三層系統架構支撐的線上線下混合式金工教育模式

孫春雨 李 佼

（清華大學基礎工業訓練中心 北京 100084）

一、現今金工教育背景

最近十年以來，以移動互聯、云計算和大數據為代表的新技術和新科技呈現加速發展的態勢，但教育行業對信息技術和科技成果的應用大都停留在介質和工具層面。在這個信息爆炸的社會氛圍干擾下，傳統課程講授的格式化、同學們的學習意愿以及效果總是不如人意。突發公共衛生事件對傳統的現場金工實習教育模式帶來的巨大的沖擊，由于部分學生無法進入學校現場實習，傳統的現場實習教育模式明顯無法滿足教學需求。因此我們必須要在互聯網金工實習的教育模式與教育方法上做出努力與探索。為滿足線上與線下雙重實習需求，我們探索出一套相對完善的教育模式。

二、改革的目的與意義

金工實習課是我國工科類院校最為重要的技術基礎課程之一，也是學生通過工程實踐來學習和了解制造技術和過程的重要途徑。學校希望通過此課程讓學生能夠靈活地構建學科理論與實踐科學間的知識體系，達到綜合價值塑造、能力培養和知識傳授“三位一體”的教學培養目標。

本文通過介紹課程案例，以此說明由三層系統架構支撐的線上、線下混合式金工教育模式與現有教育體制相結合的可行性，解決“金工實習線上、線下相結合的教學模式怎么做”的問題。接著用金工實習課的組織開展作為實例，解釋其工作機理。分析此教育模式在一般教學課程中實行的門檻，以及課程開展過程中可能遇到的問題。最后，本文將闡述金工實習課教育模式的未來展望。

三、教學系統架構與先決條件

在課程開展之前必須搭建一個足夠穩定且相對安全的課程系統架構，包括知識架構、組織架構和技術架構，其中技術架構的設計、組織和實施方式關系到相關學習理論的具體實現。因為本課程需要滿足線下線上混合式教學與全球化分布式教學，所以我們必須要確保技術架構可以同時承載不同環境體系下的知識特征的順利涌現[1]。同時，可以全面、系統地記錄學習者的學習過程數據，以便依據此數據進行個性化教育、開展其他教學活動和實施教育管理。

課程知識架構是課程的核心，也是學生學習行為發生的關鍵影響因素之一。所以課程開展之前我們必須要保證知識架構的可行性和必要性。并對知識內容進行篩選與精煉，以確保線上全球化分布教學所投遞的知識的準確性和易消化性。所以在課程中我們應該建立一個機制，以保證知識的及時投放和被消化。

圖1 課程系統架構

課程組織架構是驅動學生完成學習產出的機制，首先我們采用基于學習產出的教育模式，規制學生的思維聚焦在學習產品上，保證學習成果的順利產出。因為金工實習是全校選修課，所以本課程必須在群體學習和分布式學習的角度出發，讓學生在教師的幫助下體驗金工實習的知識與技能在真實情境下的應用。

課程技術架構是保證線上線下雙重教學的關鍵，技術架構有四部分組成，專業的實習指導教師、開源的知識記錄平臺、互聯網和軟件仿真工具。仿真軟件可以讓學生在網絡體驗機床操作，互聯網軟件可以全球化的直播教學，這樣才能讓學生在網絡中體驗金工實習的操作過程，實現全球化分布式網絡教學。開源的知識記錄平臺不光可以記錄學生的學習行為數據，還可以記錄教師的教學輸入數據。這樣學生可以在課后反復觀看與復制教師的教學行為，這樣教師就可以省出時間針對重點難點進行講解與答疑。

四、教學案例分析

本次課程主要以清華大學金工實習車工教學為基礎。本次金工實習課程的主題是制作國際象棋棋子，本著嚴格工序的教學理念，普車數車相結合粗精分明。學生先分析棋子的加工工藝，制作工藝流程表。然后利用粗車削毛坯，利用數車進行棋子加工。在這個過程中學生可以學習到普車與數車的相關操作技能與經驗。同時通過清華云盤、wiki或Github等信息記錄工具進行過程數據統計與版本控制，這樣學生也可以通過這些過程數據自學和反復的信息迭代。

（一）課程準備

因為本次課程的學生人數遠超現場教學的最大容量，且是線上線下同時教學。所以為了保證教學任務的順利開展，在教學活動開展之前我們必須設定出一個可以保證順利涌現的課程產出，以及準備好相應的完備的協同平臺和教學軟硬件工具。之后指導教師要反復測試課程產出的可行性，并確定出一份行之有效的課程任務安排，也就是課程表[2]。

課程開展前：由課程教師把本次課程所用的線上仿真軟件、信息記錄協同平臺賬戶信息和遠程協同軟件安裝文件等軟件，以U盤的形式打包發送給每個同學并保證其安裝好測試安全。這種“拿來主義”可以削弱學生對本次課程的排斥性和盡早融入課程氛圍。同時教師提前把課程輸入文件放到信息記錄協同平臺中，方便學生提前查看與預習。

課程開展中：指導教師會分為兩部分，一部分教師通過騰訊會議和仿真軟件進行教學講解。另一部分教師現場指導學生機床操作與視頻演示。讓教學在各種技術架構支撐下從傳統的線下教學轉變成全球化分布式教學工作流。

課程開展后：通過清華云盤、wiki或Github等信息記錄管理工具記錄的學習過程數據，統計分析本次課程的完成度和教學效果是否達到預期的教學目標。然后對之后教學環節和下次的教學安排進行微調，從而保證本次的教學任務順利完成，學習成果完整展現。

（二）課程輸入

1.課程知識輸入

課程開展之前，教師需要把課程所需的參考文件輸入到清華云盤、wiki或githab等信息記錄管理工具。保證學生在課程開展時可以隨時查閱相關的課程數據。相關資料包括：

表1 參考資料表

2.課程教師輸入

教師作為課程內容的生產者，是課程順利開展的決定性因素之一。但由于課程是線上線下混合式教學，學生人數遠高于課程最大承載量且教師人數有限，所以課程開展之前必須把教師進行分組、分工管理。

主講教師：主講教師是課程組織者，負責協調實驗室資源和把控課程進度。

指導教師：指導教師分為兩部分，一部分負責線上，利用騰訊會議和雨課堂與線上同學溝通，講解仿真軟件的操作。另一部分負責線下，在真實的實驗室環境下開展教學，并為線上同學直播相關技術知識。方便線上同學把真實與仿真相結合，構建出相對完整的正確的知識體系。

協同教師：協同教師負責處理網絡教學中的問題解答、幫助學生處理教學中的突發狀況，比如軟件問題、名詞解釋、遠程協助。同時協助指導教師錄制教學視頻，并及時發布到信息協同管理平臺，方便學生復習查看。

技術專家：技術專家建議由專業的軟件工程師擔任，主要工作是解決仿真軟件技術故障，幫助學生更好地運用仿真軟件。

3.課程工具輸入

課程工具屬于課程的技術架構，是課程開展的先決條件。本次課程用到的工具可以分為三個層面，信息協同、數據管理記錄和金工實習實操。信息協同主要有雨課堂、騰訊會議、向日葵遠程協助和微信等工具，主要用來協助教師學生溝通與完成授課。數據管理記錄則利用EV錄屏、清華云盤、wiki和GitHub等工具，制作、記錄和傳遞知識信息和過程數據。因為本課程是實操型課程，所以工具的輸入還要包括機床、物料和宇龍仿真軟件等實操工具。只有在這些工具的支撐下，才能保證學生體驗到相對真實與完備的金工實習過程。

（三）時間管理與成果輸出

在課程開展之初，我們就必須要把包括學習任務內容、時間安排、交付成果要求和計分標準的課程表呈現給學生。這樣可以有效地幫助學生聚焦到課程，抵消學生對課程的抵觸情緒，保證學習行為的發生與學習成果的產出。課程大體可以分為五個階段：

課程概論：因為金工實習是機械操作類課程，所以在課程概論中我們要著重講解課程的安全注意事項。另外概論課的時間不宜過長，不然會分散學生的注意力也會影響教學的進程，拖延學生學習成果的產出時間與質量。

程序與操作講解：這一部分是課程的主體，為了保證課程內容可以被學生完整地消化，我們堅持“20分鐘原則”。因為部分同學是網絡教學，我們無法保證學生的注意力與對學習內容的消化。所以我們把課程內容分為幾個20分鐘的模塊化教學，這樣可以保證學生的注意力不會分散。

現場操作直播：負責現場教學的協同教師，直播講解機床結構和操作方式。這樣有助于學生能把仿真軟件與現場機床對應結合，有助于學生理解機床的操作方法。

學習任務發布：學習任務要經過反復測試，保證其可被操作與完成。發布任務的同時要發布任務節點，并嚴格按照任務時間節點執行。此時后臺協同教師要隨時跟進學生的任務完成進度。一方面方便隨時解答學生的疑問，另一方面符合“跟蹤大于激勵”的原則。無形中給學生添加壓力，保證學習成果的順利涌現。

收羅成果：學生嚴格按照任務節點上傳學習產品。協同教師查看學習成果的完整性，并給出相應分數。

（四）信息管理

在本次教學中我們主要用到的信息管理工具有清華云盤、wiki和仿真軟件自帶的學習數據記錄工具。清華云盤和wiki平臺用來投放教學所需的知識信息，以及記錄學生學習過程的版本數據。仿真軟件可以記錄學生的學習時間，方便教師查看和跟蹤學生的學習進度與狀況。教師可以通過這些平臺對學生的學習進度、學習資料、過程數據和學習產出進行管理和分析。同時也可以從學生、教師等多個視角對教學內容提出優化方案，方便下一次課程的開展。

五、問題與展望

本人從線上線下混合式金工實習教學的組織方案與發展情況分析，對在此類課程中可能存在的一些問題和建議闡述如下：

網絡服務：網絡服務屬于課程的實體架構，網絡速度和容量這些硬件構架對課程的規制是我們不可忽略的重要外在因素，教學環境會潛移默化地影響或觸發學生的學習動機。尤其是線上線下混合式教學，網絡速度和容量對課程的影響是致命的。所以課程開展之前我們必須反復測試課程網絡的容量，保證課程開展中不會出現外在的物理因素影響教學的情況出現[3]。

技術架構的搭建：在軟件的選擇上要兼顧易學和功能完整兩個方面，在保證網絡上的學生可以真實且完整的體驗金工實習的同時，還要注意軟件的易操作性。學生可以用很短的時間學會軟件操作，保證后續的學習任務能夠順利完成。

六、結束語

本次清華大學線上線下混合式金工實習教學的開展，是金工實習網絡化教學的一次探索。本次課程的教學與學習數據，可以為以后的金工實習網絡化教學提供真實的數據支持。希望此次線上線下混合式金工實習教育模式的相關系統模型，能為金工教育行業提供一種可供選擇的工程教育方案。