AI背景下新工科課程維基系統的建設教學探索

［摘 要］ 得益于大模型的進步，人工智能（AI）方興未艾，并逐步從計算機領域向其他領域滲透。AI技術為新工科教學提供了強大的輔助工具，能夠有效促進人才培養效果和效率。與傳統領域相比，新工科領域的理論研發、技術迭代和場景應用之間的時間耦合關系較短，因此，傳統教學手段無法快速適應技術發展速度。基于人工智能的維基百科系統為這種問題提供了解決方案。結合人工智能技術、探索利用維基建設解決方案，闡述建設意義，對新工科課堂進行改革，可落實新工科和卓越人才培養理念，形成滿足我國實際需求和學生適應能力的教學方法體系。

［關鍵詞］ 維基；百科；人工智能；STEM

［基金項目］ 2018年度浙江大學建筑工程學院教改項目

［作者簡介］ 祁宏生（1984—），男，江蘇鹽城人，博士，浙江大學建筑工程學院副教授，主要從事交通信息工程與控制研究。

［中圖分類號］ G434 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）46-0001-04 ［收稿日期］ 2023-11-16

引言

新工科專業是支撐生產力發展及經濟發展的重要基礎。《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》明確提出，以新工科、新醫科、新農科、新文科建設為引領［1］。進入21世紀，人類社會迎來了數字時代，工科更是成為引領科技發展的核心力量。我國《中國制造2025》戰略規劃的順利實施也依賴于工科諸學科的良性發展。工科的融合發展，派生出極具前沿性的人工智能學科。當前，人工智能學科已經成為各國搶占的技術高地。得益于信息技術和通信技術的發展，和傳統的學科相比，人工智能學科的理論研發、技術迭代及場景應用之間的時間遲滯越來越短［2］。尤其是2016年Alphago的成功應用、2022年ChatGPT的橫空出世，展示了人工智能領域的潛力，并促進了人工智能向其他領域的擴散，例如人工智能+醫療、人工智能+交通等。這一趨勢給新工科課堂提出了挑戰［3］：傳統上，學科內容相對保持靜態，例如數學學科的講授內容，公理、定理等長期保持不變；然而大部分新工科領域的研究日新月異，應用場景層出不窮。因此，如何保持學科基礎的深度和研究領域前沿的廣度，是相關課程要把握的難點［4］。為應對這一挑戰，有必要豐富第二課堂的內涵和外延。維基百科系統為針對這一挑戰提供了有力的解決工具：一方面，百科系統可將研究領域前沿的內容包括理論、技術、數據集等包含在內；另一方面，可限制百科內容的范圍，從而達到深度和廣度的平衡。此外，由于維基系統可以隨時訪問、編輯，因此，即使課程結束，學生有了解領域前沿的需求，也可以隨時訪問維基系統，和教師進行持續性的交流、討論。本文對新工科課堂的維基系統的建設需求進行論述。

一、新工科課堂維基百科建設需求分析及意義

（一）新工科課堂維基系統建設需求分析

新工科課程和其他課程的顯著區別在于，課堂講授內容受到領域內技術進步的影響很大。部分課程材料容易由于技術的進步而過時。同時，課程依托的概念體系、理論基礎、模型方法也有不變的部分。因此，合理區分二者是對課程材料進行組織的關鍵所在。需要厘清不變的概念體系、理論基礎和變化劇烈的前沿技術方法之間的邏輯關系，這種邏輯關系方便了知識點之間的通過內鏈相互引用、指示。對于課程來說，沒有必要也沒有能力構建含有內容的系統。擴展第二課堂的維基百科系統需要滿足如下需求。

1.部分開放式的編輯。由教師和學生進行自由編輯，學生的內容由教師核定，如果學生的編輯頁滿足科學性要求，則可以納入課堂維基系統。因此，教師和學生的角色在維基系統構建和應用中是不同的。

2.在內容的形式方面，由于計算機學科的特點，領域前沿研究內容大部分是在學術會議中進行演講、發表，對其進行分類、歸納，一方面可訓練學生的閱讀能力、理解能力和應用能力，另一方面可用來考查課堂教學效果，事實上也可作為開放式課堂作業。

3.由于AI的特點，模型構建、數據采集與清洗、模型訓練和應用是一個有機的整體。不同于其他領域，數據的類型多種多樣，包括常規的表格式數據，以及圖像、視頻等。

4.普通的開放式維基百科系統的用戶進行編輯時，需要學習一系列的系統操作知識，不同的開放式維基系統的語法、設置不一而足。對于課堂維基系統來說，這種額外的學習負擔應盡量減少，同時，學生在課堂維基構建過程中學習的技能需應用到其他任務中。

基于上述考慮，新工科課程的維基系統的框架構建分為四方面的內容：（1）課堂知識點的構建。由于計算機領域的發展日新月異，因此，課堂知識點不應僅包括教師授課的知識點，還應包括學生課后閱讀的知識點，閱讀材料包括領域內頂會的文章等。（2）AI算法不能僅通過推導來講授，更需要通過實例代碼的構建、運行等讓學生體會算法的思想和邏輯，從而維基系統也包含了代碼和運行結果。（3）學科前沿內容的知識點構建涵蓋了領域的熱點，這些研究熱點散布于學科頂級期刊、頂會、領域內的新聞等。這部分主要由教師確定材料采集方向，由學生搜集、整理材料形成。（4）AI領域的特點是包含眾多算法。對這些算法進行測試需要公開的數據集合和測試基準，從而維基系統還應該包括公共數據集合、測試題或者其來源鏈接。

（二）面向新工科課堂的維基百科系統建設的意義

面向課堂的維基百科系統建設的意義可從多方面角度闡述。

從宏觀層面上看，新工科建設是為應對新一輪技術革命與產業變革而采取的戰略行動，其特點是新技術、新產業、新業態和新模式的出現，這些呼喚著新工科的發展。國家實施了一系列重大戰略，需要新工科的支持；產業也在不斷地轉型升級、新舊動能轉換，也需要新工科的支持；同時，提升國家的硬實力和國際競爭力也需要新工科的支持。在總結技術范式、科學范式和工程范式經驗的基礎上，我們探索構建適應新時代的工科范式，以適應變革和塑造未來為指導，通過繼承與創新、交叉與融合、協同與共享等方式，深入開展新工科的研究和實踐，推動思想、機制和模式的創新。實現從學科導向轉向以產業需求為導向，從專業分割轉向跨界交叉融合，從適應服務轉向支撐引領的轉變［5］。

從中觀層面上看，可以更新工程人才知識體系。在教學過程中引入產業和技術的最新發展及行業對人才培養的最新要求，更新教學內容和課程體系，構建適應行業發展需求的課程和教材資源，打通與產業的“最后一公里”。推動教師將研究成果及時轉化為教學內容，向學生介紹學科研究的最新進展和實踐發展的新經驗。積極探索綜合性課程、問題導向課程及交叉學科研討課程，提高課程的吸引力和學業的挑戰性。促進學生的全面發展，注重培養新工科人才的核心素養，強化工科學生的家國情懷、全球視野、法治意識和生態意識，培養設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維，提升創新創業能力、跨學科交叉融合能力、自主終身學習能力、溝通協商能力及工程領導力。

從微觀層面上看，能夠落實以學生為中心的理念，探索新工科自主發展和自我激勵機制；促進學生的跨專業和跨校學習，增強師生之間的互動，建立以學習者為中心的工程教育模式；推進信息技術和教育教學的深度融合，建設和推廣在線開放課程，并充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式，面向未來并領跑世界，提高新工科人才培養的質量標準。

二、維基系統框架的選擇及實踐

完成了維基系統的功能設計，需要對設計的邏輯框架進行實現。在選擇邏輯框架時，需要考慮下述因素。

（一）系統應盡量簡潔、設置簡單

眾所周知，搭建網絡數字化維基系統涉及網絡協議、系統構建、內容設計等環節，完整的流程對于教師而言是繁重的任務，因而，如能簡化維基系統的構建流程，無疑會極大地提升課堂教學效果。

（二）維基內容的輸入和編輯語法應盡量簡潔、快速

由于維基系統一般通過網絡來訪問，因此，傳統的網絡文本協議如HTTP等是維基系統的終端輸出。直接編輯頁面需要一系列的前端知識，如果能規避此類要求，無疑會極大提升教師和學生的工作和學習效率。

（三）體量盡量輕量化、方便部署

傳統上，維基系統本質上類似于一個網站，其運行效能受限于部署平臺、訪問量等。如果能依托云平臺進行一鍵式部署，后期維護也會變得非常方便。

面向新工科課堂的維基系統建設，可以進行有選擇的維基系統建設。以課程“交通智能優化算法”為例，講解維基系統的應用實踐。筆者考慮各種維基系統的特點、優缺點、部署難度、可擴展性等方面，進行維基建設。筆者選擇維基的基準有如下標準：（1）必須是開源方案，允許教師進行按需定制。（2）能兼容目前的主流開發語言，符合教師的技能積累。（3）維護難度較低，不僅符合教師快節奏的教學、科研安排，也能夠滿足眾多不同學科背景、不同學術能力、不同理解能力、不同知識積累的學生的需求，學生能夠快速上手、滾動更新，實現長效化機制。（4）面對高校教學軟硬件現實，功能豐富而且易于安裝，充分滿足新工科知識站點的需要；運行環境要求較低，架設過程簡捷，即使不熟悉的教師或者學生也可以迅速建立自己的站點；很容易找到范例站點；教師和學生可以進行持續開發，保證未來的支持。

三、教學效果評價

（一）為工科課程建立新的符合行業目標的授課模式

根據世界高等教育與歷次產業革命互動的規律，面向未來技術和產業發展的新趨勢和新要求，探索并建立新的工科范式。在總結技術范式、科學范式和工程范式的經驗基礎上，將以應對變化和塑造未來為指導，通過繼承與創新、交叉與融合及協同與共享等主要途徑，深入開展新工科的研究與實踐。目標是推動思想創新、機制創新和模式創新，實現從學科導向轉向以產業需求為導向，從專業分割轉向跨界交叉融合，從適應服務轉向支撐引領。

深入挖掘各類專業課程和教學方式中蘊含的技術、方法資源，破解課程“表面化”“硬融入”等問題。結合專業特點分類推進課程建設，將黨的二十大精神有機融入相關專業課程。用好數字化資源，開展相關課程任課教師培訓，提升教師課程思政教學能力。強化交叉融合再出新，引領帶動高等教育提質創新發展，深化教學模式創新，用好示范項目和數字化資源。

（二）授課效果提升

新工科人才培養的目標是以學生發展為中心，培養未來工程科技人才的跨學科、多學科的知識體系和創新思維，培養其解決復雜工程問題、團隊合作、工程管理及領導的能力。除此之外，課堂維基百科注重增強學生的工程倫理意識、全球視野、創新創業和終身學習能力，以培養卓越工程師、企業家、工程科學家和領軍者。同時，促進人才培養的全周期、全鏈條、全要素的持續發展與創新質量體系，構建新工科人才培養的優質生態環境。

（三）學生的綜合能力得到了擴展

新工科人才培養的目標是交叉融合再出新，推動現有工科交叉復合、工科與其他學科交叉融合、應用理科向工科延伸。課程維基百科的建設，有效地對正式授課內容進行了補充、擴展、升華，有助于激發學生更大的潛力及更加全面地提升學生的綜合素質，促進學生的全面發展；把握新工科人才的核心素養，強化工科學生的家國情懷、全球視野、法治意識和生態意識，培養了學生的設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維，提升創新創業、跨學科交叉融合、自主終身學習、溝通協商能力和工程領導力。

（四）以需求為牽引開展多樣化探索

認真研究國家戰略和區域發展需要，積極開展新工科研究與實踐，讓學生樹立要對工程科技創新和產業創新發揮主體作用的概念，把新工科建設作為課程改革的“催化劑”，系統推進課堂組織模式、學科專業結構、人才培養機制、學生評價激勵等方面的綜合改革，推動和引領高等教育深層次變革，推進“理工”“工工”結合、“工醫”“工農”“工文”交叉，面向課程內容、面向未來發展趨勢，加快形成一批可推廣可復制的教學改革成果，在新興工科的課程體系、新形態教材和教學內容等方面實現突破。

結語

人工智能時代的課堂和傳統課堂存在著很大的差異。信息技術的發展一方面給課程的教學提供了豐富且強有力的工具，另一方面前沿學術的快速發展使得課堂的內容存在一定的滯后性。第二課堂作為對第一課堂的補充，存在著多種形式。本文提出利用結合人工智能和維基百科概念作為第二課堂的一種形式，這種形式允許教師和學生協同完善維基內容，也可以最快速度融入學術研究領域的研發進展，從而特別適合新工科課程。本文通過對課堂教學需求分析，闡述了新工科課程維基系統建設的意義，剖析了不同維基系統的適用場景，并提出課程維基系統的建設平臺，同時在“交通智能優化算法”課程中進行了實踐。主動對標新工科培養理念和卓越人才培育思想，不斷推進新工科課程教學改革創新，將是長期需要研究、改進和實踐的課題。

參考文獻

［1］教育部等五部門.關于印發《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》的通知：教高〔2023〕1號［A/OL］.（2023-03-02）［2023-10-16］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202304/t20230404_1054230.html.

［2］郭斌.STEM教育理念下學校特色課程建設的思考與建議［J］.教育科學論壇，2019（20）：8-9.

［3］孫燕.STEM教學與科學課程融合的探索與反思［J］.教育科學論壇，2019（20）：33-34.

［4］黃超.多元智能理論下學校課程建設的思考［J］.教育科學論壇，2017（11）：36.

［5］項建達，蘇海峰.STEAM：一把開啟未來智造夢想的金鑰匙［J］.浙江教育科學，2019（1）：58-60.

Exploring the Construction of A STEM Wiki System in the Context of AI

QI Hong-sheng

（College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University， Hangzhou，

Zhejiang 310058， China）

Abstract： Thanks to the advancement of large-scale models， artificial intelligence （AI） is flourishing and gradually infiltrating into fields beyond computer science. AI technology provides strong auxiliary tools for teaching new engineering courses and can effectively improve the efficiency and effectiveness of talent development. Compared with traditional fields， the time coupling between theoretical research， technological iteration， and scenario application in new engineering fields is relatively short. Therefore， traditional teaching methods cannot quickly adapt to the speed of technological development. Based on artificial intelligence， the Wiki system provides a solution to this problem. This paper combines AI technology and explores the use of Wiki solutions to reform new engineering classrooms， which can implement the concepts of new engineering and outstanding talent development and create a teaching methodology system that meets the practical needs of China and the adaptability of students.

Key words： Wiki; encyclopedia; artificial intelligence; STEM