智慧教學環境下設計學類人才培養模式的創新與實踐

關鍵詞：藝工交融；跨界思維；立體培養體系；智慧教學環境；協作探究型課堂；人才培養模式

引言

2018 年教育部印發關于《高等學校人工智能創新行動計劃》[1]的通知指出，“加快人工智能在教育領域的創新應用，利用智能技術支撐人才培養模式的創新、教學方法的改革”；2019 年2 月中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》[2] 也提出了“加快信息化時代教育變革”。

設計學的特點是跨學科性，人才培養需要高度的多學科知識交融。諸如VR/AR/MR/AI 以及大數據等各種層出不窮的新興技術，為跨學科融合、高質量和體驗式的人才培養提供了新機會和新方法。本文以新工科創新型、復合型人才培養為牽引，探討了現代教育下的跨域思維人才培養新模式，為拔尖人才培養，提供了配套的智慧教育資源、學習環境、全新課堂互動場景及服務體系等。

一、設計學類特色人才培養需求

新一輪的科技革命引發設計學類人才培養需求發生巨大變化。

（一）研究型人才的培養理念有了新變化

中國移動發布的《5G+ 智慧教育白皮書》[3]，描繪了智能技術的教育應用場景。依托5G 通信技術，高校研究型人才培養的理念必然會有新的變化。在信息與智能技術范式下，高校教學注入新技術，成為智慧賦能教育[4] 的熱點。而AI 相關技術的不斷成熟和應用，顛覆了傳統上對于“設計”的認知，帶給設計師新的思考和啟發[5]。

人工智能技術需融入設計學科。在數智融合驅動[6] 下，“AI+大數據+ 學習分析”深度刻畫學習者數字畫像；“AI+5G+XR”與全息技術全面構建數字孿生學習者；教育智慧化成為當代人才培養理念的新靶點。因此，結合學生的基本素養、興趣喜好及思維特點，制訂個性化、精準化的教學任務，實現基于數字孿生實體裝備的全生命周期仿真教學，適應新理念需求是十分必要的。

（二）多學科交叉融合的課程體系有了新需求

國家實施創新驅動發展戰略，創新驅動的實質是人才驅動，創新型人才培養是重點，學生素質養成、終身學習能力、認知能力及領導力提升是創新型人才的主要特點，融合感性與理性思考思維方式，并導入工程設計實踐課題，成為學生創新能力培養的全新焦點。

設計學作為交叉學科，必將成為跨域創新型人才培養的主陣地，其多學科交叉融合[7-8] 的課程體系構建迫在眉睫，融入人工智能的“藝科融合、藝工融合”設計人才培養模式，將形成設計學科互動發展的良性態勢[9]。因此，構建全系課堂教學和實踐教學課程體系，拓展工程實踐課程的多學科交融框架，打開知識管理范疇的新疆界，滿足學生培養中創新思維模式轉化需求是十分必要的。

（三）科技革命與產業革新使師生對教學環境有了新機遇

教育產業作為產業革新的一部分，高等教育變革勢在必行，而教育格局中的關鍵——教師和學生，必須面對教學環境新挑戰。在變革的浪潮中，信息化教學環境將會以全新形態呈現[10]。因此，將高度抽象化的知識和教學理念灌注于理性主導的科技發展和產業變革中，是當今教育面臨的重要課題。

信息技術和新媒介作為教育形態變革的外在動力，成為知識傳遞新工具，極大拓展了信息交換的方式和渠道。因此，建設融合信息技術的課堂教學和實踐教學基礎環境，對于滿足各學科領域間的深度交叉融合需求，滿足學生培養中教學環境智慧化需求是十分必要的。

（四）新工科環境下帶給高校教師的新挑戰

適應智慧化教學環境、數智融合、創新驅動，培養知識技能一體、道德修養一流的高質量人才是新時代復合型人才的關鍵課題。一方面，巧妙設置“嵌入式”課程思政教學，培養學生家國情懷和人文精神，著力引導學生學習的主動性和興趣性；另一方面，提升教師教學信息素養[11]，推動教師角色轉變，著力打造基于大數據引領的信息化教學理念，塑造信息化教學新格局，全面提升教師主體能力需求是十分必要的。

二、藝工交融的多元智慧實踐育人培養模式

設計學類人才培養需求變化導致培養范式、體系以及課堂形式等諸多教育核心要素變化。

（一）拔尖設計人才培養新范式構建

設計學具有跨門類、跨學科、跨領域、跨時空特點，具有跨界性和多元性，“交融”成為設計學人才培養和學科發展的關鍵，需要適應拔尖設計人才培養的新范式。

1. 培養理念的交融

遵循設計學交叉學科特質，提出基于STEAM+ 的藝工交融、跨界思維的教育理念，彌合了工科與文科、藝術學科的認知及思維模式裂痕，形成了以STEAM 理念[12]+5E 模式[13]+i_MMLOE 學習策略[14]的交叉融合教學范式。

圖1 所示的藝工交融的人才培養理念，踐行了跨界思維拓展，突破了專業界限，以多維交融構建拔尖設計人才培養教學范式，引導學生跨界思維、跨界創意設計，由此實現了多維度的時空跨界、多學科藝工交融的知識跨界、多元教學的寬視野行業跨界，對培養密切結合生產實際，且具有國際化視野的高素質拔尖設計人才具有極其重要的意義。

2. 師資隊伍的交融

通過聘請外國文教專家、與國際高水平學者共建課程、企業專家進校園等途徑，形成了教育界、科研界和產業界共同推動的多元育人格局，形成了專業教師團隊、國際化教學團隊、創業導師團隊等多元化的師資資源。

3. 實踐資源的交融

通過開展國際冬令營、夏令營、國際設計交流互訪等形式，開展中外學生科研與設計成果交流；同時與國內多家知名設計公司建設實踐基地，形成和擴大了雙向國際化交流互換、知名企業聯合培養等多元實踐資源，深植了跨界培養理念。

4. 課程項目的交融

除了傳統的課程設計、畢業設計外，提煉和強化基于理論課程的課程內項目案例化；提煉面向設計競賽或企業需求的課程外項目案例；利用多種數字化虛擬設計與仿真等智慧化技術，快速構建設計方案，提升學生理解進程和實踐成就感。通過理論課程、實踐課程、課程設計和畢業設計以及伴隨上述過程的各種設計類競賽，實現貫穿式實踐能力培養。

（二）特色立體培養新體系構建

面向智能時代大類人才培養、復雜設計問題求解能力培養以及個性化發展和創新能力培養，提升“設計+”專業能力，需要構建與新范式相適應的專業課程和實踐教學特色立體培養體系。

1. “大類+ 工程+ 設計”維度

從學生的科學素養、文理素質、知識結構、實踐能力4 個維度，確立兼顧人文藝術與大科學工程交叉融會貫通的設計學人才培養目標，構建通識課+ 大類平臺課+ 專業課程群有機融合的專業課程體系（如圖2）。

2. “創新實踐+ 國際化”維度

4 年貫穿實踐類課程，將創新思維和國際合作教育資源植入本科培養方案課程中。以國際化、本土化雙視野為目標，拓展多點耦合的設計課程，實施漸進循環的專題課程、永續激活的工作坊，提升科技創新和工程實踐能力。

3. “個性化+ 自主提升”維度

采用“自助餐”的形式，以專業選修、項目驅動和競賽為引領，為學生構建個性化設計課程平臺；設置和開辟本研打通課程和創新實踐課程等學生自主提升渠道。

（三）設計類課程協作探究型新課堂構建

在培養理念方面，基于OBE，搭建全新多形式教學環境[15]。從知識案例庫、教學設計、課堂場景進行改革，提出賽課互促的教學模式，通過設計競賽獲取教學效果的外部評價，實現基礎理論“套餐”+設計創作“自助餐”，自主選題、自主設計及自由探索貫穿全新課堂；設計體驗式協作探究型課堂互動場景，全面實現個性化教學，如圖3 所示。

1. 雙主線融合的教學設計

競賽貫通教學全過程。教學設計強化“套餐+ 自助餐”，將國之重器、重大項目、社會熱點等問題融入教學知識點，并構建問題庫與案例庫，形成基礎理論教學主線；開放課題、學術討論與藝術創作貫通，形成設計創作教學主線；學生在自主獲得知識、探究知識應用和擴展知識域中，錘煉運用知識解決重大問題的能力；基礎理論與設計創作融合，互為教學主線，形成了混合式課堂教學新范式。

2. 新型課堂互動場景的設計

充分利用智慧教室，教師發揮引領作用，建立角色互換與學習循環的體驗式課堂場景；以協作式、自主式、體驗式等聯結性的新型課堂為主導，形成自主探究與協作研討的體驗式課堂場景；建立角色互換與學習循環的體驗式課堂，全面實現個性化教學。

3. 創新環境和氛圍的營造

依托學生設計工作室，通過承辦設計競賽、設計展等，豐富學生實踐創新活動。學生在知識自主獲得、探究應用與擴展中，錘煉科學解決重大問題的能力；學生在攻克一系列疑問的過程中，提升實踐與科技創新能力；學生在收獲設計成果的過程中，體驗學習與創新的快樂，也進一步激發學生的創新性學習和內在學習動力。

三、泛在教育智慧生態環境建設及實踐

培養范式、培養體系以及課堂形式等新變化，需要配套的智慧教學軟/ 硬環境來支撐。

（一）設計學類智慧工程實踐建設方法

通過xR（VR/AR/MR）等新技術手段，實現代表性實物、實景的虛擬化比對認知方法，建設體驗式學習與實踐的情境模擬軟件平臺。圖4 給出了智慧工程實踐生態環境建設路線。

1. 抽象與具象融合

通過看、聽、摸等數字化多覺感知設備及技術，將虛擬產品導入模擬情景平臺，將抽象感覺轉化為具體形象的相關產品工程知識，能夠隨時多覺（觸覺、視覺、聽覺等）體驗虛擬產品，智能感知學生的生理、心理及情緒，增強了學生面向生產開發設計的真實體驗感，為驗證學生設計思想及創新思路，提供了快速表達、評價工具。

2. 感性與理性融合

基于模擬情景平臺，從生理、心理、情緒等多角度獲得虛擬產品體驗，實現感性的設計效果與理性的工程意識融合，增強了學生面向生產開發設計的真實體驗感。

3. 設計與工程融合

采用xR 等技術，將融入抽象設計理念的虛擬產品與實際產品在同一空間進行比對展示，實現代表性實物與實景的虛擬化比對認知，為多角度激發學生創新激情，多層次、多角度豐富學生實踐經驗與感受，提升學術的成就感和創新能力，為課程或項目提供全過程訓練手段。

（二）交互體驗式實踐教學平臺建設

基于xR 等技術，從觀摩、虛仿、實操及自主設計4 個體驗維度進行架構，提出了基于知識融合轉化的設計學類智慧工程實踐新環境建設方法，在專業技術人員的協助下，指導研究生開發了系列本科教學仿真平臺，為本科生很好地解決了模型樣機制作成本高周期長、教學周期不能實現等問題，體驗式學習與實踐的情境模擬平臺建設方法如圖5 所示。

1. 觀摩體驗

本科教學實驗中，學生將自主設計的產品三維模型導入電腦情境模擬平臺，利用VR 等設備在虛擬場景中進行交互和體驗實踐。

2. 虛仿與實操體驗

利用感知評估設備進行虛擬產品的視覺、觸覺、聽覺等多感官的設計效果評估，利用支撐設備進行虛擬操作，利用MR 設備比對實際產品。

3. 自主設計體驗

在虛擬環境下體驗虛擬產品功能和交互方式，對用戶的行為、情緒、心理生理反應等多種使用效果進行評估，對所設計產品進行預評價。

通過情境平臺展示和驗證學生學習效果，為學生理論學習、發散式創新設計實踐提供了高效、便捷的學習環境和手段。

（三）本研一體的“教與學”支持服務體系建設

為主動適應泛在教育，通過提取師生“教與學”的過程數據，以師生數字孿生畫像等新一代信息技術支撐本科智慧教學，為本科智慧教學環境提供個性化的學習支持服務體系。

1. 師生數字孿生畫像的建立

充分發揮設計類專業教師和研究生的科研能力，指導研究生運用專業知識，以新技術支撐本科知識傳承，構建符合設計類智慧本科教學需求的支持服務體系；通過提取優秀教師相應的信息數據，采集教學方法數據，分析學習者屬性，融合問卷、訪談及教學系統大數據，挖掘多模態信息，精準刻畫師生數字畫像，構筑教師個性化泛在教學、學生個性化智慧學習的精準化人才培養新模式。圖6給出了數字孿生學習者構建原理。

2. 全新學習生態環境的構建

面對各種數字化新技術，利用教師團隊、研究生資源和專業技術團隊，構筑知識群、大數據群、數字畫像群等信息，構建智能“教與學”的學習生態環境，使課程創作化、教學現場化，提升學生對課程的認知程度，形成定制化教學資源，動態跟蹤學習過程，自主調節教育時空結構及學習資源分布形態，實現智慧教學生態環境。圖7 給出了傳統與智慧工程環境下的教學實踐變化。

3. 智慧學習支持服務體系的構建

以實驗測量+ 課堂狀態全域感知為手段，利用人工智能感知學習者數據，精準理解學習者語義，提供能夠科學推理、智能預測學習者的學習需求，自主調節教育活動時空結構及學習資源分布形態，實現實時交互、精準化推送教學內容；形成教師個性化泛在教學、學生個性化智能學習、在線異步研究小組以及學習者遠程討論等新型服務體系。圖8 給出了智慧環境下教與學支持服務體系。在信息與智能技術范式下，該體系實現了虛實結合的設計學類智慧工程實踐軟環境，解決了設計理念與工程實踐融會貫通的實踐環境問題。

（四）教育智慧生態環境的哈工大實踐及成效

哈工大工業設計專業積極開展國家一流學科建設，主動適應智慧教學生態要求，從多個角度開展新的教學實踐模式探討。

1. 新實踐教學模式探討及成效

近年來，哈工大工業設計專業為探討適應教育現代化的新的設計類人才培養實踐模式，積極開展教學模式改革。獲批了產學合作協同育人、中國高校產學研創新基金、新工科研究與實踐項目等國家級教改項目、學位與研究生教育研究課題重點項目等一級學會項目以及黑龍江省級教改項目等13 項。

以此為依托，深入開展設計學類人才培養模式的創新與實踐研究，建立了面向設計類拔尖人才培養的智慧教學平臺，形成了具有特色的新的人才培養模式。2022 年專業獲得《面向“一流專業”建設的設計創新人才培養模式改革與實踐》《藝工交融、課賽結合、本研一體——設計學類特色人才培養模式的創新與實踐》黑龍江省教學成果二等獎等獎2 項，哈工大教學成果獎1 項。

2. 工程實踐能力及成效

長期以來，哈工大工業設計專業多途徑、全鏈條強化學生創新能力和工程實踐能力培養。從承辦設計類大賽上，2005 年起，連續承辦了全國工業設計大賽（黑龍江賽區）、教育部教育管理信息技術應用大賽、黑龍江省設計呼吸展、國際大學生產品設計畢業作品競賽以及哈爾濱市工業產品外觀大賽等一系列設計類賽事；從設計類參賽獲獎上，獲得了一系列獎項。代表性獎項包括，2018 年《自主變形機器人》獲中國優秀工業設計獎－金獎，該獎是我國工業設計領域首個經中央批準設立的國家政府獎項，是2018 年10 個金獎中唯一的概念金獎！也是唯一獲獎高校；2021 年《包裝自助回收概念設計》獲得黑龍江省“龍江杯”工業設計大賽概念組金獎；2023年《全自主遠洋洄游漁場》獲第14 屆黑龍江省美展銀獎等。

此外，許多設計作品得到了多家有關企業認可，實現了部分設計作品的產業化。

3. 教學效果及學生培養成效

哈工大工業設計專業自主建設并充分利用相關專業智慧教學環境，激發學生學習興趣和實踐愿望，提高學生學習成效體驗感，提升教學過程質量。

從學生參加學科競賽上，實現了全員參加，且獲獎率達到了69.4%；從學生境外交流上，在讀學生交流比例實現了42.1%；從境內外升學比例上，國內讀研比例為43.1%，國外讀研比例14.7%，就業率42.2%；從課程教學效果上，相關設計類核心理論課程和實踐課程評教全校排名成績常年保持在全校課程排名前10%；從課程思政上，相關設計類研究生課程入選黑龍江省課程思政典型案例等。

結語

本文突破專業界限和思維界限，以藝工交融和跨界思維為引領，依托智慧教學環境建設，從教學理念、教學設計、實踐環境及智慧支持服務等方面詳細介紹了多元智慧實踐人才培養模式及實現路線，為交叉學科培養高素質人才提供了典型范例。主要包括以下幾個方面：

（1）從多元教學與跨界思維視角，提出了STEAM 理念+5E 模式+i_MMLOE 學習策略交叉融合的教學理念，打造了具有多元體驗式教學、跨界思維與藝工交融、貫穿式實踐等特色的設計類人才培養范式；

（2）從知識案例庫、教學設計、課堂場景，提出了賽課互促的教學模式，設計了自主選題、設計探究與協作研討的體驗式課堂互動場景，錘煉了學生科學解決重大問題的工程實踐能力；

（3）從觀摩、虛仿、實操及自主設計4 個體驗維度進行了架構，提出了基于知識融合轉化的智慧工程實踐新環境建設方法，建設了虛實結合的自主設計展示與評價的體驗式學習與實踐平臺；

（4）在信息與智能技術范式下，以師生數字孿生畫像等技術支撐本科智慧教學，構筑了教師個性化泛在教學和學生個性化智慧學習的精準培養模式。

本文的研究成果對于促進設計學類的教學改革和發展，優化人才培養模式，有效提高了學生創造精神和工程實踐能力，提供了有效途徑和模式范例。