能力和創新能力的培養。

四、結語

基于精準教學的精準評估、學生知識體系缺陷評價、靈活的分層分組的實施策略，結合傳統集中式高效的授課方式，提出了一套有章可循、行之有效的精準教學模式，通過“分組+階段+模塊”的方式助力創新實踐能力培養。分組的差異可以激發學生的競爭意識，提升學習興趣，有助于形成良好的學習和研究氛圍。通過評價學習效果，發現個體和總體的教學問題，為后續教學提供更精準的目標和方法，經過多次循環和提升，為學生提供精準的指導和服務，為實現創新實踐能力培養提出了一個可行的教學模式。