新工科項目沉浸與競賽驅動的混合式教學模式

黃玉坤，吳方君，吁超華，劉喜平，狄國強

（江西財經大學信息管理學院，江西南昌 330032）

0 引言

2017 年，為應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，主動服務國家創新驅動發展和“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略實施，加快工程教育改革創新，教育部發布了《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》［1］，全國范圍內開始了新工科高等教育的專業人才培養和專業建設的探究和改革。

計算機專業人才培養面臨新的挑戰，相對于傳統的工科人才，未來新經濟和產業需要的是具備突出的實踐應用能力、國際競爭力和創新能力的高水平復合型人才［2］。面對新機遇、新挑戰，以目標產出為導向的教育理念，已成為新工科人才培養的主流方向，為計算機科學與技術、數據管理與分析等專業的人才培養提供了新理念、新思路［3］。

以培養創新型工程科技人才為目標產出導向，新工科專業課程的教學改革必須探索解決以下問題：①采用什么樣的創新教育模式達成新工科課程的教學目標和教學要求？②建立怎樣的面向產出導向的教學內容和知識體系？③改革哪些教學環節、教學方法、教學手段實現創新教育模式？④建立什么樣的教學環境和教學平臺以支撐創新教育模式的有效運行？⑤如何對學生的學習產出和課程的教學成效進行考核和評價？

為了探索以上5 個問題的答案，在大數據管理技術、數據挖掘、財經數據分析和C 語言與程序設計等課程中探索構建了沉浸式項目教學、學科競賽驅動與現代創新教育模式相融合的混合式教學模式。

1 相關研究

新工科類專業強調培養具有多學科交叉能力的復合型人才，特別強調培養以下3 方面的能力：①理論知識學習能力；②專業技術實踐能力；③解決具體問題的應用能力。因此，理論與技術、技術與應用相結合是新工科人才培養的必由之路，然而國內高校計算機和數據科學等專業的課程教學大多偏理論知識傳授，學生缺少實踐經驗、遠離應用，實踐應用能力亟待提高。

目前，基于CDIO 工程教育模式和面向項目式的教學方式被廣泛應用于計算機和數據科學等新工科課程教學，典型的有CDIO（CDIO 代表構思Conceive、設計Design、實現Implement 和運作Operate）工程教育模式［4-5］和面向項目、基于問題的PBL（Project-Based Learning）學習方式［6］，旨在以完整的工程項目研發和應用為載體，將傳統的課程教學與企業工程項目緊密結合，讓學生以主動的、實踐的方式掌握專業知識與技能，并通過實際項目鍛煉學生的思維能力和實踐能力。文獻［7］基于有效教學結構和一體化教學，建立“CDIO+BOPPPS”的教學框架，改革了專業課程線上線下教學模式；文獻［8］提出一種基于項目驅動的C 程序設計混合教學模式，并設計了將項目驅動模式引入翻轉課堂教學的具體實施方案；文獻［9］將建構主義學習理論有效地應用于理論和實踐教學，通過項目實施推動教學進程，提倡“以項目為主線，以教師為引導，以學生為中心”的思想；文獻［10］以數據分析類課程教學為背景，介紹復旦大學大數據分析課程的項目沉浸式教學內容、過程和成功經驗。

混合式教學不僅僅是將傳統教學和網絡數字化教學相結合，混合式教學還包含與翻轉課堂、項目驅動、過程管理等教學理念的融合。蘇州大學引入了“多元化培養”理念，構建了課程嵌入式培養、科研訓練培養、科技創新競賽培養、企業微項目培養和混合式工程項目培養在內的5 種人才培養模式［11］。江西理工大學針對計算機類專業學生實踐創新能力培養存在的實踐內容不夠豐富、途徑少等問題，構建基于“三對接”的一體多元協同人才培養體系，通過企業論壇、課程置換、專業工作室、計算機軟件能力認證等舉措，學生在就業質量、學科競賽等方面取得了較好的成效［12］。在利用學科競賽以賽促學方面，武漢大學計算機學院結合計算機類專業人才培養目標，將學科競賽納入教學環節，構建教學、實踐、競賽一體化教學體系［13］。福州大學數學與計算機科學學院提出融合“問題驅動、線上線下、課賽結合、過程評價”四位一體的實驗教學新模式［2］。

各高校結合自己的辦學理念和教學背景，基于以上教學理論和教學模式開展了各具特色的教學實踐。然而，將以上教學理論和教學模式切合實際地結合到自己的專業人才培養過程中，還存在很多問題，主要體現在以下方面：①如何建設教學內容和教學資源以便開展線上線下混合式教學模式？②在混合式教學模式中如何設置教學內容、教學課時、教學環節和教學環境，以達成新工科人才培養的教學目標和培養要求？③如何將項目式教學和學科競賽促學融入混合式教學環節，以達成新工科專業課程教學的能力產出要求？④如何設置全方位、全流程的課程考核方案，為教師提供教學反思和持續改進的依據，為學生提供學習過程管理和學習成效考核的方法手段？

針對以上問題，江西財經大學信息管理學院的教學改革實踐在以下5 個方面進行了改革創新：①面向新工科人才培養的教學理念創新：以“能力產出為導向”引入“項目沉浸式”教學模式，提出了項目沉浸與競賽挑戰雙引擎驅動的教學理念；②教學環境和資源體系創新：從“理論—實踐”、“線上—線下”和“校內—校外”3 個角度構建了全方位、多平臺、多融合的教學環境和資源體系；③課堂教學方法創新：創造性地提出了“理論探究+項目沉浸”雙鏈翻轉課堂教學方法；④教學環節創新：構建了“5 環節+X 學時探究與實踐”的線上線下混合式教學過程；⑤教學質量管理和教學考核方式創新：提出了以“產出為導向”“教學反思+持續改進”為原則的全過程、多維度的教學質量管理和教學考核方式。

2 基于項目沉浸與競賽驅動的混合式教學模式創新

將線上優質課程與線下課堂相結合的混合式教學不能很好地滿足以產出為導向的新工科人才培養的課程教學要求。必須緊緊圍繞理論教學與實踐教學兩條主線，從課程教學內容體系、教學模式、教學環節、教學方法和手段、教學環境和平臺、教學考核等方面進行全方位改革。

從課堂教學改革開始，將傳統的線下課程與優質線上課程、教學資源、教學平臺、綜合實踐項目、校外學科競賽進行優化融合，針對不同的教學內容和教學目標，充分利用線上線下教學平臺組織教學，強調教學環節和活動設計，以學生為中心，引導學生進行充分的自主學習。

任課教師在融合了項目沉浸與競賽驅動的線上線下混合式教學模式下，進行教學環節和活動創新。針對不同的教學內容和教學目標，合理設置教學環節、教學形式和手段，逐步融入慕課私課、翻轉課堂、探究式教學法、項目沉浸式教學法、競賽驅動、線上線下混合式教學等教學方法和模式。

圖1 是經過近幾年實踐逐漸形成的一套行之有效的面向新工科人才培養的項目沉浸式教學和學科競賽與線上線下混合式教學模式相融合的創新教育模式。

2.1 面向產出導向的教學內容與知識體系

國內高校專業課教學多偏重理論知識傳授，往往理論知識教學資源很豐富，但缺少實踐教學資源和實驗環境。學生的動手能力、分析與解決實際問題的能力以及創新能力還有很大提升空間。因此，按照培養目標對學生知識、能力和素質的要求，對教學大綱進行修訂，對教學內容和知識點進行重新組織、提煉和裁剪，增加實戰項目資源，為新工科課程教學提供一體化的理論+實踐教學知識體系。以大數據管理技術課程為例設計的教學內容組織與資源體系如圖2 所示。

在理論教學方面，通過網絡教學平臺提供多類型、多層次的教學資源，通過提供精品課程、共享課等優質教學資源，解決教學資源單一匱乏的局限性。在教學內容的組織上，在設置基礎實驗和綜合性項目沉浸任務時，教師必須遵循“理論知識與實踐項目相結合、實踐項目與工程技術能力相結合”的三位一體課程內容融合原則，精心設置教學內容和實踐任務的主題和目標。

實踐教學方面，通過本校自建、企業合作、產學研合作、學科競賽等渠道，自主設計或引入接近企業實際和經典應用場景的項目與數據，通過在線學習、原理驗證、實訓應用、綜合分析及自主設計等多層次的課程實驗與項目案例，滿足項目沉浸式教學資源需求。學生在這樣的教學內容和資源體系中能夠較好地將專業課程要求掌握的各知識和各項技能融會貫通。

Fig.1 Online and offline hybrid teaching mode driven by project immersion and competition圖1 融合項目沉浸與競賽驅動的線上線下混合式教學模式

Fig.2 Teaching content organization and teaching resource system圖2 教學內容組織與資源體系

傳統課堂實驗教學過程中往往缺乏競爭和激勵，為了進一步激發學生學習的積極性，促進師生之間的學習與交流，開拓學生的學術視野，鼓勵專業課教師組織學生參加各類學科競賽，并將學科競賽作為課程教學中的一個重要環節，通過競賽獎勵機制激勵教師和學生的積極性。學生通過解決競賽中與社會需求更貼近的復雜工程問題，將多門課程的理論知識融會貫通、學以致用，夯實了學生的知識和技能基礎。

2.2 “理論探究+項目沉浸”教學方法改革

教學方法改革是達成新工科人才培養的最有效途徑之一。采取多種措施，開展教學方法改革，推動基于問題、基于案例、基于項目的學習等多種探究性和項目式教學方法實踐，逐步形成了“理論探究+項目沉浸”的雙鏈翻轉課堂教學方法。

根據教學內容和教學要求的不同，教師開展不同形式的翻轉課堂。針對理論知識教學，開展探究式翻轉課堂。通過探究知識難點疑點，引導學生按正確的問題解決思路進行討論，加深學生對問題的理解和對知識的掌握。在教學過程中，教師按照問題導入、知識講解、重點難點討論、頭腦風暴、問題總結和展望等步驟開展理論探究式翻轉課堂。

針對解決復雜工程問題的能力培養，開展項目沉浸式翻轉課堂。通過團隊合作、師生互動，推動項目沉浸式教學過程，側重培養學生問題分析能力、工程技術能力、寫作表達與交流能力、工程管理和項目合作能力。在教學過程中，教師按照項目導入、需求分析、頭腦風暴、方案設計、原型驗證等步驟開展項目沉浸式翻轉課堂。

這種雙鏈式翻轉課堂通過知識點進行連接形成課程專有的知識與能力基因序列。

2.3 “5 個環節+X 學時探究與實踐”的教學環節改革

傳統“2 節理論+2 節實驗”課堂教學模式無法適應新工科人才培養和項目沉浸式教學要求。解決“如何實現真正將項目沉浸式教學和學科競賽融入課程教學過程中”這一問題是成功的關鍵。從教學環節的角度，對線上線下混合式教學模式進行階段劃分，開展“5 個環節+X 學時探究與實踐”的線上線下混合式教學環節，如圖3 所示。

在教學課時和環節設置上，將項目沉浸式教學實施過程分為5 個主要階段：項目發布與預熱、項目分析與啟動、項目設計與開發、項目評估與優化、項目總結與分享，與理論教學過程、線上線下資源相結合，交叉分配到“5+X”的教學環節中。合理安排各階段的教學形式、安排適當的教學活動，明確配置每個階段的教學主題、教學目標以及可利用的相關線上/線下教學資源。

在教學形式上，強調教學活動設計，以學生為中心，明確每個階段師生角色的行為與作用，引導學生進行充分的自主學習。學生以小組為單位進行分組，注重學生之間的協作能力和交流意識，使學生盡快適應實踐項目的不同角色并理解其職責任務。嘗試將設計思維應用到教學中，鼓勵學生多視角、多因素思考問題涉及范疇，深入理解用戶意圖和需求。

Fig.3 Online and offline hybrid teaching segments of“5+X exploration and practice”圖3 “5 個環節+X 學時探究與實踐”的線上線下混合式教學環節

2.4 “全方位+多平臺”教學環境與教學平臺建設

在教學環境和教學平臺方面，依托學校網絡教學平臺、學習通、中國大學MOOC、雨課堂、騰訊會議等多個線上教學平臺，通過豐富的課程資源與教學實訓平臺，以多種方式開展線上線下教學，推動項目沉浸式混合式教學過程實施。購置專業虛擬實驗室和虛擬項目實訓平臺，軟硬件環境為項目沉浸式教學提供基礎設施和保障，保證各新工科專業課程教學和科研的順利實施。

2.5 “教學反思+持續改進”的課程考核與教學評價改革

在教學質量管理和教學考核方式改革方面，提出以“產出為導向”，“教學反思+持續改進”為原則的全過程、多維度的教學質量管理和教學考核方式，如圖4 所示。

Fig.4 Curriculum assessment and teaching evaluation system圖4 課程考核與教學評價體系

以持續改進為教學理念，利用超星、慕課堂等網絡教學平臺開展全過程、多維度的教學質量管理，制定多維度的考核方式和考核標準，收集和監控學生學習行為數據，根據數據進行教學反思，持續改進教學過程，提高教學質量。

在課程開展過程中收集學生的學習行為數據和學習模式。將項目實驗實訓課程建立項目單元、細分任務，學生以任務關卡、交互式的模式完成項目沉浸式學習過程，增加教學引導和互動、循序漸進。通過線上教學平臺跟蹤每個學生每個實驗任務進度完成情況，并進行指導和錯誤糾偏。對學生實驗操作步驟進行智能分析并完成統計報告，為教師提供教學實驗指導，并針對學生學習情況進行分析和評判，對各種類型的學生進行相應的教學干預。同時，讓學生在學習過程中充分了解這些考核方式和標準，通過各類考核指標數據讓學生及時了解自己和他人的學習狀態。

3 實踐成效

項目沉浸/競賽激勵雙驅動的混合式教學模式實踐，能夠適應新時代發展需要和新工科人才培養要求，強化學科交叉和復雜工程實踐能力培養。通過“內容創新、教法創新、考核創新”培養既具有堅實基礎理論和系統專業知識，又具有全面的工程實踐能力和創新能力的應用型、復合型高層次工程技術人才。教學改革與實踐取得明顯成效，體現如下：

其一，建設了多樣性的教學環境和多渠道、多類型、全方位的教學資源，教學資源逐漸豐富，課件、視頻、錄音、實驗文檔、案例文檔齊全。幫助教師將更多時間與精力投入到教學效果提升的其它環節中，提高了教學效率和教學質量，學生也在優質課程中受益。

其二，近年來，大數據管理技術、數據挖掘、財經數據分析和C 語言程序設計基礎等課程在部分教學單元和項目實踐環節中開展了理論探究式翻轉課堂和項目沉浸式翻轉課堂。將“知識輸出”向“能力導向”轉變，帶給學生新的教學理念，改變了學生的學習和實踐模式，使學生學習成效和學習積極性明顯提高。教學效果得到學生的普遍認可，近3 年來學生課程評價均在90 分以上。

其三，參加全國性學科競賽，提高了學生的實踐能力和解決復雜工程問題的自信心，專業技術應用能力得到明顯提升，學科競賽結碩果。近3 年來，學生參加大數據類和計算機類學科競賽的人次逐年增長，獲獎級別也逐年進步，多次獲得全國性學科競賽獎勵一、二、三等獎。

其四，為畢業生的畢業論文和畢業設計提供了有力的支撐，利用課程所學知識以及在課程學習過程中培養出來的技術能力和綜合素質，使學生有能力開展高階性、復雜性、挑戰性的本科畢業設計。

其五，沉浸式項目教學、學科競賽驅動與現代創新教育模式相融合的混合式教學模式已在江西財經大學多門大數據和計算機類專業課程中得到應用，并持續改進，已成為一個比較成熟有效的混合式教學模式，以期為以教學產出為導向的新工科專業課程教學改革提供參考經驗和實施方案。

4 結語

開展創新教學改革實踐，目的是努力建設讓學生滿意、用人單位滿意的有特色、有成效、可推廣、有影響的線上線下混合式優質課程。雖然已經取得一定的教學成績，也在現階段積累了成功經驗，然而仍然有一些問題有待繼續思考和改進：①大數據和計算機類課程技術性強，課程內容需要與時俱進，如何協調技術發展與課程內容的關系；②項目沉浸式教學與線上線下混合式教學的融合度有待提升；③對學生學習行為數據的收集和分析工作量較大，教師的引導和干預不夠及時。

針對以上問題，擬采用的改進措施是：①跟蹤大數據理論和技術發展前沿，持續更新教學內容，進一步完善課程知識體系和實踐教學體系，提供優質教學資源；②動態調整沉浸項目與理論教學單元的銜接關系和進度安排，進一步提升項目沉浸式教學與混合式教學的融合度；③利用大數據技術和線上教學平臺收集和分析學生學習行為數據，制定數據采集和分析計劃，完善學生學習行為管理和課程考核體系，充分激發學生自我學習、自我管理、自我提高的主觀能動性，師生合作，共同持續改進教學質量。