新工科背景下檢測類課程“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”改革實踐

沈非凡，鄭家琪，馬佳星，陳 楊

（1.浙大寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100；2.寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315300）

在過去十年中，智慧教學(xué)策略被廣泛用于高等教育課程改革中，以提高課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量[1]。在現(xiàn)代高校課堂教學(xué)環(huán)境中，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進步，智慧教室的推廣應(yīng)用，以及智能設(shè)備（如智能手機、平板電腦）的普及，大學(xué)生能夠從智慧教學(xué)中獲得更多的信息來源。通過互聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)和智能設(shè)備的使用，可以將教材、課件、其他課程資源整合在一起，為學(xué)生提供便捷的可獲取課程關(guān)鍵信息的信息化途徑[2]。當(dāng)前，智能設(shè)備上的教育教學(xué)類應(yīng)用越來越豐富，足以滿足基于智慧教學(xué)的高等教育課堂教學(xué)需求。

近年來，高等教育領(lǐng)域的學(xué)者們提出了一系列面向智慧教學(xué)改革和應(yīng)用的課堂教學(xué)研究工作[3-5]。然而，大多數(shù)的相關(guān)研究只是將智慧教學(xué)作為傳播知識的載體，以取代傳統(tǒng)的教科書。因此，與傳統(tǒng)的閱讀紙質(zhì)材料方式相比，學(xué)生可能花費更多的時間專注于智能設(shè)備本身的使用，而獲得的知識有限。事實上，智慧教學(xué)能夠承擔(dān)更加復(fù)雜的課堂教學(xué)任務(wù)。例如，智能設(shè)備的交互功能常常被忽視，使用者往往認(rèn)為過多地利用智慧教學(xué)進行交流會分散學(xué)生的注意力，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率降低。此外，當(dāng)前智慧教學(xué)的知識主體仍是理論知識為主，而缺乏工程實踐相關(guān)知識的承載和傳播。在本文的教學(xué)改革和實踐中，設(shè)計了一種改進的新工科背景下“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”智慧教學(xué)框架，提升高等教育課題中智慧教學(xué)效率和質(zhì)量。通過對傳統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”的深入探索和改進，并進一步挖掘互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能設(shè)備的教學(xué)潛力，協(xié)助大學(xué)生以更高的效率利用智慧學(xué)習(xí)策略和設(shè)備進行課堂學(xué)習(xí)，進一步提升師生交流互動的頻率，以及學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。為了驗證提出的教學(xué)改革方法的有效性，在現(xiàn)代檢測技術(shù)與儀表等檢測類課程中進行了實踐。

本文的其余部分內(nèi)容如下：首先介紹研究相關(guān)的背景和基本概念，以及改革課程的基本情況；隨后，詳細闡述了基于“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”的智慧教學(xué)改革內(nèi)容和框架；接著，在現(xiàn)代檢測技術(shù)與儀表課程中進行了改革內(nèi)容的初步實踐，評估所提出框架的有效性；最后是本文的結(jié)論。

一 背景介紹

（一）基本情況

從人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，培養(yǎng)面向新興產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用型人才成為了國內(nèi)應(yīng)用型高等院校的一項重要任務(wù)。從2017 年起，“新工科”的理念被提出并不斷地被完善。從國內(nèi)高校新工科專業(yè)和教學(xué)改革情況來看，對于新工科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)主要可分為兩條路線：一條路線是全新的新工科專業(yè)的開設(shè)與課程體系的發(fā)展，例如開設(shè)工業(yè)智能、人工智能、智能制造工程等新興專業(yè)，并形成了以人工智能理論和技術(shù)為核心的課程體系；另一條路線是對傳統(tǒng)工科專業(yè)的改造與升級，例如針對傳統(tǒng)的機械類、土木工程類、電子信息與電氣工程專業(yè)的改進[6]。

課程建設(shè)是專業(yè)建設(shè)的根本，也是人才培養(yǎng)的基石。其中，檢測類課程是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，是電子信息與電氣工程類專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)理論知識。因此，做好檢測類課程的改革與建設(shè)對于專業(yè)建設(shè)有著重要的意義，是新工科背景下培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才的重要基礎(chǔ)[7-8]。現(xiàn)代檢測技術(shù)與儀表課程作為典型，其主要內(nèi)容包含測量系統(tǒng)與傳感器、誤差理論基礎(chǔ)、傳感器概述、測量電路及應(yīng)用、各類電參數(shù)傳感器的原理及應(yīng)用以及檢測系統(tǒng)設(shè)計初步。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握檢測的基本理論與儀表技術(shù)的基本常識，各種傳感器的工作原理、特性及測量電路的特點，常用參數(shù)的檢測方法，測量系統(tǒng)設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)儀表的基礎(chǔ)知識。從而能正確選擇與設(shè)計測控系統(tǒng)中的檢測傳感器、測量電路、變送器及傳輸線路的能力。

（二）傳統(tǒng)的智慧教學(xué)模式

智慧教學(xué)，是指依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、無線通信等新一代信息技術(shù)打造的物聯(lián)化、智能化、感知化、泛在化的教育信息生態(tài)系統(tǒng)。以教育信息化促進教育現(xiàn)代化，用信息技術(shù)改變傳統(tǒng)模式。當(dāng)前，高校的課堂教學(xué)過程中，智慧教學(xué)已發(fā)揮了舉足輕重的作用。目前，傳統(tǒng)的智慧教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)的智慧教學(xué)結(jié)構(gòu)與模式

該模式主要依托于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”和智慧教室理念及技術(shù)。其中，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”主要利用先進的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過現(xiàn)代信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入應(yīng)用，實現(xiàn)對教育模式的增強與優(yōu)化，提高教育的公平、質(zhì)量和效率。微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等新形態(tài)課堂教學(xué)模式，都是依托于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”理念應(yīng)運而生的。另一方面，智慧教室是智慧教學(xué)環(huán)境的物化形式，是傳統(tǒng)多媒體和網(wǎng)絡(luò)教室的改進形態(tài)，它是借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)等構(gòu)建起來的新型教室，可通過各類智能教學(xué)裝備對教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)資源的獲取、課堂交流的實現(xiàn)提供必要的支持，從而促進個性化和開放式學(xué)習(xí)。作為智慧教學(xué)的重要組成部分，智慧教室整合了智能設(shè)備和學(xué)生，創(chuàng)造了先進的人機交流模式。通過使用智能設(shè)備和相關(guān)技術(shù)，智能教室在智慧教育和傳統(tǒng)課堂活動之間架起了一座“橋梁”。教師的知識通過智能載體以更直接的視角傳遞給學(xué)生。學(xué)生可以從屏幕、課桌、黑板等多種途徑開展學(xué)習(xí)行為。

智慧教學(xué)的另一個重要特征是基于智慧教學(xué)相關(guān)技術(shù)的協(xié)同學(xué)習(xí)。在同一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，學(xué)生可以輕松地相互通信，而不受教室距離的限制。另一方面，在智慧設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下，教師可以輕松地分配任務(wù)、發(fā)布測試和布置討論。學(xué)生則可以通過智能設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)參與智慧學(xué)習(xí)，輕松獲取課程知識。由于智慧教學(xué)的一系列優(yōu)勢，許多課堂模式中都采取了這種形式，如翻轉(zhuǎn)課堂等。

二“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”課程教學(xué)改革設(shè)計

（一）改進的智慧教學(xué)模型

為了獲得更好的智慧教學(xué)效果，本文提出了一種改進的智慧教學(xué)模型，該模型保留了傳統(tǒng)模型的優(yōu)點，在依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過增加體系的實時交互性，同時結(jié)合工程教育的客觀需求。改進后的模型如圖2 所示。

圖2 改進的“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”智慧教學(xué)模式

在提出的改進模式中，通過引入實時交互和直接反饋環(huán)節(jié)，消除學(xué)生和教師之間的交流鴻溝。當(dāng)學(xué)生在理解課程知識內(nèi)容遇到困難時，可以通過語音輸入或手指觸摸提問，而教師則可以立即回答問題并分配相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，提高相關(guān)知識的即時掌握能力。改進后的模型保留了傳統(tǒng)智慧課堂模式的優(yōu)勢。教學(xué)材料上傳到智能設(shè)備，方便訪問。采用課件、視頻、語音、圖像等多媒體方式，學(xué)生能夠直接了解課程知識點。改進的模型不再分離學(xué)生、教師和設(shè)備這三種元素，而是將其與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合成一個集成的智能環(huán)境。改進后的模型更加關(guān)注大學(xué)生的學(xué)習(xí)行為。學(xué)生不是聽眾，而是參與者。他們被引導(dǎo)進行協(xié)同學(xué)習(xí)，個人展示和學(xué)時互評等，從而實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)，在課堂上發(fā)揮主導(dǎo)作用。

此外，工程教育也被結(jié)合到了該結(jié)構(gòu)中，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”的全新教學(xué)模式。其中，教師在課程教學(xué)資料中，對課程教學(xué)目標(biāo)、課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐情況、課程教學(xué)內(nèi)容對課程目標(biāo)的支撐情況，以及考核方式進行了展示和傳遞，從而使學(xué)生在智慧學(xué)習(xí)過程中充分理解工程教育的理念和標(biāo)準(zhǔn)。此外，通過工程實踐案例分析、工程應(yīng)用背景介紹等教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能對照課程目標(biāo)開展智慧學(xué)習(xí)，積累工程實踐經(jīng)驗，提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

（二）基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的混合式教學(xué)模式

基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的線上線下混合式教學(xué)模式是實體智慧教室和虛擬線上教學(xué)空間相結(jié)合的一種新型教學(xué)模式，通過將網(wǎng)絡(luò)課堂和實體課堂的智能互聯(lián)，既能有效開展生生、師生互動，提高學(xué)生自主式和協(xié)作式學(xué)習(xí)能力，促進學(xué)習(xí)成效，同時還能深入開展啟發(fā)式、討論式教學(xué)，剖析難點重點問題和工程應(yīng)用實例，提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

本課題所設(shè)計的混合式教學(xué)模式如圖3 所示。課前為學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段，學(xué)生需要在線上課程平臺進行課程預(yù)習(xí)，并完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。課中將使用云課堂+翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，首先通過智能設(shè)備和教學(xué)APP 下達學(xué)習(xí)任務(wù)，對學(xué)生進行課堂測試，然后根據(jù)測試完成情況進行工程應(yīng)用案例分析和討論等自主式學(xué)習(xí)。課后，教師再通過云課堂根據(jù)教學(xué)質(zhì)量反饋信息，進行課堂教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進和個性化指導(dǎo)，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成符合工程教育標(biāo)準(zhǔn)的“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”O(jiān)BE 課程教學(xué)模式。

圖3 基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的混合式教學(xué)模式

三 教學(xué)效果

本文的教學(xué)改革內(nèi)容已在寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代檢測技術(shù)與儀表課程進行了探索實踐，授課對象為17 級電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生。經(jīng)過與上一個教學(xué)周期的課程目標(biāo)達成度分析結(jié)果和教學(xué)反饋，課程在經(jīng)過全方位改革后教學(xué)質(zhì)量得到了明顯提升。

其中，收集自學(xué)生的課堂滿意度評價見表1。該評價為綜合評價結(jié)果，涵蓋了“關(guān)注程度、發(fā)言機會、作業(yè)布置、學(xué)習(xí)收獲、工程教育”等共計10 個方面的滿意度調(diào)查。從調(diào)查結(jié)果來看，在經(jīng)過一輪智慧教學(xué)改革之后，學(xué)生對于課堂教學(xué)的滿意度得到了明顯提升，直接表明課程的改革方案獲得一定的成效。

表1 現(xiàn)代檢測技術(shù)與儀表課堂教學(xué)滿意度對比

此外，課程目標(biāo)的達成情況見表2。從課程目標(biāo)的達成情況來看，各個課程目標(biāo)的達成情況均有著顯著提升，這表明課程在經(jīng)過一輪教學(xué)改革實踐后，教學(xué)質(zhì)量獲得了有效改進，符合工程教育的持續(xù)改進要求。

表2 課程目標(biāo)達成情況評價結(jié)果

綜上所述，課程在經(jīng)過一輪教學(xué)改革實踐后，在學(xué)生滿意度和課程目標(biāo)達成情況兩方面均有顯著的提升。這表明，本文提出的改革方案充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并使學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)后具備更好地解決復(fù)雜工程問題的能力。

四 結(jié)束語

本文提出了一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育”的改進智慧課堂模式，以克服傳統(tǒng)智慧教學(xué)課堂模式的不足。與傳統(tǒng)模式相比，該方法旨在消除學(xué)生和教師之間的差距，并充分利用智慧教學(xué)環(huán)境。實時互動、智能作業(yè)和主動學(xué)習(xí)策略均可提供更好的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。同時，加入工程教育的相關(guān)智慧教學(xué)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。現(xiàn)代檢測技術(shù)與儀表課程改革案例證明了所提出的教學(xué)模式的有效性。