“互聯(lián)網(wǎng)+”學習場域下工程知識的有效建構(gòu)

陶 平，侯 宇

(武漢科技大學 機械學院，湖北 武漢 430081)

工程教育的主要目的就是培養(yǎng)學生能夠深入運用工程知識，分析和解決復雜工程問題的能力，因此工程知識的學習是工科學生的主要任務(wù)。教育部高等學校機械類專業(yè)教學指導委員會關(guān)于落實《中國制造2025》行動倡議中提出，促進機械工程教育與信息技術(shù)深度融合是教育改革發(fā)展的必然趨勢。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)教學模式層出不窮，知識的獲取方式發(fā)生了巨大變化。宋艷玲、趙興龍[1-2]從認知負荷視角，探究翻轉(zhuǎn)課堂中知識內(nèi)化的過程和機理，對翻轉(zhuǎn)課堂教學模式進行了設(shè)計；張務(wù)農(nóng)[3]采用關(guān)聯(lián)主義理論，對混合式學習認知工具進行了研究，認為該認知工具是一種建構(gòu)的、混合的、復雜的認知工具，其功能是促進深度學習；張苗[4]探討了“互聯(lián)網(wǎng)+”場域下大學生學習適應(yīng)能力提升路徑；王竹立[5]認為關(guān)聯(lián)主義和新建構(gòu)主義都是網(wǎng)絡(luò)時代的學習理論，提出了將兩者互相融合、共同指導網(wǎng)絡(luò)時代學習的基本思想；黃建鋒[6]探討了互聯(lián)網(wǎng)時代的碎片化學習內(nèi)涵及應(yīng)對措施，目前大家研究的熱點主要集中在網(wǎng)絡(luò)課堂的建設(shè)、混合式教學模式及教學方法方面。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步，工程教育的內(nèi)容、手段、方法等都發(fā)生巨大的變化，人們將更多地借助網(wǎng)絡(luò)資源獲取工程知識，因此，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的學習環(huán)境下，如何引導學生有效構(gòu)建自我個體的工程知識體系，探索工程知識建構(gòu)及工程能力培養(yǎng)的途徑，對促進工程教育的發(fā)展，具有重要的意義。

一、互聯(lián)網(wǎng)時代學習的特點

“互聯(lián)網(wǎng)+”學習環(huán)境下，教師和教科書不再是知識的唯一來源，工程知識的獲取途徑更加廣泛，學習資源豐富多樣。除了教材課本、課堂教學外，還有豐富的網(wǎng)上教學如“愛課程網(wǎng)”、 慕課(MOOC )平臺等，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為知識的重要來源；教學模式也從單一的課堂教學轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上線下相結(jié)合的混合式學習模式，翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC在線課程、在線虛擬學習社區(qū)等互聯(lián)網(wǎng)教學模式為學習帶來顛覆式的革命；“互聯(lián)網(wǎng)+”場域下大學學習生態(tài)的嬗變表現(xiàn)為學習時空的自由無界、學習資源的優(yōu)化配整、學習模式的私人定制[4]。

互聯(lián)網(wǎng)時代，學生在工程知識的學習和建構(gòu)方面也面臨著新的問題，主要表現(xiàn)在：學習呈現(xiàn)很強的碎片化學習特點，如何突破知識碎片化，建構(gòu)完整、系統(tǒng)的工程知識體系；面對豐富的教學資源和網(wǎng)上海量的信息，如何優(yōu)化資源，提高學習效果；學習時空的自由無界，學生主動構(gòu)建工程知識體系的能力有待提高。教師的主要作用不再是如何傳授知識，而是如何有效幫助學生去主動獲取、處理、重構(gòu)知識，幫助學生有效建構(gòu)個體的工程知識體系。

二、突破知識的碎片化，實現(xiàn)工程知識的整合與重構(gòu)

工程知識是人們經(jīng)過長期的工程實踐而總結(jié)出來的關(guān)于工程原理與規(guī)律、技能和能力等方面的知識[7]。在傳統(tǒng)工程教育中，學生主要通過課堂教學和教材系統(tǒng)學習工程知識。“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，學生隨時、隨地都可以通過慕課、微課程等網(wǎng)絡(luò)課堂進行學習，突破了時間和空間的限制，是一種碎片化的學習過程，“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的學習呈現(xiàn)很強的碎片化學習特點，這種碎片化學習導致了嚴重的知識碎片化；知識的碎片化嚴重影響著學生的學習效果，阻礙了學生對知識的有效建構(gòu)。新建構(gòu)主義理論[8]認為，面對知識碎片化，應(yīng)采取“零存整取”式學習策略，對知識碎片進行加工處理，實現(xiàn)意義建構(gòu)。在這個知識建構(gòu)過程中，教師的主要職能將由傳統(tǒng)的知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生學習的引導者，即引導學生對這些知識碎片進行整合與重構(gòu)，幫助學生構(gòu)建個性化的工程知識體系，實現(xiàn)意義建構(gòu)。

要突破知識碎片化，必須進行知識重構(gòu)，通過翻轉(zhuǎn)課堂和翻轉(zhuǎn)學習等教學形式幫助學生進行知識內(nèi)化和重構(gòu)，將這些零散的工程知識復原到原有的知識體系，形成系統(tǒng)化的認知，完成工程知識的內(nèi)化和重構(gòu)。在翻轉(zhuǎn)課堂教學中，首先要求學生以工程問題為導向，采用網(wǎng)上教學視頻進行課前自學，學習有關(guān)的工程知識，根據(jù)問題尋找答案；課堂教學中，以工程案例分析為主線，進行討論、交流、合作、答疑，通過對工程問題的解決來評價學生對工程知識的掌握情況；并且課后不斷強化工程項目訓練，促使工程知識的整合和意義建構(gòu)。通過“問題引導-自主學習-相互交流-問題解決-應(yīng)用提高”的流程幫助學生多次內(nèi)化知識，形成不斷完善的知識概念和體系，將割裂的碎片化知識按其在學科知識體系上的位置進行復原，復原到知識被碎片化之前的原有知識圖譜中。

如圖1所示，“互聯(lián)網(wǎng)+”場域下學生通過各種智能移動終端，突破時空約束，采取自主探究與合作學習相結(jié)合，充分利用豐富的網(wǎng)上學習資源來學習工程知識。這種學習是一種典型的非正式學習方式，呈現(xiàn)很強的知識碎片化特點，教師要通過翻轉(zhuǎn)課堂和翻轉(zhuǎn)學習引導學生對知識進行匯集、過濾、歸納、反饋，最終內(nèi)化知識，逐步構(gòu)建工程知識體系。

圖1 知識的整合與重構(gòu)

三、以工程問題為導引，優(yōu)化整合網(wǎng)絡(luò)教學資源，促進工程知識建構(gòu)

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，知識的建構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。關(guān)聯(lián)主義學習理論[9]認為網(wǎng)絡(luò)時代的學習是一種將不同專業(yè)節(jié)點或信息源連接起來的過程，這種關(guān)聯(lián)不僅指不同領(lǐng)域、理念和概念之間的聯(lián)系，也指不同節(jié)點和信息源之間的連接。要促進知識的建構(gòu)，必須優(yōu)化教學流程，整合教學資源，圍繞學生的學習活動創(chuàng)設(shè)有利于知識建構(gòu)和探究問題的資源環(huán)境與運行機制，引導學生有效利用網(wǎng)絡(luò)資源進行知識建構(gòu)。

互聯(lián)網(wǎng)+”學習環(huán)境下，學生可以借助各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工具和互聯(lián)網(wǎng)上豐富的學習資源來學習工程知識。當前網(wǎng)絡(luò)教學平臺層出不窮，“學堂在線”“中國大學慕課”“好大學在線”“網(wǎng)易公開課”等各類慕課平臺相繼產(chǎn)生，慕課(MOOC)以短視頻的課程形態(tài)，采用化整為零的方式，將整個課程分解為多個微課程，通過視頻資料、動畫、PPT 等媒體手段對多個相對獨立的知識點進行介紹。慕課創(chuàng)新了一種互聯(lián)互通的教學服務(wù)模式，將學習變成與同伴、與知識網(wǎng)絡(luò)的相互聯(lián)結(jié)，通過同伴互助學習模式完成學習過程[10-11]。“私播課”(SPOC)即小規(guī)模限制性在線課程將慕課與傳統(tǒng)課堂有機結(jié)合，繼承了慕課網(wǎng)絡(luò)在線學習的創(chuàng)新特征，又在學習方法上引入翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，對教學流程進行了再造和重構(gòu)。要促使學生充分利用網(wǎng)絡(luò)教學資源來學習工程知識，就必須以工程問題為導引，課前給學生拋出一些工程問題，驅(qū)動學生去思考，激發(fā)學生的學習熱情，引導學生在課前積極主動去網(wǎng)上課堂進行自主學習，同時在SPOC中發(fā)布課程學習基本要求及考核評價標準，為學生提供合適的微課資源、優(yōu)質(zhì)的慕課資源、工程設(shè)計案例、工程機械動畫資源庫等，學生通過SPOC進入線上學習平臺，進行線上學習和討論，完成作業(yè)和考核。在整個學習過程中，教師要實時監(jiān)督學生的學習過程，及時網(wǎng)上答疑解惑，評測學生的學習效果；針對共性問題采用線下翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，對重點和難點問題進行深度解析，促進工程知識的內(nèi)化，通過工程案例教學、項目教學、基于工程問題的教學來促進工程知識建構(gòu)。

工程知識本身具有學科綜合、專業(yè)綜合、科學與技術(shù)綜合的特點以及與工程背景緊密關(guān)聯(lián)的屬性，它屬于非良性領(lǐng)域的復雜知識。工程知識的學習目的是為了解決工程問題，要實現(xiàn)工程知識的有效建構(gòu)，培養(yǎng)學生工程能力，就要在學習中不斷關(guān)聯(lián)工程背景和工程問題，基于工程問題的需求來學習相關(guān)的知識。利用計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立工程問題庫，通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)將這些工程問題切入網(wǎng)上課堂教學中，由工程問題驅(qū)使學生去學習有關(guān)的工程知識。例如在機械設(shè)計知識學習中，涉及大量機械工程專業(yè)的工程知識，如各類機械零部件的設(shè)計準則、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計方法等。如果僅僅就這些知識點的字面意思來學習，是一種陌生、枯燥、抽象的感覺，可以將知識的學習用相關(guān)的工程問題引入，例：散裝物料(如糖、鹽等)如何包裝成袋、包裝機械如何運動和工作、洗衣機的工作原理、由哪些機構(gòu)組成、各機構(gòu)由哪些構(gòu)件組成、各構(gòu)件之間如何連接、有哪些運動副、洗衣機中有哪些機械零部件、各零部件的作用、如何保證洗衣機的工作能力等，通過問題引出有關(guān)的工程知識點，學生從問題出發(fā)，通過網(wǎng)上教學資源，觀看各種機械的工作視頻，促進學生對知識點的理解和內(nèi)化。

SPOC的學習呈現(xiàn)為線上與線下有機結(jié)合的混合式學習模式，混合式學習認知工具研究[3]認為混合式學習的目是促進深度學習而非作為信息通道，其認知過程是一種建構(gòu)的、混合的、復雜的認知過程。混合式學習不僅要關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上各學科知識，更重要是借助于網(wǎng)上豐富的教學資源對這些知識進行深加工。工程教育中，學生對工程知識的學習就是一個對各專業(yè)知識點和工程背景不斷關(guān)聯(lián)和建構(gòu)的過程。要實現(xiàn)工程知識的深度建構(gòu)，必須將自身認知工具與外部智能輔助認知設(shè)備充分利用，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能設(shè)備，創(chuàng)設(shè)豐富多樣的學習環(huán)境和學習體驗。如利用網(wǎng)上大量的工程案例和工程項目視頻，可幫助學生了解工程知識的應(yīng)用，“我愛發(fā)明”“創(chuàng)客“等網(wǎng)絡(luò)節(jié)目，激發(fā)工程創(chuàng)意和學習熱情，工程仿真平臺、VR工程體驗、混合工程現(xiàn)實體驗平臺等虛擬現(xiàn)實教學實現(xiàn)交互式和浸入式學習和工程體驗，網(wǎng)絡(luò)、仿真系統(tǒng)、未來的智能系統(tǒng)都給以學生提供很好的非正式學習手段。通過線上與線下學習資源的優(yōu)化配整，促進工程知識的深度建構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”工程知識建構(gòu)

四、工程問題驅(qū)動下的探究式學習，培養(yǎng)自主學習能力

網(wǎng)絡(luò)學習時代，由于學習時空的自由無界，失去了傳統(tǒng)課堂和教師管束的有力約束，自控能力弱的學生往往學習能力下降。要提高學生的自主學習能力和學習興趣，采取基于信息化環(huán)境的、強調(diào)以工程問題為中心的探究式學習。

探究式學習是基于問題、案例和項目的一類學習方式，其學習的核心理念是：注重從問題開始，使學生在學習學科知識、專業(yè)原理和在思考、分析和探究問題的過程中獲取、應(yīng)用和更新知識，在探究問題的過程中培養(yǎng)和訓練發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題的能力[12]。工程問題意識是工程知識學習的動力，工科學生在專業(yè)學習中應(yīng)置于工程問題空間，以解決工程問題為導向，不斷去學習和關(guān)聯(lián)各學科工程知識，通過培養(yǎng)學生的問題意識，在解決問題的過程中，逐步構(gòu)建工程知識體系，培養(yǎng)工程能力。

“互聯(lián)網(wǎng)+”學習環(huán)境下，工程知識的獲取途徑更加廣泛，學習資源除了教材課本、課堂教學外，還有豐富的網(wǎng)上教學資源，網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境(小組討論、課程群、工程設(shè)計群、校企結(jié)合的虛擬社區(qū))成為學習工程知識及解決工程問題的主要平臺。

在工程問題設(shè)計時，工程問題類型和復雜難易程度必須與教學目標相匹配，以真實的工程案例及工程背景，激發(fā)學生的關(guān)注度和探究熱情；現(xiàn)代計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為工程問題的情景模擬提供了技術(shù)手段，將工程問題模擬成物理情境、仿真模型、視頻情境、多媒體演示等多種情景，形成工程問題庫，以網(wǎng)絡(luò)教學資源的形式切入網(wǎng)上教學課堂中，通過網(wǎng)上教學平臺來進行探究式學習。

探究式學習通過自主學習和合作學習的有機結(jié)合來完成主要學習內(nèi)容，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境和條件為學生的自主學習和合作學習提供了形式多樣的教學活動。教學活動方面主要包括有學生網(wǎng)上自學、教師課上課下指導、小組討論、學生展示、課外實踐等活動，可積極采取各種互聯(lián)網(wǎng)教學模式來開展學習，幫助學生易化知識難點，進行知識之間的連通與重構(gòu)，實現(xiàn)知識內(nèi)化，在建構(gòu)工程知識過程中培養(yǎng)分析解決工程實際問題的能力。合作學習是解決工程問題不可缺的學習方式，學生通過線下和線上討論與交流相結(jié)合，不僅僅限于小組討論和課堂交流等傳統(tǒng)合作學習形式，還能充分利用網(wǎng)上的課程群、學科群、工程設(shè)計群，網(wǎng)上虛擬社區(qū)等交流平臺，充分利用社會資源，采取多方之間合作學習，將知識學習與研究問題相結(jié)合，促使學生主動建構(gòu)知識，在思考、分析和探究工程問題的過程中逐步獲取、應(yīng)用工程知識，從而促進自身工程知識體系的建構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境打破了傳統(tǒng)學習在時空上的局限性，提供了自由、開放的學習空間和豐富的學習資源，學習交流更加直接、便利和快捷，學習資源的使用效率得到提高。在網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境中，學生借助于各種搜索工具，可以檢索到各工程專業(yè)信息資源，如課程課件、視頻、文獻及相關(guān)的慕課課程、專業(yè)工具書、工程設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范標準、產(chǎn)品設(shè)計方案等。教師要積極引導學生如何去搜索合適的信息資源，有助于學生從這些資源中獲益。

“互聯(lián)網(wǎng)+” 時代信息技術(shù)的發(fā)展，推動著工程教育不斷改革和創(chuàng)新，教學的手段、教學內(nèi)容及教學模式都會發(fā)生極大的變化。互聯(lián)網(wǎng)將學習的領(lǐng)域進行了無限延伸，教學內(nèi)容呈現(xiàn)出不確定性，對學生的學習能力和教師的教學水平提出了更高要求。面對網(wǎng)絡(luò)上豐富的教學資源，教師要幫助學生合理有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，引導學生去積極主動獲取、處理、重構(gòu)知識，建構(gòu)起學生個體的工程知識體系。逐步培養(yǎng)工程分析與設(shè)計能力。