新工科背景下智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建的探究

張文華

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都610000）

從吳愛華等人第一次提出“新工科”概念，到之后的“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”，再到教育部在北京召開“新工科研究與實(shí)踐專家組成立暨第一次工作會(huì)議”之后形成的“北京指南”，這一系列的事件表明我國(guó)的高等工程教育研究進(jìn)入到一個(gè)以“新工科建設(shè)”為核心的嶄新階段。課堂教學(xué)是課程實(shí)施的具體過(guò)程，學(xué)習(xí)環(huán)境是課堂教學(xué)的一個(gè)重要組成部分。因此，隨著“新工科”課程建設(shè)不斷深入，建立與之相配套的學(xué)習(xí)環(huán)境成為新工科課程有效實(shí)施的關(guān)鍵。為此，本文針對(duì)傳統(tǒng)教室的不足，結(jié)合智能學(xué)習(xí)的相關(guān)理論，就新工科學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建提出一些設(shè)想和建議。

一、有效教學(xué)的前提：學(xué)習(xí)環(huán)境

課堂教學(xué)是學(xué)校教育最主要的活動(dòng)之一，是向?qū)W生輸送知識(shí)的主要渠道。在過(guò)去的教改研究中，學(xué)界主要聚焦在教學(xué)主體的探討，在確立了“學(xué)生是教學(xué)的主體，教師是教學(xué)的主導(dǎo)”這一關(guān)系后，一部分學(xué)者開始對(duì)教學(xué)的環(huán)體即學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行研究。學(xué)習(xí)環(huán)境是“學(xué)習(xí)者的周遭外界”［1］，是一個(gè)由多種要素構(gòu)成的復(fù)合體，是影響課堂教學(xué)質(zhì)量和效果的主要因素之一。學(xué)習(xí)環(huán)境一般分為學(xué)校部分與課堂部分兩塊，前者主要集中在學(xué)風(fēng)建設(shè)、課程設(shè)置、培養(yǎng)方式等學(xué)校教育的宏觀層面，后者則是課堂教學(xué)的一個(gè)組成部分，是課堂教學(xué)實(shí)施的具體環(huán)境，以學(xué)校的物質(zhì)條件為基礎(chǔ)，為教師的授課內(nèi)容而服務(wù)。

學(xué)習(xí)環(huán)境包含了人（教師、伙伴等）與物（黑板、桌椅、教材等）兩個(gè)方面的要素，二者相互影響、有機(jī)統(tǒng)一。例如，傳統(tǒng)的紙質(zhì)教科書，對(duì)知識(shí)基礎(chǔ)“層次不齊”的同學(xué)們提出了“整齊劃一”的知識(shí)，必然影響教師的“因材施教”。在確立了學(xué)生的主體地位后，學(xué)界的視角從“教師怎么樣教得好”轉(zhuǎn)變到了“學(xué)生怎么樣學(xué)得好”，在課堂教學(xué)中主要有“傳遞式”和“建構(gòu)式”兩種模型。當(dāng)前的研究表明，傳遞式的教學(xué)主要適用于講座或大型公共課等場(chǎng)合，而對(duì)于人數(shù)較少的專業(yè)課則效果有限，教師更應(yīng)采取建構(gòu)式的方式來(lái)完成教學(xué)。因?yàn)椤皩W(xué)得好”的標(biāo)準(zhǔn)不僅局限于學(xué)生對(duì)概念、公式、理論等基礎(chǔ)知識(shí)的了解與背記，當(dāng)前的教育思想更希望學(xué)生在課堂上能自主完成知識(shí)的建構(gòu)與內(nèi)化，在課程中能逐步形成一套完整的方法，因此研究者越發(fā)認(rèn)識(shí)到課堂教學(xué)“有效”的標(biāo)準(zhǔn)。特別是在大學(xué)階段，教學(xué)目標(biāo)不只在于整堂課知識(shí)量的大小，更在于學(xué)生是否有參與、內(nèi)化的過(guò)程，最后是否能形成相關(guān)的技能和思維。

對(duì)教學(xué)主體的討論，實(shí)際上也是一次對(duì)課堂教學(xué)意義的再認(rèn)識(shí)，從最早的“知識(shí)灌輸”到后來(lái)的“知識(shí)建構(gòu)”，再到今天普遍贊同的“情景認(rèn)知”，學(xué)界對(duì)課堂教學(xué)的認(rèn)識(shí)在不斷加深，教學(xué)要求也在不斷加大。情景認(rèn)知理論認(rèn)為知識(shí)不只是符號(hào)或理論而已，而是人與社會(huì)或自然環(huán)境互動(dòng)的產(chǎn)物，而受教育者只有在一定的情景下，才能真正掌握住相關(guān)的知識(shí)，做到知行合一。因此，外部環(huán)境的構(gòu)建對(duì)于課堂教學(xué)非常重要，因?yàn)椤扒榫硨W(xué)習(xí)認(rèn)為在特定情境中獲得的知識(shí)比所謂的一般知識(shí)更有力和更有用，要求知識(shí)在真實(shí)的環(huán)境下呈現(xiàn)”［2］。特別在“新工科建設(shè)”背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足新工科人才培養(yǎng)的需要，從教學(xué)環(huán)境上看，傳統(tǒng)的教室環(huán)境有時(shí)反而會(huì)成為教學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)阻礙因素，影響教學(xué)的有效性。

二、“新工科”背景下傳統(tǒng)教室的困境

工程學(xué)科是一個(gè)由數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科組成的復(fù)合學(xué)科。在過(guò)去人們的傳統(tǒng)印象中，科學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了人類生活的進(jìn)步，特別在中文語(yǔ)境中，科學(xué)家往往比工程師更能帶給人成就感和尊嚴(yán)感。實(shí)際上用更細(xì)的眼光觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，每一次科學(xué)的進(jìn)步最終都是以技術(shù)或產(chǎn)品的形式回饋社會(huì)的，“世界范圍內(nèi)以人工智能、大數(shù)據(jù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)、新材料、新能源等為代表的新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正加速到來(lái)，必將深刻地改變世界的經(jīng)濟(jì)形態(tài)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而深刻變革人類的生產(chǎn)生活方式，技術(shù)的創(chuàng)新也必然帶來(lái)對(duì)新工科建設(shè)和工程教育創(chuàng)新的強(qiáng)烈需求。”［3］新技術(shù)的出現(xiàn)點(diǎn)燃新的經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)，而新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要工程教育培養(yǎng)與之相適應(yīng)的人才來(lái)支撐，“新工科”的任務(wù)就是要做好第四次工業(yè)革命的開路先鋒，為“中國(guó)創(chuàng)造”和“中國(guó)制造”提供技術(shù)與人才。

目前工科大專院校的課堂教學(xué)主要在教室和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，隨著社會(huì)的發(fā)展，這種傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境已經(jīng)逐步暴露出一些問(wèn)題。

1.教學(xué)形式的單一化。“老師講學(xué)生聽”是過(guò)去課堂教學(xué)最主要的形式，這種形式不利于教師情景的模擬和學(xué)生知識(shí)的構(gòu)建。新經(jīng)濟(jì)需要的人才不僅要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，更要有一定的綜合能力和人文素養(yǎng)，這些素養(yǎng)和能力主要在情景中獲得。由于傳統(tǒng)教室的桌椅板凳都是固定的，阻礙學(xué)生的流動(dòng)與溝通，與真實(shí)的工作環(huán)境差異較大，不利于教師教學(xué)的組織，例如探究式教學(xué)的進(jìn)行，也不利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的充分展開，因此在此條件下展開的小組學(xué)習(xí)往往流于形式，不能引起真正的頭腦風(fēng)暴。誠(chéng)然，團(tuán)隊(duì)中學(xué)生們的爭(zhēng)論也許是淺顯的，但這樣的氛圍正是日后工作環(huán)境的真實(shí)模擬，而企業(yè)中項(xiàng)目或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)往往都以團(tuán)隊(duì)為基本單位，所以情景的模擬不僅能緩解單槍匹馬式學(xué)習(xí)的枯燥與乏味，也是對(duì)學(xué)生表達(dá)、協(xié)作、領(lǐng)導(dǎo)等綜合能力的鍛煉，讓學(xué)生提前感受“工程師”生活，增加他們的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和職場(chǎng)能力。

2.學(xué)習(xí)方式的同質(zhì)化。在傳統(tǒng)教室的課堂教學(xué)中，教師通過(guò)投影播放幻燈片傳遞學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生再以教科書的勾畫和筆記來(lái)鞏固，這種傳統(tǒng)的講授式學(xué)習(xí)不但會(huì)降低學(xué)生的積極性，而且固化了學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)內(nèi)容。新工科的“新”在于探索和研發(fā)新技術(shù)，以此來(lái)滿足新經(jīng)濟(jì)和新行業(yè)發(fā)展的需要，而教科書的編寫、出版有周期性，一般會(huì)慢于技術(shù)的更新，此時(shí)需要教師在授課過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)充，而新工科的內(nèi)容不僅要讓學(xué)生看得到，更要讓他們能“摸”得到，所以新工科課程下的學(xué)習(xí)環(huán)境不能再停留在紙上談兵的階段，而應(yīng)該配備最新的技術(shù)成果，讓學(xué)生有實(shí)操的機(jī)會(huì)，鍛煉他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

3.評(píng)價(jià)方式的機(jī)械化。新工科要求培養(yǎng)學(xué)生“做”的能力，這種實(shí)際的動(dòng)手能力是一種準(zhǔn)技能，在學(xué)生參加工作之后能快速轉(zhuǎn)化為工作能力，“做”的能力主要從實(shí)踐獲得，有時(shí)甚至需要手把手地點(diǎn)撥。而傳統(tǒng)教室的課堂教學(xué)讓教師無(wú)法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程有實(shí)時(shí)的把握，教師難以及時(shí)給予學(xué)生指導(dǎo)，講授為主的教學(xué)方法最后只能用紙筆考試來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這就與新工科課程強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力背道而馳，因?yàn)闅w根到底這是一種“寫”而非“做”的能力，不符合市場(chǎng)和用人單位實(shí)際的需求?！艾F(xiàn)有的工程教學(xué)評(píng)價(jià)方式主要是以學(xué)分、成績(jī)的‘供給’為導(dǎo)向，而非以畢業(yè)出口的‘需求’為導(dǎo)向?！保?］新工科背景下，不能再單純地以試卷分?jǐn)?shù)來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生，應(yīng)該更多地通過(guò)學(xué)生的設(shè)計(jì)和作品來(lái)考察他們的學(xué)習(xí)效果。

由此看來(lái)，過(guò)去傳統(tǒng)的教室、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境已經(jīng)不能完全滿足新工科建設(shè)的需要，而智能學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建，是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。

三、智能學(xué)習(xí)環(huán)境的框架設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能技術(shù)開始被廣泛地運(yùn)用到教育領(lǐng)域中，為課堂教學(xué)提供全面的支持。結(jié)合當(dāng)下廣泛運(yùn)用的教育技術(shù)，可以從三個(gè)方面著手進(jìn)行智能學(xué)習(xí)環(huán)境的建設(shè)。

1.智能設(shè)備的增加。智能設(shè)備是智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建的基礎(chǔ)，設(shè)備是技術(shù)的載體。在目前講臺(tái)、黑板和投影儀的基礎(chǔ)上，學(xué)?？梢栽黾又悄茉O(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)教室進(jìn)行武裝，來(lái)實(shí)現(xiàn)教室功能的多元化，為課堂教學(xué)提供幫助。例如，可以使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓教師能對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境的濕度、溫度和亮度進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到教學(xué)的最適宜狀態(tài)。再如，可以引進(jìn)人臉識(shí)別技術(shù)，完成到課情況的智能管理，節(jié)省上課時(shí)間，記錄學(xué)生學(xué)習(xí)情緒。

2.智能交互的構(gòu)筑。智能交互是智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵，“物”要素最終是為“人”要素服務(wù)的，良好的師生、生生互動(dòng)是一堂好課的關(guān)鍵。例如引進(jìn)行為感知技術(shù)后，教師可以通過(guò)后臺(tái)對(duì)學(xué)生在設(shè)備上的行為進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以此來(lái)找到學(xué)生的興趣點(diǎn)和學(xué)習(xí)難點(diǎn)。再如，利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，師生可以通過(guò)平板等設(shè)備進(jìn)行全方位的交流，包括重點(diǎn)內(nèi)容的操演、學(xué)生方案的展示、實(shí)時(shí)提問(wèn)等，這比傳統(tǒng)的語(yǔ)言交流信息量更大，也更加容易被學(xué)生吸收。

3.模擬場(chǎng)景的建立。模擬場(chǎng)景的建立是構(gòu)建智能學(xué)習(xí)環(huán)境最主要的目的之一，通過(guò)人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)建立數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以為學(xué)生提供視覺、聽覺甚至是觸覺的模擬，營(yíng)造一個(gè)和工作環(huán)境相似的場(chǎng)景，讓他們有“身臨其境”之感。這種學(xué)生和未來(lái)工作設(shè)備、實(shí)際問(wèn)題的提前接觸，是過(guò)去傳統(tǒng)教室所不能比擬的，可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的沉浸感，激發(fā)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，也為他們提供了實(shí)操的機(jī)會(huì)。

需要指出的是，智能學(xué)習(xí)環(huán)境的具體構(gòu)建需要一定的實(shí)際條件做支撐，而各校的具體情況是不同的，“不可否認(rèn)的是，教室作為當(dāng)下時(shí)代最重要的學(xué)習(xí)環(huán)境的一部分，確實(shí)發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，承載著教師的教學(xué)活動(dòng)和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，但隨著智能技術(shù)的發(fā)展，類似于教室這類較為固定范式、可轉(zhuǎn)換性較差的實(shí)體空間是否會(huì)永存，這是一個(gè)值得爭(zhēng)議的話題。”［5］怎樣在理想和現(xiàn)實(shí)之間找到平衡，結(jié)合各校實(shí)際情況構(gòu)建智能學(xué)習(xí)環(huán)境，為新工科課程提供開花結(jié)果的土壤，是一項(xiàng)值得研究和建設(shè)的長(zhǎng)期工程。