高等工程教育線上實踐教學模式構建與實踐

鐘丹，馬文成，南軍

摘? ? 要：突發公共衛生事件對傳統的高校教學形態產生了強烈的沖擊，尤其對工科實踐教學環節影響巨大。文章以新冠疫情突發時期哈爾濱工業大學給排水科學與工程專業的畢業實習為切入點，探索了線上工程實踐教學模式的創新性構建和實施方略，深入反思了疫情時期應急性教學的不足，及疫情常態化背景下線上實踐教學模式系統性重構策略，以期為推動高等工程實踐教學改革和面臨突發事件干擾時的實踐教學保障提供思路。

關鍵詞：高等工程教育；突發公共衛生事件；線上實踐教學

中圖分類號：G641? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）04-0021-05

伴隨中國高等教育的發展，我國已經形成了世界最大規模的高等工程教育體系，工學本科在讀人數占本科生總數的34%，占全球工程教育總規模的35%，近30年工科畢業生規模已達1 715余萬人。在新一輪科技革命和產業變革方興未艾的新時代，高等工程教育肩負著立德樹人、服務國家戰略需求、培養創新型工程科技人才、支撐和引領國家未來發展的重要使命，而深化高等工程教育改革，推進其高質量發展更是我國從“工程教育大國”邁向“工程教育強國”的關鍵環節和必由之路。實踐性是高等工程教育的根本屬性，是區別于傳統科學教育的顯著特征，因此，強化和改進實踐教學始終都是高等工程教育改革的重點。近年來，我國相關部門相繼出臺了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》《關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》《中國教育現代化2035》《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022年）》等系列指導性文件，彰顯出推進實踐教學改革的重要性和緊迫性。2018年全國教育大會更是明確指出要突出學生創新意識和實踐能力培養[1]。

實踐教學是內化理論知識，達成能力和素質培養目標的必要途徑。經過不斷地拓展，高等工程教育的實踐教學不僅包括實驗、實習、實訓、設計、工程測繪等傳統環節，更囊括了創新性實驗項目、學科競賽和社會實踐活動等綜合性和創新性內容，學分約占總學分的30%。圍繞實踐教學的理論闡述、體系構建、模式探索、方法創新等方面，國內外相關學者均開展了大量的理論和實踐研究工作，形成了豐碩的研究成果，而無論何種實踐教學理論或形式，均強調“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，即學生均需進入實踐現場，在教師或導師的指導下開展個人或團隊的實踐性學習[2]。盡管已有部分高校借助信息化技術手段，開展了部分實踐教學環節改革的初步探索，但大多針對實驗課程，只有少部分提及課程設計和實訓，且均將其定位于對實際操作內容的補充，大多關注技術本身與傳統教學內容的相容性，尚未形成囊括全部教學內容的系統性實踐教學體系。

2020年初突然暴發并快速蔓延全球的新冠疫情作為典型的全球突發公共衛生事件，不僅對世界經濟、政治、文化、社會等多個領域造成了強烈的系統性沖擊，更對高校傳統教學模式產生了深刻的影響。在跨地域人群聚集型教學活動被阻斷、“教學主體”和“教學空間”被物理性隔離的情景下，為理順被“封閉校園”“延遲開學”等原因嚴重干擾的教學秩序，積極響應教育部“停課不停教，停課不停學”的號召，各高校開展了歷史上規模最大的線上教學。相比線上教學基礎好、可利用優質教學資源豐富、硬件設施相對齊備、保障度高的理論課教學，工科專業的實踐教學，因其對教學場所依賴度強，幾乎沒有線上教學資源和經驗，所受到的影響和沖擊更大，從而使得本就在人才培養過程中相對薄弱的實踐教學環節的完成和質量保障面臨著更為高階的挑戰。受相關理論、方法和資源等基礎儲備不足的制約，大部分實踐教學的開展只能簡單采取依托“互聯網+技術”的方式進行“理論式”授課或“演示式”授課，出現教學模式由“以學生為中心”向“以課程為中心”逆轉的現象，學生無法通過體驗式實踐學習達成既定的教學目標，參與度低且獲得感差，直接影響高等工程教育的人才培養質量。

面對難以預計的突發公共衛生事件風險和深化工程教育改革與發展的需求，如何構建高等工程教育線上實踐教學新模式，提高教學效率、保證教學質量、保障學生培養目標達成是高校面對的共性問題，也是需要探究和創造性解決的問題。

一、突發公共衛生事件背景下線上實踐教學模式的探索

文章針對突發公共衛生事件的特殊情境，以哈爾濱工業大學給排水科學與工程專業（以下簡稱給排水專業）線上畢業實習為例，探索基于成果導向（簡稱OBE）理念的線上實習模式構建策略[3-4]，并對該模式的具體實施方式進行解析。

（一）線上實踐教學目標的修訂與學習成果的設定

首先，線上實踐教學可借鑒傳統實踐教學的相關理論，同時，依據以學生為中心、學習產出成果為導向的理念，設定可具體化的教學目標，并兼具可操作性和可量化評價性，且充分重視學生個性化發展需求，確保每個學生均能達成教學目標。給排水專業依據《工程教育認證標準（2017版）》要求，于2018年修訂了專業培養目標和課程教學目標。其中畢業實習的教學目標可分為知識目標和能力目標兩個層面：知識目標——鞏固和豐富專業知識，了解工程設計程序及各設計階段的設計深度及要求；能力目標——具有綜合運用專業知識解決工程實際問題的能力。為使上述目標具體化和可評價化，又進一步拆分為若干細化的課程目標，以支撐專業培養目標的達成。突發公共衛生事件期間，在既有細化課程目標的基礎上，結合線上教學資源特征和國家及行業發展需求，增加“具有終身學習能力”和“具有國際化視野”等培養目標（表1）。

其次，學習成果的達成可依據課程模塊的任務目標進行設計。在知識目標和能力目標達成層面，對于“鞏固和豐富專業知識”的知識目標達成，設計“設計院/企業專家直播講座+交流討論+心得體會”模塊；對于“具有綜合運用專業知識解決工程實際問題的能力”的能力目標達成，設計“虛擬仿真運行操作實訓+小組演示”模塊；對于“具有終身學習能力”的能力目標達成，設計“網絡學習資源探索+設計作品展示”模塊；對于“具有國際化視野”的能力目標達成，設計“國外專家在線講座+網絡資源研討”模塊（圖1）。同時，在各教學模塊中設置多項具有可操作性和可量化評價性的目標任務（圖2）。

（二）線上實踐教學活動的實施

線上實踐教學活動的實施不同于常規線上理論課，如僅簡單地依托網絡MOOC資源、網絡錄像等形式，勢必造成學生的參與度、體驗度和獲得感降低，更難以有滿意的學習成果產出。因此，在教學活動實施過程中，教師可以采用如下策略：（1）梳理網絡教學平臺及信息通訊軟件，使其能實現設定的教學方式；（2）甄選網絡教學資源（并不僅限于MOOC和微課等），并按照模塊化原則進行有機整合，使其服務于具體課程教學目標；（3）利用信息化手段打破教學情景與教學主體的物理性隔閡，既要將專家“請進來”，又要使學生“走出去”；（4）以“任務驅動式個人成果+團隊合作成果獲取”為導向，嵌入虛擬仿真運行操作實訓模塊和利用行業主流軟件完善實驗和實訓模塊；（5）動態收集和整理學生提出的關于理論知識和工程實踐知識的問題，組織畢業設計指導教師、課程主講教師、實習指導教師和企業導師進行“會診”，并做出解答，同時達到教師持續改進教學方法及內容的目的。

新冠疫情期間，線上畢業實習教學方式主要采用互聯網、雨課堂、騰訊會議、微信、城市給水/污水處理3D虛擬仿真軟件等方式進行信息化技術保障教學內容的推送和反饋信息的收集。為提升實習學生的參與度和獲得感，在開始實習前一周，指導教師通過微信小程序收集匯總全體學生依據自身情況自行梳理的畢業設計和專業知識的問題，并對問題進行分類，然后有針對性地推送給設計院/企業的授課專家、專業課教師、畢業設計指導教師，在匯總答案后進行點對點反向推送。此外，實習指導教師和授課專家在了解學生知識需求取向后，可更有針對性地調整授課內容和考評環節，以檢視學生學習成果是否達成。得益于

MOOC、微課、行業公眾號直播等在線教育平臺的快速發展，網絡教學資源體量迅速擴大。然而，鑒于在線實習的實踐屬性，指導教師既不能簡單依托網絡課程教學資源，也不能簡單采用直播授課的方式，而需要對教學資源進行拓展和整合。例如，傳統畢業實習，學生進入水廠現場，可直接接觸到構筑物、儀器和設備等，直觀感強，學生的參與度高。在線上實習中，對于上述內容的原理性介紹一般可見于中國大學MOOC、學堂在線等在線教育平臺，而實物展示和3D結構說明等內容，往往是企業網站、行業公眾號平臺或虛擬仿真平臺上的資源更為翔實和豐富。因此，指導教師可對水廠參觀的“必修環節”進行梳理，有針對性地搜索和編輯視頻資源，構建資料庫，并在每日線上實習前和實習中向學生推送，以彌補學生無法“眼見為實”的不足。同時，亦可讓學生以小組為單位，以某一具體設備資料的搜索和編輯為任務，在微信平臺進行展示和交流。

教學內容以教學目標為導向進行重構，即各教學模塊內容的配置需支撐各具體課程教學目標的達成，并在教學模塊中嵌入多元目標任務。例如，針對“課程教學目標1”，畢業實習中“請進來”國外水務集團設計總監、城市規劃勘測設計研究院總工、建筑設計研究院總工、市政工程設計研究院總工等資深專家，在騰訊會議平臺進行直播授課，采用工程案例與設計圖紙展示相結合的方式，分別對給排水專項規劃、管網及水廠常規設計、深度凈化工藝比選等多個方面進行介紹，拓展學生專業視野、深化學生專業認知、解析設計要點、規范設計步驟，并在交流環節詳細解答學生提出的規劃設計類問題；該模塊的任務目標設置為“交流心得”，其體現形式為實習日志。針對“課程教學目標5”，畢業實習中引入北京歐倍爾軟件技術開發有限公司研發的城市給水/污水處理3D虛擬仿真軟件，讓學生以第一視角全方位感知水廠整體運行流程、處理單元布置、構筑物內外部結構等細節。學生可通過設備參數主動設定，進行單元調控和工藝聯控，以獲得穩態運行下的目標水質，大幅度提高了學生參與度和體驗感，實現學生對專業知識和設計圖紙的可視化解讀。該模塊的任務目標設置為以小組（3人或4人）為單位的“凈水/污水廠的3D虛擬實景演示”“設備/構筑物單元調控”或“水廠工藝聯控”等，其體現形式為錄制視頻和虛擬仿真軟件的自動打分系統。為支撐“課程教學目標7”的實現，設置了契合行業信息化標準建設發展趨勢的建筑信息模型技術（簡稱BIM），直播講授內容。一方面，通過實際案例演示使學生了解BIM在給排水工程設計、施工工作中的巨大優勢，激發學生學習興趣，培養自主學習意識；另一方面，從BIM軟件的模板設置開始分步驟詳細演示講解給排水圖紙的BIM繪制方法。該模塊的任務目標設置為以小組為單位，完成簡單檢查井和管道的繪制。此外，為彌補線上實習無法使學生“身臨其境”的不足，分別選擇6個城市的代表性市政/工業污水廠、地上/地下凈水廠、取水廠作為線上畢業實習場地，配置水處理廠錄播+直播解說、移動式直播解說等方式，實現學生“走出去”實習，以保證學生對課程內容的“新鮮感”，提高自主學習意識。

（三）線上實踐教學效果的評價體系

基于OBE理念的線上實習教學評價，使得學生成績并非單純由指導教師依據“考勤+實習日志+實習總結報告”的綜合成績來評定，而是聚焦學生學習成果的達成，即“教得怎么樣”要通過“學得怎么樣”來評價。評價體系構建需確定評價主體、評價標準與評價方法。其中評價主體采用多元化設置，包括實習指導教師、企業導師、學生個體、已畢業校友及虛擬仿真平臺評分系統；評價標準的確定基于知識目標和能力目標細化后的具體課程教學目標，并通過學院教學委員會的研討，綜合考量其對教學目標達成支撐的重要程度確定各指標權重的賦值；評價方法采用直接評價法[式（1）]。

式中：Dm ——編號為m的指標點對應的課程分目標達成度。

Pmi ——編號為m的指標點對應的第i個考核環節的考核分值。

Ami ——編號為m的指標點對應的第i個考核環節的考核平均值。

在線上畢業實習教學效果的評價中，不僅要采用基于上文所述的直接評價法以檢視學生學習成果的達成情況，同時還應構建教學效果實時反饋系統，兼顧寓教于評，以學生、專家及校友評價為導向，及時梳理問題并動態調整教學方案，實現實踐教學質量的持續改進。

在新冠疫情期間，哈爾濱工業大學給排水專業線上畢業實習教學案例的實施取得了積極的反響，并于2020年獲得中國教育智庫網“教育科技‘戰疫優秀創新應用案例”。然而其畢竟是在突發公共衛生事件應急情境下的成果，在實施的過程中暴露出來的不足需要深度反思，而如何將其與高等工程教育的改革趨勢深度融合，避免線上實踐教學出現“華而不實”或“曇花一現”的問題是值得研究的課題。

二、疫情期間高等工程教育線上實踐教學的反思

線上實踐教學的主要特點在于可借助先進的信息化技術實現實踐教學環節物理空間的極大拓展，提升實訓與實驗教學環節的時效性、安全性和“容錯性”，改善教學設計的滯后性和低效性。在實際教學中，指導教師在著眼于體現上述特性的同時，仍需開展多路徑內涵式建設，著力突破線上實踐教學“實踐性不足”的原生問題。

（一）注重線上實踐教學的系統性設計

高等工程教育的實踐教學囊括多個教學環節，而各環節之間的人才培養規律具有有機的邏輯關系。線上實踐教學亦要避免因以教學資源為中心的“各自為戰”而導致的教學內容重疊、訓練項目重復的問題。指導教師應以人才培養目標導向為前提，有針對性地梳理各環節的具體教學目標，整合相關教學內容和選擇適宜的教學方式，進而構建具有系統性特征、層次清晰的線上實踐教學體系。

（二）持續完善線上實踐教學的支撐體系

高等工程教育線上實踐教學支撐體系不健全，尤其是教學資源匱乏的問題尤為突出，直接導致線上實踐教學活動“難為無米之炊”，教學質量難以保障。在線上實踐教學資源的充實和拓展方面，應以產教融合項目為載體，充分發揮校企合作育人優勢，快速推進以豐富教學資源為目的的項目實施，研發基于增強現實、虛擬現實、混合現實等技術的虛擬實踐教學平臺，著力提升線上實踐教學的實踐性、仿真性和交互性，突出“做中學”的本質特征。此外，要注重線上實習實訓基地的內涵建設。例如，線上實習基地的數字化資料庫建設，不能僅限于實際運行場景的錄制，更要匯集不同階段的數字化資料，如項目建設期的文件、圖片和影音資料（使學生可視化理解項目建設程序和施工內容），設計書和施工圖紙（深化學生對工程設計的理解，培養學生繪制和解讀圖紙的能力），項目運營期間，尤其是運行異常情況及處置措施的影音資料等（實際問題驅動引發學生深度學習和主動內化理論知識），以此滿足不同階段線上實踐教學對于教學資料的差異化需求。

教學設施是保障線上實踐教學活動開展的基礎條件，高校應面向國家和行業的人才專業能力需求和開展教學活動的配套條件要求，持續完善基于信息化技術的軟硬件設施建設，保證必要的臺套數量，并進行動態更新。對于由于教育資源分配不均而導致的教學設施不匹配的情況，可考慮采取靈活的教學設施配置策略，如線上虛擬實踐教學平臺的多院校聯合研發與共享、可穿戴教學設備的共享流轉等。

完善的線上實踐教學管理體系是維護教學平臺良性運行、教學資源優化配置、指導教師積極性調動和教學質量持續提升的必要條件。高校在既有傳統實踐教學管理體系的基礎上，應以學生學習成果為導向，以培養目標達成分析為方法，依托互聯網和大數據技術構建囊括全部線上實踐教學環節的管理平臺，并制定相應的管理制度和考核方法，從管理層面保障線上實踐教學活動的順暢運行和高質量發展。

高素質、專業化、創新型師資隊伍是實施線上實踐教學活動的基礎條件。為契合線上實踐教學需求，在保持高等工程教育既有校企“雙師制”、校內“導師制”的基礎上，高校應以制度化推行教師的信息化應用技術培訓和工程實踐培訓項目，不斷提升其工程素養、技術應用能力和實踐教學水平。此外，著眼于培養學生具備“國際化視野”的目標，線上實踐教學指導教師隊伍亦可吸納國外優秀企業和項目的設計師和管理者，利用網絡平臺讓實踐學習與國際職業實訓接軌，使學生學習國際工程項目的設計方法及運行管理的先進經驗。

（三）著力發揮線上實踐教學“隱性”課程思政功能

落實立德樹人，深入挖掘線上實踐教學育人內涵和思政元素，發揮實踐育人功能，踐行思想政治教育與工程教育的協同推進是線上實踐教學的根本任務。線上實踐教學的特殊教學形式使其更適于“隱性”融入思政元素，教師在教學中可偏重采取學生喜聞樂見或現下主流的網絡溝通方式。例如，以學生為主體制作虛擬線上共唱經典紅色歌曲的視頻，并在課前或課間進行播放，引發學生共鳴；利用視頻剪輯技術將生態文明建設等國家發展戰略的影音資料植入教學內容；選擇我國超級工程作為工程案例，增強學生民族自信心和自豪感；以字幕、彈幕、畫外音等方式使“名言金句”在數字化資料庫和虛擬實踐教學平臺成為“熱詞”等。

（四）兼顧工程倫理素質和團隊協作精神的培育

在線上實踐教學中，指導教師可通過引入引發廣泛思考的典型工程案例，以網絡投票、在線辯論、社會調查實踐等互動式學習方式，培養學生正確的工程道德觀、社會責任觀，提升學生工程倫理素質。在團隊協作精神培育方面，既可通過在校內教學環節中多角度設置需團隊合作完成的任務目標，又可通過組織或參與地域性和全國性的線上實踐競賽等形式來進行。

（五）拓展教學路徑，優化教學內容

教育部倡導的“智能+教育”新途徑與線上實踐教學具有天然的契合性，因此，在利用虛擬仿真技術進行實踐教學時，應注重教學內容設置的創新性、差異性、高階性和挑戰度。例如，引入嚴肅游戲增加實訓趣味性和提升參與度的同時，還應考慮進階性（認識—操作—設計—調控—優化、簡單—復雜）、多元化（個人完成—團隊協作、人機交互—人人交互）目標任務設置；還應設置后臺數據智能分析系統，全面客觀評價學生學習成果達成情況，主動干預學生的學習行為，提升教學效率。又如，在設計教學環節注重傳統技術與信息模型技術、數值模擬技術的結合，以信息化、智能化手段實現學生設計程序規范、設計錯誤智能化判別與修正、設計結果模擬與呈現等。

突發的公共衛生事件在嚴重沖擊高等工程教育實踐教學傳統模式的同時，亦給其改進和變革提供了歷史性機遇。從“線下”走到“線上”，實踐教學探索不應僅停留在教學空間和教學形式變化后的“系統微調”上，更應著眼于多目標導向的“系統重構”，著力凝聚高校、行業、政府合力，通過政策引導、制度保障、智力支持和資金投入等方式，在教學資源拓展、教學平臺構建、師資隊伍建設、管理制度完善、評價機制完善、教學方法改進等層面全面發力、多點突破，構建相對于傳統實踐教學“實質等效”，甚至“提質增效”的線上實踐教學新模式和新體系。此外，線上實踐教學模式亦可與傳統實踐教學模式相融合，以契合新時代國家發展戰略對高水平工程技術人才培養的要求。

參考文獻：

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[2]? 余建潮.構建面向創新人才培養的實踐教學體系[J].中國高等教育，2015（5）：54.

[3]? 李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）：8.

[4]? 趙繼，謝寅波.疫情倒逼尋找高等教育教學改革突破口[J].中國高等教育，2020（6）：23.

編輯∕陳晶