基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的精準分層教學

王永雄 丁德瑞 宋燕 張孫杰

摘要：創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)是當今高等教育的重要目標，特別是機器人、人工智能等跨多專業(yè)的新工科的快速發(fā)展，對現(xiàn)有的教學和培養(yǎng)模式提出了更高的要求。精準教學是面向知識教學的精準、系統(tǒng)的評估方法。該文借助精準教學的精準評估策略和良好的教學效果，結合傳統(tǒng)集中式高效的授課方式，將精準教學與傳統(tǒng)的集中教學模式實現(xiàn)無縫對接，提出了“分組+階段+模塊”的分層精準教學模式，“分組”進行廣度上的專業(yè)基礎知識教學，“階段”進行深度上的知識學習，“模塊”實施功能導向式的培養(yǎng)。同時差異化分組策略可以激發(fā)學生的競爭意識，提升學習興趣，有助于形成良好的學習和研究氛圍，從而提高學生的解決問題和創(chuàng)新實踐能力。

關鍵詞：精準教學；創(chuàng)新實踐；分層教學；教學模式

創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)是當今大學理工科教育的重要目標，現(xiàn)階段我國高校創(chuàng)新能力培養(yǎng)仍舊存在諸多問題，傳統(tǒng)的教育模式主要是注重知識本身的傳授，而缺乏知識的融會貫通、靈活運用，使得知識與實踐之間存在巨大的鴻溝，“填鴨式”的教學方式難以滿足需求；再者，傳統(tǒng)教育很少考慮學生的個體差異，這在很大程度上限制了學生的自主思維意識和獨立創(chuàng)新精神。特別是新興工科專業(yè)急需大量的人才，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等，這些方向涉及了多個專業(yè)知識，知識更新?lián)Q代快，要求學生具備較高的創(chuàng)新實踐和學習能力，這些人才的培養(yǎng)都需要新理念的指引和新培養(yǎng)模式的支撐。

創(chuàng)新實踐可以理解為：首先掌握足夠廣度和深度的學科知識和實踐經(jīng)驗，比如學習最新的技術和算法，然后發(fā)揮個人的創(chuàng)造性思維，產(chǎn)生新的技術、方法或成果。真正有價值的創(chuàng)造大多是長期學習和思考的結果，是建立在深厚的知識積累之上的。創(chuàng)新實踐的條件是：站在巨人肩膀上用自己的頭腦思考。因此，創(chuàng)新人才或創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)應該以增強知識基礎為前提，通過在實踐中長期的、深入的思考形成創(chuàng)造性的思維和成果。

20世紀60年代奧格登·林斯利（Ogden Lindsley）率先提出了精準教學的概念，作為一種精準、系統(tǒng)的評估方法，相關專家學者指出：精準教學是精準的評估方法與其他教學策略的有機結合，借助精準教學的評估手段，精準評估各種教學方法的優(yōu)劣，找出問題并加以改進，例如各種競賽指導、翻轉課堂等。國內外研究表明，精準教學可以補救學生知識和技能缺陷。從國外實例中反映了精準教學在數(shù)學、閱讀教學等表現(xiàn)出了強大的生命力，可以大幅提高指導和課堂教學的效果和效率。

從本質上講創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)就是要“因材施教”，根據(jù)學生知識結構和能力高低，制定相應的教學策略和選用合適的教學內容和材料，這一點與精準教學的特點相吻合。精準教學特定適合小班級差異化的教學、小團隊創(chuàng)新性的項目研發(fā)。通過學生的自主適應和團隊的互動討論的方式，充分發(fā)揮雙方的促進作用，并借助反饋數(shù)據(jù)精準評估學生意愿、需求和學習效果等，才能到達較滿意的效果。從創(chuàng)新的特點和形成的過程來看，必須掌握足夠廣度和深度的專業(yè)知識、學習和實踐思維方法，而精準教學能夠精準地找出學生知識和能力的不足和問題，針對性地提高和完善學生的知識水平和實踐能力。

本文意在借助精準教學的系統(tǒng)、精準的評估策略和高效的教學效果，針對性地實施個性化的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，結合傳統(tǒng)集中式高效的授課方式，提出了“分組+階段+模塊”的精準分層教學模式，“分組”進行廣度上的專業(yè)基礎知識教學，“階段”進行深度上的知識學習，“模塊”實施功能導向式的培養(yǎng)，幫助學生整理分析問題、發(fā)掘問題和解決問題的思路，從而提高學生的解決問題和創(chuàng)新實踐能力。

一、針對創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的精準分層教學必要性和可行性

目前，絕大多數(shù)高校都將創(chuàng)新實踐能力作為學生培養(yǎng)的主要目標之一。創(chuàng)新實踐的教學和培養(yǎng)，不僅要進行基本知識、專業(yè)知識和技能實踐的培訓，而且要提高學生的分析問題、解決問題的能力，是綜合能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。在現(xiàn)有培養(yǎng)機制中，很多高校采用學科競賽方式來促進創(chuàng)新實踐的培訓，是個可行且很好的方式，但是在現(xiàn)有的培養(yǎng)過程中，往往每個老師各自為政，參與的學生人數(shù)和涉及面比較小，缺乏高效的教學培養(yǎng)組織方式，特別是對于基礎較差的學生來說，往往難以取得理想的教學效果，甚至影響到日常的課程學習。因此，要求創(chuàng)新實踐的教學和培養(yǎng)具有系統(tǒng)性、可操作性和可評估性，要求具有較好針對性和高效性，同時要求學生有較大的自主和興趣參與到學習和實踐中。

對創(chuàng)新實踐的教學和指導大多數(shù)是采用傳統(tǒng)的方法，很少高校有系統(tǒng)的指導和評估方法，學生的學習狀態(tài)也沒有太多的改進。雖然傳統(tǒng)模式在知識點的講授上是高效的，但是滿堂灌式的傳統(tǒng)教學模式對創(chuàng)新實踐的培養(yǎng)存在很多問題：重知識的傳授和獲取，輕知識的加工和問題的思考，理論傳授與實際應用脫節(jié)，對學生的專業(yè)實踐能力訓練不夠；存在興趣型過少、自主型過少、問題型過少等諸多問題，而且很少考慮學生個體的知識結構、興趣和特長等差異。在不同程度上抑制學生的學習興趣，不利于學生的自主思維意識和獨立創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。基于前期知識的認識，針對自身特長，學習者可自主確定自己的研究方向，并選擇自己在項目團隊中角色。老師引導學生進行個性化發(fā)展，針對每個學生的狀況，指導教師因材施教，制定符合組別、個體的綜合培養(yǎng)方案，達到“因材施教”“精準培養(yǎng)”的目的。

本文中提出的分層精準教學模式分為精準的教學目標確定、教學實施、評估分析和反饋改進環(huán)節(jié)，形成一個遞進的高效循環(huán)過程。圖1表示了一個知識點或者小模塊知識的精準教學框架，可以認為是一個小循環(huán)。首先根據(jù)學生水平和實際情況，設定精準的教學目標；其次，通過選擇相應的教學策略和教材等，實施分層分組的教學和學習；最后，借助數(shù)據(jù)挖掘和機器學習技術，進行精準的教學質量、效果等評估，發(fā)現(xiàn)學生學習中的各種問題，也找出教師在教學過程中的不足，同時也反饋學生個體的建議和情感。根據(jù)評估反饋數(shù)據(jù)，改善后續(xù)教學目標，找到精準教學所需要針對的問題，如果有必要，可以按照學生個體的能力和興趣重新調整分組或分班，調整和改進下一階段的教學目標和教學策略、內容等。這個循環(huán)遞進過程就是為不同層次的學生提供精準的個性化指導和服務，最終實現(xiàn)高效的教學，因此精準的分層教學是完全有必要和可行的。

目前精準教學并沒有得到充分的利用，除了學校的運行機制外，主要原因是精準教育是個系統(tǒng)工程，工程量巨大，沒有現(xiàn)成教學材料和工具，沒有簡單易用的方法。就拿教學評估環(huán)節(jié)來說，它是精準教學的一個重要部分或者環(huán)節(jié)，根據(jù)評估反饋數(shù)據(jù)能夠找到教學中的問題，改善教學和學生學習中不足，但這個過程復雜、工作量很大。然而，隨著信息技術的發(fā)展，尤其是移動網(wǎng)絡技術和機器學習的高速發(fā)展和普及，可以通過信息技術替代過去人工用筆記錄學生的表現(xiàn)和問題等，人為分析、找出問題等，使得精準教育中的評估環(huán)節(jié)能夠變得快捷且有效，采用微信公眾平臺設計了一個簡潔可行的教學評價系統(tǒng)，再加上各種實踐類創(chuàng)新活動與學科競賽的廣泛開展，積累了大量的教學經(jīng)驗，使得精準教學成為創(chuàng)新實踐培養(yǎng)的首選教學方法。祝智庭等人設計了信息技術支持的精準教學，通過合理的人機分工，綜合兩方面的優(yōu)勢，使得精準教學的效果更佳。

二、集中授課和精準教學相結合的靈活分層精準教學體系與構建

創(chuàng)新實踐培養(yǎng)重在培養(yǎng)學生的專業(yè)實踐能力和創(chuàng)新思維能力，不但要求掌握基本專業(yè)知識，而且還要通過實踐方式靈活運用、融會貫通。精準教學的目的是快速找出教學問題和學生的知識缺陷，使教師及時調整教學策略和針對性指導，從而獲得更高效的學習效果。每個學生的水平、興趣和知識結構不同，有些學生基礎知識不足，有些學生動手能力缺乏，而創(chuàng)新實踐的教學和培養(yǎng)是個系統(tǒng)性的工程，涉及的面非常廣，需要區(qū)別對待，因此為了提高教學效率，傳統(tǒng)的集中授課和精準教學的結合，我們采用“分組+階段+模塊”的分層精準教學模式，如圖2所示。

整個教學體系分為三層：第一、通過學生和教學評價，摸清學生知識點的掌握情況、能力、興趣愛好，打破原有入學年限的班級制，按照實際能力和實踐需求的分班原則，進行靈活機動的分組，精準確定每組的學習目標、學習策略和教材，對各個班組進行集中授課和訓練。借助傳統(tǒng)教學高效的集中授課，完成廣度上的基礎知識教學；第二、為了充分利用有限的教學資源和指導時間，參考實踐培養(yǎng)中的“慧魚模型”和階梯式教學模式?！盎埕~模型”是一種實踐培養(yǎng)方法，誕生于德國，是通過機械、電氣、控制器、傳感器及軟件等模塊組成的系統(tǒng)，模擬工業(yè)生產(chǎn)和大型設備的操作，涵蓋了電子信息、機械原理、氣動原理、控制技術、汽車制造和機器人等多個領域，可以真實展現(xiàn)控制過程、機械以及科學原理。目前IBM、寶馬、西門子等一大批世界著名公司均采用慧魚模型來論證生產(chǎn)流水線。第三、功能導向式綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)，遵循實踐設計的解決思維過程，使用一套功能導向式培養(yǎng)方式，幫助學生從項目的功能出發(fā)分析問題、發(fā)掘問題和解決問題。

整個教學體系中，每組每個模塊都包含了三個主要環(huán)節(jié)：水平精準測試和精準教學目標確定、分階段分模塊教學設計、基于數(shù)據(jù)分析的精準定位、教學評價和問題查找等。

（一）水平精準測試和精準教學目標樹確定

在學生“分組”時：首先對學生進行精準測試評估，根據(jù)學生的水平、興趣和項目類型等進行分組，各組之間可以根據(jù)實際需要靈活分拆和組合，在學習模式上采用“階段+模塊”的培養(yǎng)模式，把學習內容進行分解和組合，對每個階段和每個模塊分別設計教學目標、任務和學習材料資源等，為各個組設計精準的教學目標，每組都采用集中教學方式，因此可以認為是一種精準教學與傳統(tǒng)教學模式相結合。

精準教學目標確定是精準教學的一個重要環(huán)節(jié)，也是與教學評估、問題自查相對應。首先經(jīng)過教師團隊對知識或技能目標的層層梳理后，按照學生掌握知識或技能內化過程來設置精準教學的目標和問題。由于知識和技能的關聯(lián)性和復雜性，精準教學的目標設計可以是由多個子目標組合起來的一顆目標樹，最上層的是根目標。圖3示例了一個第一階段的復雜的機電一體化模塊教學目標樹。

教學目標樹的建立需要根據(jù)知識或技能的內容具體細化子目標，并有可執(zhí)行性，同時每個目標可以對應幾個知識點或問題，建立與目標樹對應的節(jié)點配套的試題庫，用于測試評估學生的掌握情況。特別是對于實踐類的知識或技能，精準教學不僅要講授關聯(lián)知識和技能，還要引導學生完成實踐活動的教學，與具體的、細化的問題具有很大的關聯(lián)性。因此，要求精準目標能夠針對知識點或實現(xiàn)某個功能，引導學生從簡單的模仿到有自己的想法思路，甚至創(chuàng)新思維，可以高質量地完成一個實踐學習，從而提高教學效果和教學效率。

目標樹同時也是問題自查和數(shù)據(jù)挖掘的主要依據(jù)。子目標對應的具體知識點和具體問題可以用于發(fā)現(xiàn)學生的掌握情況，驗證教學的實際效果，其過程類似于傳統(tǒng)教學的階段測試。在評估過程中，對教學周期教學評估測試，尋找短板知識或欠缺的技能，貫徹到下一步教學設計和實施中，從而避免自由散漫，提高教學的有效性和針對性。

（二）基于創(chuàng)新實踐的分階段分模塊教學設計

在創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，應該遵循認識事物發(fā)展的固有規(guī)律，由淺入深、由簡到繁、由個別學習到綜合應用，因此“分組+階段+模塊”培養(yǎng)模式是個不錯的選擇。“階段”是按創(chuàng)新實踐培養(yǎng)分為基礎知識和培訓階段、實踐提高階段、綜合創(chuàng)新實踐等三個階段；在基礎階段中，著重培養(yǎng)學生的基礎知識和專業(yè)理論知識，和傳統(tǒng)的教學的不同在于首先需要根據(jù)學生的水平等級進行分組；在理論和實踐提高階段，加深專業(yè)理論知識，并與實踐相結合，針對實際項目或問題設計實踐方案，逐步培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；在創(chuàng)新設計階段，鍛煉學生在各種創(chuàng)新課程設計、創(chuàng)新實踐設計和各種創(chuàng)新比賽中發(fā)現(xiàn)的問題、解決問題，并提煉為理論知識。整個教學設計如圖4所示。

在每個階段中，將各個知識和技能“模塊化”中，即在三個不同的學習階段分為多個學習模塊。例如，在基礎知識和培訓階段，根據(jù)機器人創(chuàng)新設計和競賽的基本知識和技能，分為控制理論基礎知識模塊、機械設計知識模塊、傳感器模塊、電氣電路模塊及上、下位機軟件編程模塊等。在實踐提高階段，實現(xiàn)獨立的功能模塊設計，例如，在移動機器人項目中的一個實際問題“實現(xiàn)機器人運動加速度的精確測量”，這個問題涉及了多個知識點，可以分解為多個問題和目標：（1）“傳感器加速度測量的選擇”；（2）“如何精確測量”，其中包含對各種傳感器的了解和選型，測量的精度、標定、校對和誤差分析處理等多個概念和步驟。實際中首先選擇合適的傳感器，然后可能需要完成傳感器的標定和校對，測量之后，對測量數(shù)據(jù)進行分析和處理。

在綜合創(chuàng)新實踐階段：圍繞的實踐項目的關鍵技術，例如機器人項目的核心模塊開發(fā)、改進和研究，通過把畢業(yè)設計、創(chuàng)新實踐項目及創(chuàng)新性比賽作為載體，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，鍛煉學生的實踐創(chuàng)新能力。

為了能夠達到精準教學目標，需要建構與精準目標相應的學習教材、資源庫和測試庫等，以便教學過程中，準確地推送對應的學習、訓練和測試資料，將傳統(tǒng)教材加上各種其他材料，例如PPT、電子書、在線視頻、3D仿真、程序源碼、在線論壇和題庫等多種類型，擴展為“知識點學習材料”“實踐練習材料”“綜合創(chuàng)新實踐材料”為一體的系統(tǒng)學習訓練庫。

（三）基于數(shù)據(jù)分析的精準定位、教學評價和問題查找

傳統(tǒng)的教學策略是在預定的課堂內完成對某個知識點或技能的學習，下一時刻將必須進入到下個知識點，而且往往不管學生是否已經(jīng)掌握了這個知識點或技能，因此，對部分學生來說，無法高效地利用時間和有限資源。學生的最清楚原則和每日表現(xiàn)測量是精準教學的兩大基本原則，是教學評價的主要依據(jù)。精準教學與傳統(tǒng)教學方法不同的是需要準確地判斷學生對知識點的掌握情況、對技能的使用情況和教學的實際效果等，從而可以有針對性地選擇適當?shù)慕虒W資料，采用恰當?shù)慕虒W手段，講授特定的教學內容，因此，教學評估和學生知識體系缺陷的評估是精準教育的基礎環(huán)節(jié)，也是和傳統(tǒng)教育方法的主要區(qū)別之一。只有通過教學評價，才能清晰直觀地了解學生的學習情況，發(fā)現(xiàn)教學過程中的問題，并以評價結果為依據(jù)改善教學。

在傳統(tǒng)的教學方法中要做到上述的精準定位和精準決策是很困難的。然而，隨著信息技術的發(fā)展，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)技術、智能手機的大量使用，獲取數(shù)據(jù)變得方便，教師可隨時了解學習進展和效果，快速實現(xiàn)問題的精準查找和定位，通過機器學習等先進信息技術處理收集的數(shù)據(jù)和分析算法，及時反饋教學效果和狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)學生的困難和瓶頸，為最終的精準決策提供依據(jù)。

當學習較難的知識點時，及時發(fā)現(xiàn)問題，掌握學習效果，反復練習直到解決問題；當發(fā)現(xiàn)學生對知識學習的動力和興趣不大時，其原因可能是趣味性差或者學生自身的注意力不集中。若某一知識點的多次出現(xiàn)學習效果不佳，從側面說明老師講解不透徹、不到位，從而幫助教師查找問題，重新設計教學材料和策略。例如，當學生在綜合測試題目中的正確率低于某一標準（如60%）時，要求學生重新回到原模塊的學習，直到通過相應模塊的測試題目?？傊?，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以確定教學內容、發(fā)現(xiàn)教學策略最佳調整和教學干預時機等。現(xiàn)在，微信不但能夠解決師生、生生之間交流、協(xié)作不足的問題，而且通過其擴展功能，例如訂閱號、微信小程序，都能夠為學生日常的教育和學習提供了一個良好的學習平臺、數(shù)據(jù)的收集和評價的平臺。例如設計“閑時教育”的微信公眾號，包含“課件”“布置任務”“知識點介紹”三個功能模塊，“布置任務”的菜單下有“每日一測”“作品評價”和“評價量表”。此系統(tǒng)功能簡單，通過適當?shù)墓δ軘U展，可以開發(fā)出適合精準教學的多維度的在線學習、評價系統(tǒng)。

三、靈活的分層分組實施策略

現(xiàn)有各高校陸續(xù)開設了各種各樣的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程。根據(jù)多數(shù)高校的情況，第一層和第二層的大部分課程和知識點可以分配到日常的教學和現(xiàn)有的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程中。例如，上海理工大學除了各類專業(yè)課以外，還為電子信息類專業(yè)開設了多種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程：C語言程序設計與實踐、單片機應用與電子競賽實訓、機器人創(chuàng)新設計、工程制圖競賽、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能創(chuàng)新設計、數(shù)學建模競賽與實訓、創(chuàng)新思維訓練、網(wǎng)絡工程技術與應用、汽車電子技術、虛擬桌面運維等。在很大程度上，學生日常的教學完成了大部分第一階段和部分第二階段的學習，因此，可以和現(xiàn)有的教學體系實現(xiàn)了無縫對接。

在每個階段中，通過學生知識體系缺陷測評，查找出學生和技能不足，針對性進行知識教學和技能訓練，讓學生快速完善知識體系和技能。實施的流程是：按模塊分組學習（測試通過）→下一模塊學習（整組模塊測試通過）→下一階段（按項目分組），形成一個遞進的循環(huán)學習過程，逐步提升和完善學生的知識結構、實踐動手和創(chuàng)新能力。綜合創(chuàng)新實踐是現(xiàn)有高校的培養(yǎng)方案中比較欠缺，也是最困難的環(huán)節(jié)。另外，我們指定相應的研究生參與指導本科生，協(xié)助困難問題解決。采用差異化的分組策略有助于形成同組之間的協(xié)同氛圍和組別之間的競爭機制。

目前，各種各樣的學科競賽、創(chuàng)新項目種類多，始終貫穿大學教育，因此將競賽內容有機地融入精準教學的綜合創(chuàng)新實踐，已經(jīng)有了較好的基礎?，F(xiàn)有的成功經(jīng)驗大多是借力于各種學科比賽和創(chuàng)新實踐項目。從我們實施效果來看，將精準教學與各種競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及畢業(yè)設計的結合，分組之間的差異，可以激發(fā)學生的競爭意識，提升學習興趣，有助于形成良好的學習和研究氛圍。在同組學生之間的相互討論和協(xié)助下，絕大多數(shù)學生能夠較快地進入項目或研究課題，提高學生分析問題和解決問題的能力，從而提高學生的解決問題和創(chuàng)新實踐能力。

我們成功的做法是以畢業(yè)設計、創(chuàng)新實踐項目及創(chuàng)新性較強的課程設計為載體，例如全國電子設計大賽、挑戰(zhàn)杯、全國機器人大賽等，利用學校比賽經(jīng)費、儀器設備等資源，針對各種比賽項目進行創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，取得了較好成績。近3年，我們學院和團隊獲得全國各類學科競賽和創(chuàng)新設計比賽中取得了優(yōu)秀成績，全國性一等獎20多項、二等獎40多項，特別是在今年的中國研究生電子設計競賽一等獎3項，2015年的本科生全國電子設計大賽全國一等獎5項，并且有多項學生設計作品成功轉化為產(chǎn)品，有效地促進了學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

四、結語

基于精準教學的精準評估、學生知識體系缺陷評價、靈活的分層分組的實施策略，結合傳統(tǒng)集中式高效的授課方式，提出了一套有章可循、行之有效的精準教學模式，通過“分組+階段+模塊”的方式助力創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。分組的差異可以激發(fā)學生的競爭意識，提升學習興趣，有助于形成良好的學習和研究氛圍。通過評價學習效果，發(fā)現(xiàn)個體和總體的教學問題，為后續(xù)教學提供更精準的目標和方法，經(jīng)過多次循環(huán)和提升，為學生提供精準的指導和服務，為實現(xiàn)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)提出了一個可行的教學模式。