“人工智能+新工科”創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)策略及開(kāi)展方式探析

王 征 蔡長(zhǎng)青 楊天乙 劉 輝

長(zhǎng)春工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，吉林 長(zhǎng)春 130012

2017年教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)以來(lái)，先后形成了以“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”為主要標(biāo)志的新工科建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略與共識(shí)，并且全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)。與此同時(shí)，面對(duì)著席卷全社會(huì)的人工智能浪潮，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的高等教育迫切地需要充分利用人工智能技術(shù)。借助互聯(lián)網(wǎng)與人工智能領(lǐng)域的先進(jìn)手段與研究成果，可以深化新工科實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域的改革。通過(guò)人工智能與新工科建設(shè)深度融合，創(chuàng)新人工智能背景下的實(shí)踐教學(xué)策略，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與方法，推進(jìn)新工科創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)模式的建設(shè)與發(fā)展［1-2］。

一、“人工智能+新工科”教育發(fā)展背景

（一）政策引導(dǎo)與發(fā)展方向

隨著人工智能的深入研究與應(yīng)用普及，人們的生活和學(xué)習(xí)方式得到了徹底的改變。2017年7月8日，國(guó)務(wù)院出臺(tái)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》指出，推動(dòng)人工智能在教學(xué)、管理、資源建設(shè)等全流程的應(yīng)用，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系。由此，在科技現(xiàn)代化高速發(fā)展的新時(shí)代，人工智能進(jìn)學(xué)校上升為國(guó)家戰(zhàn)略［3］。“人工智能正快速進(jìn)入教育領(lǐng)域，既是教育改革的新工具，也是課程教學(xué)的新內(nèi)容。”教育部教育信息化專家組秘書(shū)長(zhǎng)、華東師范大學(xué)教授任友群認(rèn)為，人工智能對(duì)部分現(xiàn)有工種的取代和對(duì)新職位的創(chuàng)造會(huì)給高等教育人才培養(yǎng)模式、內(nèi)容和方法帶來(lái)巨大的變化，并對(duì)深化教育體制改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［4］。

（二）新時(shí)代對(duì)應(yīng)用型高技能人才的巨大需求

人工智能熱潮帶來(lái)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，同樣也帶來(lái)對(duì)應(yīng)用型高技能人才的大量需求。這些應(yīng)用型高技能實(shí)踐人才不僅需要掌握新工科的應(yīng)用技能，還要能勝任人工智能帶來(lái)的新型職業(yè)要求，能應(yīng)對(duì)新型技術(shù)需求帶來(lái)的新的挑戰(zhàn)。作為“世界工廠”的中國(guó)，長(zhǎng)期存在著應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才緊缺和不匹配的困境。據(jù)教育部、人社部、工信部聯(lián)合發(fā)布的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》顯示，制造業(yè)十大重點(diǎn)領(lǐng)域2020年的人才缺口超過(guò)1900萬(wàn)人，到2025年這個(gè)數(shù)字將接近3000萬(wàn)人。巨大的人才缺口，必然倒逼新工科教育與人工智能先進(jìn)的教育手段、研究成果相結(jié)合［5］。這里的“人工智能+新工科”并不是簡(jiǎn)單的兩者相加，而是要充分發(fā)揮“人工智能”在新工科教育中的作用，將“人工智能”的創(chuàng)新成果深度融合于新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐之中，形成以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)現(xiàn)工具的工程類教育新形態(tài)，提升新工科教育的培養(yǎng)質(zhì)量和創(chuàng)新力［6］。

二、目前新工科實(shí)踐教學(xué)課程面臨的困境

新工科的提出為高校工程教育實(shí)踐探索提供了一個(gè)全新的視角。新工科建設(shè)既順應(yīng)了科技革命與產(chǎn)業(yè)革命引發(fā)的新興工程類學(xué)科發(fā)展需要，也是對(duì)傳統(tǒng)工科的升級(jí)換代［7］。在實(shí)踐教學(xué)方面新工科建設(shè)存在的普遍性挑戰(zhàn)主要包括四個(gè)方面：實(shí)踐內(nèi)容相對(duì)滯后、知識(shí)碎片化缺少整體性、教學(xué)資源不足、教學(xué)方法單一。

（一）實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相對(duì)滯后

工程類實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容往往滯后于新時(shí)代智能化工程的應(yīng)用現(xiàn)狀，配套新技術(shù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目相對(duì)欠缺，劃分過(guò)細(xì)的專業(yè)設(shè)置又缺少多學(xué)科交叉融合的綜合性實(shí)訓(xùn)課程支撐。因此，難以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對(duì)高端應(yīng)用型技術(shù)人才的培養(yǎng)要求［8］。

（二）知識(shí)碎片化，缺少整體性

長(zhǎng)期以來(lái)，工科實(shí)踐課程知識(shí)點(diǎn)高度專業(yè)化，帶來(lái)實(shí)踐教學(xué)缺少整體性知識(shí)架構(gòu)，知識(shí)點(diǎn)的連續(xù)性與層次性劃分不夠突出，碎片化現(xiàn)象明顯，帶來(lái)實(shí)踐教學(xué)的案例要求與智能時(shí)代的具體應(yīng)用存在脫節(jié)的現(xiàn)象。

（三）教學(xué)資源不足

工科實(shí)踐教學(xué)中缺少合適的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，表現(xiàn)在現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備相對(duì)落后。同時(shí)，智能化的實(shí)訓(xùn)設(shè)備嚴(yán)重不足，少量高端智能化的設(shè)備多用于科研領(lǐng)域，難以深入普及到教學(xué)實(shí)踐之中。這些實(shí)踐教學(xué)資源的不足，會(huì)帶來(lái)實(shí)踐教學(xué)形式化現(xiàn)象的發(fā)生。

（四）教學(xué)方法單一

工程類的實(shí)踐教學(xué)方法單一，課程枯燥，并且難以理解，不易激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新性意識(shí)［9］。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)課程理論教學(xué)與實(shí)踐操作學(xué)時(shí)分配不均，很難開(kāi)展理實(shí)一體化教學(xué)。因此，急需探索面向新時(shí)代的工科實(shí)踐類課程教學(xué)方法與開(kāi)展方式的研究。

三、“人工智能+新工科”創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)策略

（一）教學(xué)目標(biāo)方面

人工智能時(shí)代對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)、能力要求和掌握程度都提出了新的需求。在教學(xué)目標(biāo)上，人工智能時(shí)代要以“思維教學(xué)”為主線，既強(qiáng)調(diào)基于認(rèn)知能力的信息加工、分析綜合、邏輯推理等工程思維，還要增加和突出知識(shí)體系和工程能力的培養(yǎng)。具體落實(shí)到要強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性知識(shí)、方法性知識(shí)和能力性知識(shí)的教學(xué)，要注重教學(xué)原理的同時(shí)統(tǒng)籌實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

（二）教學(xué)組織方面

人工智能環(huán)境下的新工科實(shí)踐教學(xué)以“智慧課堂”為主要特征，人機(jī)交互、線上線下混合式教學(xué)成為主要教學(xué)形態(tài)。在課堂教學(xué)上由理論教學(xué)和綜合實(shí)訓(xùn)兩個(gè)部分組成，主講教師可以綜合運(yùn)用人工智能技術(shù)輔助完成各環(huán)節(jié)的教學(xué)過(guò)程，在布置和批改作業(yè)、監(jiān)督課程學(xué)習(xí)、知識(shí)點(diǎn)訓(xùn)練與考核、學(xué)習(xí)情況達(dá)成度分析等環(huán)節(jié)可以由人工智能程序來(lái)完成?？梢哉f(shuō)，人工智能程序就是一名隱藏在教學(xué)各環(huán)節(jié)中的虛擬教師，它讓主講教師從機(jī)械重復(fù)的工作中解放出來(lái)，去做更有價(jià)值的教學(xué)工作。

（三）課程設(shè)計(jì)方面

“人工智能+新工科”是在新工科教育的背景下，實(shí)現(xiàn)教學(xué)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上的智能化應(yīng)用。課程設(shè)計(jì)采用“互聯(lián)網(wǎng)+”結(jié)合線下實(shí)訓(xùn)教學(xué)的融合模式，在線上教學(xué)中運(yùn)用微課、教學(xué)視頻演示、仿真動(dòng)畫模擬等現(xiàn)代互動(dòng)教學(xué)手段，增加對(duì)基本原理知識(shí)點(diǎn)的理解；在線下教學(xué)中采用基于過(guò)程的任務(wù)驅(qū)動(dòng)和案例分析的教學(xué)方法，通過(guò)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的合理設(shè)計(jì)突出對(duì)應(yīng)用型高素質(zhì)技能的培養(yǎng)，其中的教學(xué)案例知識(shí)點(diǎn)均提煉于真實(shí)工業(yè)設(shè)計(jì)及應(yīng)用流程，注重形成全流程教學(xué)反饋機(jī)制指導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

四、“人工智能+新工科”實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)置原則與方法

（一）教學(xué)內(nèi)容設(shè)置原則

實(shí)踐課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置重點(diǎn)是突出工作任務(wù)與知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，使學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)的基礎(chǔ)上掌握知識(shí)，這就要求增強(qiáng)課程內(nèi)容與實(shí)訓(xùn)能力要求的相關(guān)性。在具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分體現(xiàn)任務(wù)引領(lǐng)、實(shí)踐導(dǎo)向的課程思想，使實(shí)訓(xùn)任務(wù)具體化。課程內(nèi)容打破學(xué)科課程的設(shè)計(jì)思路，其編排的依據(jù)是技能操作所特有的工作任務(wù)邏輯關(guān)系，而不是單純的知識(shí)關(guān)系，提高學(xué)生的工程規(guī)范應(yīng)用能力。學(xué)生具體的學(xué)習(xí)任務(wù)要以工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試與檢測(cè)等能力為基本目標(biāo)，要緊密圍繞任務(wù)完成的需求來(lái)選擇和組織教學(xué)資源。在學(xué)時(shí)分配上要充分考慮工作任務(wù)完成需要、學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和職業(yè)能力形成的規(guī)律，綜合教學(xué)內(nèi)容總量及在該課程中的地位進(jìn)行合理分配。

（二）教學(xué)方法與手段

實(shí)踐課程的教學(xué)采用融合線上線下混合教學(xué)的方式，綜合運(yùn)用多平臺(tái)開(kāi)展交互式教學(xué)。運(yùn)用遞進(jìn)式層次化教學(xué)方法，按照“基礎(chǔ)知識(shí)—應(yīng)用能力—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐”三層次組成遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)體系，通過(guò)層次化案例式教學(xué)，使學(xué)生直觀掌握專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、分析方法和基礎(chǔ)技能，培養(yǎng)學(xué)生探究科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣和職業(yè)規(guī)范。尤其是能運(yùn)用相關(guān)的專業(yè)知識(shí)、專業(yè)方法和專業(yè)技能解決現(xiàn)代工程中的實(shí)際問(wèn)題，并為深入學(xué)習(xí)本專業(yè)有關(guān)后繼課程和從事有關(guān)現(xiàn)代工程類技術(shù)實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

五、實(shí)踐教學(xué)案例

電氣檢修綜合實(shí)訓(xùn)課程是電力系統(tǒng)及自動(dòng)化專業(yè)必修的新工科專業(yè)建設(shè)實(shí)踐類課程。課程確立了“以人為本，以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，以能力培養(yǎng)為本位”的教學(xué)理念定位?，F(xiàn)以該課程為具體案例分析人工智能背景下新工科實(shí)踐課程的教學(xué)模式與方法。電氣檢修綜合實(shí)訓(xùn)課程采用線上線下混合式實(shí)踐教學(xué)模式，線上以知識(shí)講解學(xué)習(xí)為主，線下開(kāi)展實(shí)踐技能操作活動(dòng)，以問(wèn)題解決、能力培養(yǎng)為主。這種教學(xué)模式體現(xiàn)了線上和線下教學(xué)方式的互補(bǔ)性，充分發(fā)揮了線上和線下教學(xué)模式的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，更加有助于促進(jìn)教育質(zhì)量的全面提升。

（一）線上教學(xué)階段

電氣檢修綜合實(shí)訓(xùn)課程的線上教學(xué)階段利用了跨平臺(tái)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式，課程采用騰訊會(huì)議、學(xué)習(xí)通和課程QQ群相結(jié)合的方式開(kāi)展分階段教學(xué)工作。三個(gè)平臺(tái)的主要分工各有側(cè)重，騰訊會(huì)議作為在線講解授課的主要教學(xué)平臺(tái)；學(xué)習(xí)通則用于布置日常作業(yè)并記錄學(xué)生的簽到考勤情況；課程QQ群進(jìn)行實(shí)訓(xùn)輔導(dǎo)和課后答疑。在明確各平臺(tái)具體分工基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用以上三個(gè)軟件平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)工作。具體的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程分為如下三個(gè)階段進(jìn)行。

1.課程設(shè)置及備課階段

授課教師在上課前將本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)、課堂作業(yè)以及簽到時(shí)間等信息布置在學(xué)習(xí)通中，學(xué)習(xí)通可以按教學(xué)環(huán)節(jié)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)定依次向?qū)W生發(fā)布相關(guān)信息。

2.課堂教學(xué)階段

教師在騰訊會(huì)議中可以專注于課堂教學(xué)內(nèi)容的講解，并針對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)。在每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目講解過(guò)程中，首先，講解電氣設(shè)備基礎(chǔ)理論及其原理；其次，針對(duì)檢修操作中的技術(shù)要點(diǎn)和操作步驟進(jìn)行詳細(xì)的講解；最后，結(jié)合播放教學(xué)視頻增加學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作的直觀認(rèn)識(shí)。

3.課后輔導(dǎo)答疑階段

課后輔導(dǎo)階段教師可以將自己提前準(zhǔn)備好的相關(guān)知識(shí)技能講解視頻上傳到網(wǎng)上，并將教學(xué)課件和實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)參考資料上傳到課程QQ群中，以方便學(xué)生復(fù)習(xí)查閱。同時(shí)，使用班級(jí)課程QQ群與學(xué)生進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)，解答學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)和實(shí)訓(xùn)報(bào)告的疑問(wèn)。

（二）線下教學(xué)階段

電氣檢修綜合實(shí)訓(xùn)課程在線下教學(xué)過(guò)程中應(yīng)突出電氣實(shí)訓(xùn)任務(wù)與知識(shí)間的聯(lián)系，將電路實(shí)踐與理論教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生在電工實(shí)踐活動(dòng)的基礎(chǔ)上深化對(duì)電氣專業(yè)知識(shí)點(diǎn)的理解，增強(qiáng)課程內(nèi)容與電工技能能力要求的相關(guān)性，同時(shí)提升學(xué)生的電工規(guī)范應(yīng)用能力。

線下教學(xué)內(nèi)容方面，針對(duì)電氣檢修類課程的專業(yè)特點(diǎn)，將線下教學(xué)內(nèi)容分為遞進(jìn)式的三類：原理運(yùn)行維護(hù)類、拆裝檢修類和檢測(cè)診斷類。這三種類型在具體教學(xué)內(nèi)容劃分上分別對(duì)應(yīng)著電路基本構(gòu)成、常用元件安裝檢修和復(fù)雜控制電路故障診斷三個(gè)教學(xué)層次。這三個(gè)教學(xué)層次又延伸出啟發(fā)式教學(xué)、任務(wù)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)和知識(shí)拓展三個(gè)教學(xué)模塊。其中，啟發(fā)式教學(xué)模塊采用教師預(yù)設(shè)場(chǎng)景的方式引導(dǎo)學(xué)生思考；任務(wù)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)模塊明確電氣設(shè)備電路學(xué)習(xí)的目標(biāo)，并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；知識(shí)拓展延伸模塊擴(kuò)展學(xué)生發(fā)散思維，培養(yǎng)創(chuàng)新性的職業(yè)素養(yǎng)。

六、結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)人工智能時(shí)代“新工科”建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)拋棄以學(xué)科理論知識(shí)灌輸為中心的課程教學(xué)傳統(tǒng)觀念，要以現(xiàn)代工程應(yīng)用技術(shù)培養(yǎng)需求為目標(biāo)，深入開(kāi)展人工智能與新工科建設(shè)的關(guān)系研究，對(duì)新工科人才培養(yǎng)的基本能力、專業(yè)能力、創(chuàng)新能力等要求進(jìn)行剖析。實(shí)行跨平臺(tái)線上線下混合式教學(xué)模式，優(yōu)化更新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)方法和手段，采取項(xiàng)目引領(lǐng)+任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的實(shí)踐教學(xué)組合方式，使學(xué)生在教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，學(xué)到新知識(shí)，掌握新技能，提升新能力。