工科基礎(chǔ)課程數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)的實(shí)踐與應(yīng)用

沈火明，龔 暉，李翔宇，劉娟

（西南交通大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院，四川 成都 610031）

引言

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”已成為世界各國(guó)掌控下一輪高等教育改革發(fā)展主導(dǎo)權(quán)、話語(yǔ)權(quán)的重要陣地和焦點(diǎn)領(lǐng)域，教育領(lǐng)域?qū)⒁驍?shù)字化發(fā)生顛覆性的變革和結(jié)構(gòu)性的改變，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)在教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。2018年6月21日，教育部在成都召開(kāi)了新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議，會(huì)議指出，要推動(dòng)優(yōu)質(zhì)資源開(kāi)放共享，加大慕課平臺(tái)的開(kāi)放力度，建立慕課學(xué)分認(rèn)定制度，推動(dòng)教師用好慕課和各種數(shù)字化資源，著力破解區(qū)域之間、校際之間優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源不平衡的突出問(wèn)題，尤其是要大力推動(dòng)慕課在中西部高校中的推廣使用。會(huì)議還指出，要重塑教育教學(xué)形態(tài)，高校要將現(xiàn)代信息技術(shù)深度融入教育教學(xué)，打造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，探索實(shí)施智能化的精準(zhǔn)教育，提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生在智能時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，高校一定要緊緊抓住信息化技術(shù)變革帶來(lái)的歷史性機(jī)遇，加快提高人才培養(yǎng)的整體水平，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高等教育質(zhì)量的“變軌超車(chē)”。培養(yǎng)優(yōu)秀的新工科人才，亟須打造新工科“互聯(lián)網(wǎng)+”“智能+”交叉融合的人才培養(yǎng)新模式，而在人才培養(yǎng)中比較重要的一環(huán)是課程、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)的數(shù)字化教育教學(xué)新形態(tài)，其涉及如何利用好網(wǎng)絡(luò)、仿真系統(tǒng)、未來(lái)智能系統(tǒng)等非正式學(xué)習(xí)的手段，涉及新形態(tài)教材、數(shù)字課程建設(shè)、以學(xué)生為中心的教育理念的持續(xù)深化，也涉及以結(jié)果評(píng)價(jià)為主向過(guò)程與結(jié)果評(píng)價(jià)相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。［1］其中，數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)至關(guān)重要。

一、數(shù)字化教學(xué)資源平臺(tái)的建設(shè)

（一）研發(fā)智能型慕課平臺(tái)（SOTS）

根據(jù)當(dāng)前慕課平臺(tái)的技術(shù)情況和學(xué)習(xí)要求，開(kāi)發(fā)研制了智能型慕課平臺(tái)（Smart Online Tutor System,SOTS）。SOTS是目前國(guó)內(nèi)唯一的智能型慕課平臺(tái)，它實(shí)現(xiàn)了課程教學(xué)中的講授、互動(dòng)、作業(yè)、學(xué)生學(xué)習(xí)行為監(jiān)管和質(zhì)量保障等各個(gè)環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。SOTS平臺(tái)通過(guò)人工智能和符號(hào)運(yùn)算等技術(shù)，解決了數(shù)學(xué)表達(dá)式自動(dòng)識(shí)別的難題，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算題和證明題等主觀題型自動(dòng)批改的功能。2020年以前，在SOTS平臺(tái)上，西南交通大學(xué)材料力學(xué)已經(jīng)完成了12個(gè)學(xué)期29個(gè)教學(xué)班2763名學(xué)生的慕課教學(xué)，“高等數(shù)學(xué)”課程已經(jīng)完成了2個(gè)學(xué)期2個(gè)教學(xué)班245名學(xué)生的慕課教學(xué)，兩門(mén)課程均取得了十分良好的教學(xué)效果。“物理化學(xué)”課程則從2020年春季學(xué)期開(kāi)始，采用資源滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的策略在SOTS平臺(tái)上進(jìn)行了第一輪慕課教學(xué)。在2020年春季抗擊新冠肺炎疫情期間，學(xué)?！安牧狭W(xué)”課程的15名教師29個(gè)教學(xué)班的2196名學(xué)生和電子科技大學(xué)基地班的30名學(xué)生，在SOTS平臺(tái)上開(kāi)展了“材料力學(xué)”慕課教學(xué)。除此之外，“高等數(shù)學(xué)”課程的2個(gè)班257名學(xué)生和“物理化學(xué)”課程的3個(gè)班158名學(xué)生在SOTS平臺(tái)上開(kāi)展了慕課教學(xué)。目前，平臺(tái)上線課程有“材料力學(xué)”“理論力學(xué)”“工程力學(xué)”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程，很好地實(shí)現(xiàn)了在慕課中在線討論和互動(dòng)，客觀題、主觀題在作業(yè)及網(wǎng)上測(cè)試中均可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，平臺(tái)研制了自設(shè)公式編輯器，可實(shí)施多種教學(xué)和練習(xí)功能。

（二）研制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)是教育信息化的重要組成部分，其綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中，開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的工程實(shí)踐活動(dòng)或?qū)嶒?yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其是對(duì)于一些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作。目前，已建設(shè)完成基礎(chǔ)力學(xué)和大學(xué)物理兩個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，很好地實(shí)現(xiàn)了上述功能，得到了一致好評(píng)。

（三）建設(shè)工科基礎(chǔ)課程在線題庫(kù)和組卷系統(tǒng)

結(jié)合高等教育出版社教育教學(xué)改革項(xiàng)目，聯(lián)合國(guó)內(nèi)20多個(gè)學(xué)校，筆者主編和出版了《工程力學(xué)在線題庫(kù)和組卷系統(tǒng)》，參與建設(shè)了《理論力學(xué)在線題庫(kù)和組卷系統(tǒng)》，其他課程的在線題庫(kù)和組卷系統(tǒng)建設(shè)正在積極推進(jìn)中。工科基礎(chǔ)課程在線題庫(kù)和組卷系統(tǒng)資源的建設(shè)，不僅有力促進(jìn)了課程建設(shè)，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，還通過(guò)校校協(xié)同構(gòu)建了此類教學(xué)資源建設(shè)的協(xié)同機(jī)制和共享機(jī)制。

二、數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)

（一）建設(shè)精品在線開(kāi)放課程

新工科工程教育信息化建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容是數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，而慕課資源是其重要部分。慕課建設(shè)的基本原則有四條：一是建用結(jié)合，推進(jìn)教與學(xué)變革發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，建設(shè)具有課程特色的慕課資源并應(yīng)用，如用于線上教學(xué)或混合式教學(xué)。二是體系化建設(shè)，調(diào)整慕課課程以碎片化知識(shí)傳授為主的教學(xué)方式，構(gòu)建體系化的慕課資源，支持學(xué)生的建構(gòu)式學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。三是線上線下融合，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)，以學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)，整體開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)，優(yōu)化線上線下學(xué)習(xí)內(nèi)容、方法與策略，建設(shè)教學(xué)資源，支持課堂學(xué)習(xí)與在線學(xué)習(xí)的深度融合。四是完善“以學(xué)生為中心”的質(zhì)量保障體系，以學(xué)生與學(xué)習(xí)為中心，完善質(zhì)量保障體系，降低教學(xué)改革風(fēng)險(xiǎn)，不斷提升教學(xué)質(zhì)量。

根據(jù)上述基本原則，建設(shè)了系列在線開(kāi)放課程，僅工科基礎(chǔ)課程及力學(xué)專業(yè)課程就超過(guò)了22門(mén)，主要上線中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)，其中8門(mén)上線課程已評(píng)為國(guó)家精品在線開(kāi)放課程（國(guó)家級(jí)線上一流課程），包括“工程力學(xué)”“材料力學(xué)”“理論力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“大學(xué)生科技創(chuàng)新”等系列課程。目前，又開(kāi)發(fā)了一系列新工科慕課課程，主要有“大學(xué)生創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)實(shí)踐”“高等機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)慕課”“有限元計(jì)算分析”“彈性力學(xué)”“振動(dòng)力學(xué)”等，并已逐步上線。同時(shí)，積極深入研究慕課的應(yīng)用模式和機(jī)制，包括全程慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、SPOC等。在2020年新冠肺炎疫情期間，SPOC被廣泛應(yīng)用于在線學(xué)習(xí)，MOOC和SPOC選課人數(shù)超過(guò)10萬(wàn)人次?；旌鲜浇虒W(xué)是當(dāng)前課程教學(xué)的一種重要模式，結(jié)合已建設(shè)的慕課資源，系列工科基礎(chǔ)課程進(jìn)行了混合式教學(xué)，努力探索教學(xué)模式，不斷提升課程教學(xué)質(zhì)量。其中，4門(mén)課程入選首批國(guó)家級(jí)線上線下混合式一流課程。

（二）出版數(shù)字課程和新形態(tài)教材

聯(lián)合多個(gè)學(xué)校在數(shù)字課程云平臺(tái)ICC上建設(shè)數(shù)字課程，目前已有“工程力學(xué)數(shù)字”“電磁場(chǎng)數(shù)字”等課程，“理論力學(xué)”數(shù)字課程正在建設(shè)中。數(shù)字課程資源豐富，具有自己的版權(quán)。數(shù)字課程出版后，通常由使用學(xué)校購(gòu)置權(quán)限（學(xué)生的學(xué)習(xí)權(quán)和教師的管理權(quán)），購(gòu)置后開(kāi)通課程授權(quán)，教師具有課程管理權(quán)，包括資源開(kāi)放、資源調(diào)用、在線討論、學(xué)生學(xué)習(xí)行為分析和學(xué)習(xí)結(jié)果應(yīng)用等。由于數(shù)字課程具有優(yōu)質(zhì)資源、實(shí)時(shí)檢測(cè)、后臺(tái)管理權(quán)限等優(yōu)勢(shì)，深受教師和學(xué)生的歡迎，已逐漸在高校開(kāi)展試點(diǎn)，且效果較好。2020年春季學(xué)期，西南交通大學(xué)就有6個(gè)教學(xué)班采用ICC平臺(tái)進(jìn)行課程教學(xué)。在慕課和數(shù)字課程資源的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字資源和教材進(jìn)行了有效整合，編寫(xiě)出版了新形態(tài)教材和新形態(tài)輔導(dǎo)書(shū)9部，包括《材料力學(xué)》《工程力學(xué)》《理論力學(xué)》《材料力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)與指導(dǎo)》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化教程》《概率論與數(shù)字統(tǒng)計(jì)》《工程力學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真與理論》等。教師應(yīng)用數(shù)字化教材可以開(kāi)展多模式教學(xué)改革，研究學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，開(kāi)闊學(xué)生的視野，開(kāi)展課程思政引領(lǐng)；學(xué)生通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化教材，可以檢查學(xué)習(xí)成果，鞏固學(xué)習(xí)，夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)。

（三）開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)是教育信息化的重要組成部分。虛擬仿真工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)是綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的工程實(shí)踐活動(dòng)或?qū)嶒?yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其是一些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真教學(xué)的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)具有明顯優(yōu)勢(shì)，并對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想、體系、模式、內(nèi)容、方法及手段等產(chǎn)生了顛覆性影響?？梢哉f(shuō)，虛擬仿真實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等工程教育信息化建設(shè)和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)與工程教育教學(xué)融合發(fā)展，以及學(xué)科專業(yè)深度融合帶來(lái)的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新。目前，僅基礎(chǔ)力學(xué)就開(kāi)發(fā)了20多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如金屬材料沖擊、微納米金屬絲拉伸、低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)支模型橋靜動(dòng)力實(shí)驗(yàn)、彈性體跌落內(nèi)應(yīng)力模擬、空間桁架橋模型靜力綜合實(shí)驗(yàn)等。

（四）建設(shè)課程思政案例

每門(mén)課程都具有傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力和思想政治教育的雙重功能，承載著培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀的作用［2］。在課程建設(shè)中，工科基礎(chǔ)課程不斷挖掘課程思政元素，包括家國(guó)情懷、人格養(yǎng)成及科學(xué)觀和方法論等。目前，各工科基礎(chǔ)課程已形成系列課程思政教學(xué)案例和一批課程思政教學(xué)資源，并逐漸推廣應(yīng)用，如工程力學(xué)課程，構(gòu)建了“1234”課程思政模式，建設(shè)了課程思政案例庫(kù)，并探索了如何增強(qiáng)教材的育人導(dǎo)向和育人功能。［3］

三、數(shù)字化資源的共享機(jī)制

創(chuàng)設(shè)可靠完整的、智能化的數(shù)字教育資源平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享。當(dāng)前，無(wú)論是自主學(xué)習(xí)還是翻轉(zhuǎn)課堂，都需要一個(gè)完整可靠的教學(xué)資源學(xué)習(xí)平臺(tái)，使各種資源得以共享，以保障學(xué)生能夠即時(shí)獲取需要的學(xué)習(xí)資料。在線課程的出現(xiàn)將課上學(xué)習(xí)內(nèi)容搬到了課下，要想整合這些視頻資源以便學(xué)生能夠隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，需要構(gòu)建一個(gè)智能化的教學(xué)資源平臺(tái)，讓學(xué)生能夠通過(guò)各個(gè)終端進(jìn)行下載學(xué)習(xí)，將手機(jī)、平板及其他移動(dòng)設(shè)備變成獲取學(xué)習(xí)資源的入口，讓學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)足不出戶就可以隨時(shí)隨地地下載教師布置的學(xué)習(xí)任務(wù)，完成預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等環(huán)節(jié)，甚至享用全國(guó)各地的優(yōu)質(zhì)教育資源，傳遞、分享各種消息。研發(fā)的SOTS，將傳統(tǒng)慕課平臺(tái)和智能作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行了有效銜接，線上課程模擬課堂教學(xué)，課后可實(shí)施主觀題、客觀題等練習(xí)，使學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，平臺(tái)實(shí)施的教學(xué)效果得到了廣大師生的肯定，已有多個(gè)學(xué)校作為建設(shè)聯(lián)盟，共享平臺(tái)、共享資源，其經(jīng)驗(yàn)和做法在國(guó)內(nèi)多個(gè)大學(xué)論壇舉辦了報(bào)告活動(dòng)。

數(shù)字課程是MOOC商業(yè)模式的實(shí)現(xiàn)，協(xié)同建設(shè)高校具有獨(dú)立使用后臺(tái)管理權(quán)，教師通過(guò)數(shù)字課程系統(tǒng)平臺(tái)、電子課本、海量?jī)?yōu)質(zhì)資源等功能的應(yīng)用，輕松、高效地打造了完美課件，學(xué)生則通過(guò)交互式的電子書(shū)，快樂(lè)預(yù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容。課堂中，師生通過(guò)數(shù)字課程實(shí)時(shí)互動(dòng)，通過(guò)隨堂測(cè)試和實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，教師準(zhǔn)確掌握了學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生也在第一時(shí)間找到了自己的知識(shí)弱點(diǎn)。課后，通過(guò)數(shù)字課程系統(tǒng)中的作業(yè)布置與練習(xí)，教師輕松進(jìn)行教學(xué)管理，學(xué)生及時(shí)鞏固學(xué)習(xí)成果。通過(guò)班級(jí)空間的資源共享和在線問(wèn)答，更是實(shí)現(xiàn)了跨時(shí)空的數(shù)字化教與學(xué)。上述平臺(tái)和資源建設(shè)均為高校協(xié)同建設(shè)，既突出了各高校的優(yōu)勢(shì)和特色，又使參與的高校實(shí)現(xiàn)了資源共享。參與高校既可以將數(shù)字課程作為學(xué)生的預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)資源和鞏固課程，也可以應(yīng)用數(shù)字課程進(jìn)行混合式教學(xué)。而非協(xié)同高校則需通過(guò)購(gòu)置數(shù)字課程，獲取單屬平臺(tái)的后臺(tái)管理權(quán)，從而在數(shù)字課程平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)同樣的應(yīng)用功能。目前，工科基礎(chǔ)課程數(shù)字課程已發(fā)揮了積極作用，輻射全國(guó)，取得了很好的社會(huì)效應(yīng)，反響很好。

四、示范與輻射作用

作為學(xué)校教育教學(xué)改革的排頭兵，學(xué)校工科基礎(chǔ)課程始終推動(dòng)課程數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，教師團(tuán)隊(duì)全心投入，教改經(jīng)費(fèi)有所保障。數(shù)字化教學(xué)資源的建設(shè)為工科基礎(chǔ)課程一流課程建設(shè)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，并取得了優(yōu)異的成績(jī)，相關(guān)成果獲得2021年四川省教學(xué)成果特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；5門(mén)課程入選首批國(guó)家級(jí)線上一流課程，2門(mén)課程入選首批國(guó)家級(jí)線下一流課程，4門(mén)課程入選首批國(guó)家級(jí)線上線下混合一流課程；1門(mén)課程入選首批國(guó)家級(jí)課程思政示范課程，2門(mén)課程入選四川省課程思政示范課程；獲評(píng)國(guó)家優(yōu)秀教材建設(shè)二等獎(jiǎng)1部，推薦評(píng)審1部；1個(gè)教研室入選首批國(guó)家級(jí)虛擬教研室試點(diǎn)項(xiàng)目；出版數(shù)字化教材和數(shù)字課程9部；建設(shè)智能型慕課平臺(tái)1個(gè)、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2個(gè)；開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目50多個(gè)。同時(shí)，積極組織和參加多個(gè)重要教學(xué)研討會(huì)，如承辦2021年全國(guó)工科基礎(chǔ)課程思政教學(xué)研討會(huì)、2021年教育部力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)工作會(huì)議、2019年全國(guó)基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)研討會(huì)、第五屆全國(guó)力學(xué)課程報(bào)告論壇等，舉辦大會(huì)報(bào)告和主題報(bào)告活動(dòng)超過(guò)30場(chǎng)，積極發(fā)揮教學(xué)改革的輻射作用，使更多的高校和教師受益。