脫嵌與內(nèi)嵌:智慧工程教學(xué)的現(xiàn)實困境與推進策略
——基于技術(shù)嵌入理論

楊 冬

(清華大學(xué) 教育研究院,北京 100084)

一、 研究背景與問題提出

推進教育數(shù)智化轉(zhuǎn)型、打造智慧教學(xué)新范式是數(shù)智時代的必然趨向。為主動應(yīng)對5G、人工智能、虛擬現(xiàn)實、元宇宙等技術(shù)變革,教育部2018年發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》要求以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)為基礎(chǔ),依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò),開展智慧教育創(chuàng)新和示范行動,推動教育模式變革和生態(tài)重構(gòu)[1]。2022年,數(shù)字中國和教育數(shù)字化戰(zhàn)略全面啟動,在頂層設(shè)計上賦予了智慧教育變革的合法性,構(gòu)建數(shù)智技術(shù)驅(qū)動的新型教育教學(xué)模式自上而下演化為高校集體行動。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)智技術(shù)的全覆蓋和深度融合,系統(tǒng)打造智慧教育教學(xué)新格局,儼然成為未來教育的內(nèi)生需求和必由之路。

何為智慧教育?主流認識以教育技術(shù)學(xué)科為導(dǎo)向,立足技術(shù)與教育教學(xué)雙向賦能視角,將其界定為一種技術(shù)驅(qū)動的未來教育范式,認為智慧教育既是智能技術(shù)在教育中深度應(yīng)用的結(jié)果,也是智能時代教育全面轉(zhuǎn)型與變革的方向[2]。在質(zhì)的規(guī)定性上,智慧教育是一種與傳統(tǒng)教育相區(qū)別的,具有變革性、創(chuàng)新性的教育形態(tài),絕非簡單線性的“教育+數(shù)智技術(shù)”。同時,智慧教育強調(diào)通過現(xiàn)代信息和人工智能技術(shù)的嵌入、耦合及深度應(yīng)用,使教育教學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性改變,利用人機協(xié)同交互促進教育教學(xué)過程最優(yōu)化與學(xué)習(xí)者發(fā)展[3]。概言之,智慧教育的核心是技術(shù)嵌入與賦能,重點是借助數(shù)智技術(shù)變革課堂教學(xué)結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式,探索和實踐以學(xué)生為中心的智慧教育教學(xué)活動[4],全面實現(xiàn)教學(xué)創(chuàng)新升級與系統(tǒng)變革。

工程教育在高等教育系統(tǒng)中具有主體引領(lǐng)和示范效應(yīng)[5],它是培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新人才、驅(qū)動經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、服務(wù)國家戰(zhàn)略需求、增強國際競爭優(yōu)勢和決勝新一輪科技制高點的引擎和支柱。然而,我國工程教育目前存在“大而不強”的現(xiàn)實矛盾。囿于規(guī)模擴張和“重科研、輕教學(xué)”的人才培養(yǎng)現(xiàn)狀,高校工程教學(xué)環(huán)境單一封閉、課程教學(xué)挑戰(zhàn)度低、學(xué)生參與度不高、教學(xué)評價作用有限等問題久難破解[6],已成為制約工程教育內(nèi)涵建設(shè)、轉(zhuǎn)型升級和提質(zhì)增效的短板。技術(shù)與教育的變革史證實,每一次新技術(shù)的突破和應(yīng)用都會由外向內(nèi)對各級各類教育產(chǎn)生革命性影響。從工程教育高質(zhì)量發(fā)展和創(chuàng)新型工程科技人才培養(yǎng)戰(zhàn)略需求出發(fā),高校必須利用數(shù)智技術(shù)驅(qū)動工程教育教學(xué)的智慧轉(zhuǎn)型和卓越發(fā)展,建構(gòu)適應(yīng)數(shù)智時代的智慧工程教學(xué)范式。

當(dāng)前,數(shù)智化在催動科技、產(chǎn)業(yè)和教育變革上展現(xiàn)出了強勁勢能,數(shù)智技術(shù)正向工程教學(xué)領(lǐng)域快速延伸。相關(guān)研究或從認識論角度指出人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、仿真模擬、增強現(xiàn)實等技術(shù)將系統(tǒng)改變工程教育教學(xué)模式[7];或立足新工科場景,探討智能教育視域下新工科教學(xué)改革框架和實施路徑[8],建立“人工智能+X”教學(xué)模式[9];或?qū)?biāo)某一類工科專業(yè)及課程案例,圍繞技術(shù)輔助教學(xué)創(chuàng)新,分析線上線下混合教學(xué)[10]、虛擬仿真實驗教學(xué)[11]以及基于校企合作的實驗設(shè)計與綜合實習(xí)相融合的智慧實踐教學(xué)等[12]的設(shè)計思路、操作流程、運行效果和行動困境;抑或?qū)徱暚F(xiàn)狀,指出人工智能為工程教育開辟了新潛力和新動能[13]。這些研究雖高度肯定了技術(shù)在工程教育教學(xué)領(lǐng)域是不可或缺的,反映了智慧工程教學(xué)的不同側(cè)面和類型樣態(tài),但總體停留在價值意蘊、概念闡述、平臺技術(shù)和應(yīng)然架構(gòu)的基礎(chǔ)性探索、經(jīng)驗化描述與碎片化構(gòu)想階段,多注重從數(shù)智技術(shù)影響工程教學(xué)的單一視角切入,而未涉及深層的技術(shù)嵌入問題,亦缺乏從數(shù)智技術(shù)與工程教學(xué)變革的邏輯關(guān)系、要素變化和內(nèi)生過程角度加以全盤考量、整體設(shè)計和系統(tǒng)審視,無從為達成實質(zhì)意義的智慧工程教學(xué)形態(tài)和模式提供有效的理論參照與實踐助益。鑒于此,本研究以智慧工程教學(xué)是一個由工程教學(xué)技術(shù)、環(huán)境、活動和主體等交互而成的全新教學(xué)形態(tài)為邏輯起點,結(jié)合技術(shù)嵌入理論,立足智慧工程教學(xué)的整體性和系統(tǒng)性,聚焦技術(shù)變革工程教學(xué)的過程及關(guān)鍵要素的變化進行全面考察,剖析智慧工程教學(xué)的現(xiàn)實困境和推進策略,為智慧工程教學(xué)的持續(xù)實施和縱深改革提供理論之維和行動之徑。

二、 理論基礎(chǔ)與分析框架

(一) 技術(shù)嵌入理論的核心要義

嵌入通常是指一個或一類事物介入另一個或另一類事物的過程和結(jié)果。技術(shù)嵌入理論源于信息技術(shù)快速發(fā)展對社會組織結(jié)構(gòu)、治理方式與制度機制各領(lǐng)域產(chǎn)生的革命性影響,由奧爾加·沃爾科夫(Olga Volkoff)、黛安·斯特朗(Diane M. Strong)和邁克爾·埃爾梅斯(Michael B. Elmes)于2007年首次提出。他們立足批判現(xiàn)實主義視角,指出雖然已有結(jié)構(gòu)理論、制度理論、參與者網(wǎng)絡(luò)理論等解釋了技術(shù)如何導(dǎo)致組織變革,但這些理論要么關(guān)注技術(shù)而忽略人的能動性,要么關(guān)注社會互動而忽視技術(shù),為此其構(gòu)建了有效整合二者的技術(shù)嵌入理論。該理論針對“技術(shù)如何嵌入組織”這一問題,認為在組織中引入信息技術(shù)會導(dǎo)致組織形式和功能變化,詮釋了技術(shù)和組織交叉的作用方式、具體過程和機制。技術(shù)嵌入理論的精義和要點有三:第一,技術(shù)嵌入導(dǎo)致的組織變革體現(xiàn)在組織元素及其內(nèi)在相互關(guān)系變化上,構(gòu)成了技術(shù)產(chǎn)生推動組織變革作用的邏輯緣起或依據(jù)來源;第二,技術(shù)并非作為純粹主觀解釋和構(gòu)建的對象,而是一種能夠?qū)ぷ鲗嵺`產(chǎn)生實際影響的客觀存在物,以技術(shù)為中介的組織變革通過其物質(zhì)條件、數(shù)據(jù)、行為和角色等要素的實質(zhì)變化而發(fā)生;第三,技術(shù)引發(fā)組織變革的過程并非連續(xù)、漸進的,而是會歷經(jīng)結(jié)構(gòu)化條件、社會互動、再生產(chǎn)三個階段[14]?？傊?技術(shù)嵌入理論肯定了技術(shù)作為中介引發(fā)組織變革的積極正向作用,強調(diào)由技術(shù)而致的組織要素及其變化是變革核心,且技術(shù)嵌入并不是線性固定的,而是需要經(jīng)過特定的過程和環(huán)節(jié)。它所揭示的技術(shù)引致組織變革的過程和結(jié)果機制,以及技術(shù)和行動者的互動關(guān)系和作用原理,能夠為我們分析技術(shù)何以系統(tǒng)影響且嵌入組織變革提供整體思路和框架。

(二) 理論適切性分析與分析框架構(gòu)建

本研究采用技術(shù)嵌入理論分析智慧工程教學(xué)變革的困境和策略具有較強的適切性和解釋力。一是技術(shù)作為組織系統(tǒng)變革的內(nèi)嵌變量在邏輯起點上與技術(shù)驅(qū)動的智慧教育變革是一致、統(tǒng)一的。智慧教育是未來數(shù)智時代工程教育教學(xué)的新形態(tài),強調(diào)工程教學(xué)過程與技術(shù)的深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用,通過深層嵌入賦能工程教學(xué)模式變革和提質(zhì)增效。二是技術(shù)作為中介對組織的物質(zhì)、行為、數(shù)據(jù)和角色等要素具有變革性效應(yīng)。本質(zhì)上,智慧教育并非淺表機械的“教育+信息化”“教育+數(shù)字化”,而是突出新一代數(shù)智技術(shù)驅(qū)動教育教學(xué)系統(tǒng)的核心要素以及相互關(guān)系重構(gòu),通過教學(xué)環(huán)境、模式、評價和師生主體能力等的重新定義和再造[3],實現(xiàn)傳統(tǒng)工程教育教學(xué)的組織轉(zhuǎn)型、流程優(yōu)化、模式創(chuàng)新和范式革新。三是技術(shù)催生組織變革過程不是碎片式、孤立線性地關(guān)注單個要素,而是需要技術(shù)、行為和人等諸多要素歷經(jīng)多個階段的交互耦合。智慧教育的根本要義是借助智能技術(shù)工具促成人機協(xié)同合作,變革課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)和模式,探索和實踐以學(xué)生為中心的智慧教育教學(xué)活動,實現(xiàn)教學(xué)的智能轉(zhuǎn)型和效能增值[4]。這一過程涉及教育技術(shù)、教學(xué)活動與師生主體“三位一體”的互動,包括技術(shù)層次從數(shù)字化到智能化升級迭代,業(yè)務(wù)層次從效率提升到教育教學(xué)形態(tài)創(chuàng)新和組織重塑,人本層次通過信息化系統(tǒng)驅(qū)動實現(xiàn)師生思維、行為與技術(shù)有機融合[15]。因而,智慧工程教學(xué)由互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實等眾多新技術(shù)系統(tǒng)嵌入工程教學(xué)“人、機、物”全域進行有機融合而生成,是一種數(shù)智技術(shù)與工程教學(xué)協(xié)同共生的全新形態(tài)。基于此,本研究構(gòu)建了智慧工程教學(xué)的“四維度三層次”技術(shù)嵌入框架(見圖1)和模型圖(見圖2)。

圖1 智慧工程教學(xué)的“四維度三層次”技術(shù)嵌入框架

圖2 智慧工程教學(xué)模型

三、 技術(shù)脫嵌:智慧工程教學(xué)的現(xiàn)實困境

數(shù)智技術(shù)作為新一代顛覆性和革命性技術(shù),正向工程教育教學(xué)領(lǐng)域滲透。從互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、數(shù)字信息、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)設(shè)備的引入和應(yīng)用,到智慧教室、電子資源、網(wǎng)絡(luò)平臺、多媒體工具等教學(xué)軟硬件和環(huán)境的改造升級,再到信息技術(shù)系統(tǒng)輔助的在線教育教學(xué)和雙線融合教學(xué)運行,智慧工程教學(xué)改革正穩(wěn)步向前。本研究依據(jù)智慧工程教學(xué)的技術(shù)嵌入框架和模型構(gòu)成要素,從技術(shù)支撐、應(yīng)用和適應(yīng)的嵌入邏輯鏈和發(fā)展鏈審視發(fā)現(xiàn),高校智慧工程教學(xué)現(xiàn)只具雛形,還處在邊探索邊實踐的起步期,在智能化環(huán)境、多模態(tài)教學(xué)、多元化評價和數(shù)字勝任力等核心要素上仍存在嵌入性困境。

(一) 技術(shù)支撐不足:智能化工程教學(xué)環(huán)境供給和應(yīng)用滯后

技術(shù)內(nèi)嵌是智慧工程教學(xué)的固有屬性。技術(shù)嵌入理論認為,技術(shù)構(gòu)成組織常規(guī)行為發(fā)生和變革的先驗結(jié)構(gòu)條件[14]。依托新興數(shù)智技術(shù),打造時空開放化、虛實融合化、資源集成化、場景多元化、數(shù)據(jù)共享化、人機交互化的智能化環(huán)境,是智慧工程教學(xué)長效推進的物質(zhì)性條件和工具性基礎(chǔ)。現(xiàn)階段,我國高校工程教學(xué)環(huán)境仍停留在信息化建設(shè)和數(shù)字化改造的初級階段,整體缺乏多技術(shù)融合和智能化驅(qū)動,在技術(shù)設(shè)備、空間場景、數(shù)字資源、平臺系統(tǒng)等軟硬件工具的供給和建設(shè)上較為滯后和薄弱。

一是信息技術(shù)設(shè)施供給不足和工程場景建設(shè)不力。工程源于社會生產(chǎn)實踐。高質(zhì)量的工程教學(xué)要求具身特定工程場景和情境進行工程認知和沉浸體驗。數(shù)智技術(shù)能夠聯(lián)通高校和社會、課內(nèi)和課外、虛擬和現(xiàn)實,構(gòu)建物理、社會和數(shù)字空間“三元立體交互”的工程場景,突破傳統(tǒng)以教室、實驗室和實訓(xùn)基地等固定時空和單一場域為載體的工程教學(xué)環(huán)境。實踐中,工程教育數(shù)智化改革側(cè)重數(shù)字校園、信息一體化平臺、智慧教室、虛擬教研室、虛擬仿真實驗平臺和數(shù)字化實訓(xùn)中心等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),接入互聯(lián)網(wǎng)、計算機、多媒體、智能終端等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和硬件設(shè)備,以及開發(fā)在線平臺和電子課程資源,用以支持在線教學(xué)、混合式學(xué)習(xí)和數(shù)字化實驗教學(xué),抑或作為線下教學(xué)的輔助工具。譬如北京郵電大學(xué)在新工科“三貫通”教學(xué)改革中,提出建設(shè)100間智慧教室,開發(fā)應(yīng)用互動研討型、VR型、5G全息遠程互動型、5G虛擬演播直播型等智慧功能,并基于教學(xué)云平臺整合各類教學(xué)應(yīng)用軟件,建立與智慧教學(xué)適配的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、資源開放共享、業(yè)務(wù)協(xié)同聯(lián)動機制[16]。但癥結(jié)是工程教育教學(xué)技術(shù)設(shè)施整體停留在初級淺層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備普及和信息化產(chǎn)品接入層面,對增強與混合現(xiàn)實、知識圖譜、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、對話機器人、教育機器人等新興智能技術(shù)的投入和應(yīng)用并不廣泛也不深入。工程教育教學(xué)環(huán)境缺乏內(nèi)外貫通、虛實一體、人機協(xié)同的多元混合空間和智能工程場景供給,教室、實驗室和工程訓(xùn)練中心等場所的實景自動導(dǎo)入、大數(shù)據(jù)動態(tài)記錄、虛擬沉浸體驗、人機實時對話等功能升級還不足。智慧工程教學(xué)的“技術(shù)支撐力”不足,阻滯了時空泛在、快捷高效、融合共享、虛實交互的工程教育環(huán)境生態(tài)形成。

二是數(shù)字工程教學(xué)資源類型單一且呈碎片化分布。傳統(tǒng)工程教學(xué)資源以單一課程、紙質(zhì)書本、專業(yè)教材和多媒體課件為介質(zhì)。得益于智能技術(shù)特具的動態(tài)、可視、互聯(lián)、共享等性能優(yōu)勢,工程課程教學(xué)資源將從線下紙本媒介向電子化、數(shù)字化形態(tài)轉(zhuǎn)型,服務(wù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、混合式學(xué)習(xí)、跨學(xué)科學(xué)習(xí)和泛在自主學(xué)習(xí)。這既契合工程教育的立體沉浸認識與實踐應(yīng)用需求,也可展現(xiàn)工程活動的生成性、體驗性和演化性。譬如國家高等教育智慧教育平臺涵蓋14個學(xué)科門類、92個專業(yè)的數(shù)字資源[17],其中工學(xué)分布最多最廣,課程有7 000多門,涉及工科31個專業(yè);虛擬仿真實驗教學(xué)課程包括虛擬仿真實驗課、線上實驗課、混合式實驗課3大類共1 574門。這類工程專業(yè)數(shù)字資源主要為電子課件、視頻、音頻、圖片,以及粗顆粒度、樣板化的網(wǎng)絡(luò)視頻和在線課程,單一工科知識形態(tài)的“課程包”居多,局限于單門課程教學(xué)的視頻化、紙本資源的數(shù)字化以及在線課程的扁平式羅列,呈現(xiàn)分布零散有余而共享、整合和體系化不足的特點。并且現(xiàn)有數(shù)字資源對工程本體的實踐屬性關(guān)照不足,在工程作品實物、案例、模型、教材、項目、實驗、專利、技術(shù)和場景等專業(yè)類資源庫供給上嚴(yán)重缺位。單類型和碎片化的數(shù)字資源既無法展示工程知識的內(nèi)在系統(tǒng)性和學(xué)科關(guān)聯(lián)性,也不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的選擇和深度認知的建構(gòu),更遑論支撐能力導(dǎo)向的工程教學(xué)以及工程理論與實踐貫通。

三是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺系統(tǒng)缺乏“強智能”精準(zhǔn)開發(fā)。智能技術(shù)憑借網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、程序和算法等集成一體化平臺,能夠?qū)鹘y(tǒng)物理場域中工程教育教學(xué)活動的空間、情境、內(nèi)容、流程和方法等數(shù)字化,支撐智慧工程教學(xué)按需開展、彈性設(shè)計和高效實施。技術(shù)與教育的深度融合催生網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂、雨課堂、騰訊會議等智慧教學(xué)平臺、軟件和工具,成為工程教育進行遠程教學(xué)、在線教學(xué)和線下教學(xué)的關(guān)鍵設(shè)備和輔助手段。譬如雨課堂具備彈幕交流、生成詞云、視音頻直播、白板板書、在線監(jiān)考、克隆班等功能,它通過融合微信等軟件連接智能電腦、iPad或手機等移動終端來貫通課前預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)和測驗等環(huán)節(jié)[18]。這類技術(shù)產(chǎn)品和工具的使用雖趨于普及,但其功能應(yīng)用卻比較線性機械,限定在線上授課、遠程視頻、屏幕共享、資料上傳、錄課錄屏、考勤簽到、隨機點名、答題測驗等“弱智能”上。加之它們多是通用型教學(xué)平臺,并不具備智能感知、數(shù)據(jù)記錄、資源共享、實景匹配、精準(zhǔn)推薦、合作學(xué)習(xí)和人機互動等“強智能”,遑論服務(wù)于工科專業(yè)教學(xué)的模式創(chuàng)新和流程再造,以及促進工程教學(xué)的多元化、精準(zhǔn)化和個性化實施。如此,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)字平臺被簡單化為傳統(tǒng)工程教學(xué)的替代工具,難以發(fā)揮其支持沉浸式工程教學(xué)、虛實工程場景結(jié)合、校企協(xié)同合作教學(xué)、個性化自適應(yīng)教學(xué)、教學(xué)質(zhì)量多元動態(tài)評估等高階效能。

(二) 傳統(tǒng)模式慣性:技術(shù)賦能多模態(tài)融合式工程教學(xué)受阻

多模態(tài)教學(xué)是智慧工程教學(xué)的核心構(gòu)件。技術(shù)嵌入理論認為,技術(shù)一旦實施就會形成組織常規(guī)。在社會互動階段,組織元素變化會受到結(jié)構(gòu)化條件的制約[14]。工業(yè)時代的工程教學(xué)是以“教”為中心的知識授課模式,指向工程知識批量傳播、教學(xué)活動統(tǒng)一實施和工程人才規(guī)模化培養(yǎng)。進入智能時代,技術(shù)加劇了信息獲取和知識傳播碎片化,學(xué)習(xí)場景、資源和方式趨于無界化和泛在化,課堂教學(xué)從孤立封閉走向開放融合。智慧工程教學(xué)的終極指向是構(gòu)建工程教學(xué)新模態(tài),借助“技術(shù)之智”重塑工程教學(xué)理念、流程和方法,實現(xiàn)從“教”向“學(xué)”的全面轉(zhuǎn)型和增效提質(zhì)。但現(xiàn)實中技術(shù)的革新力相當(dāng)有限,工程教育陷入“只見智能技術(shù)而鮮見教學(xué)創(chuàng)新”本末倒置的困局,導(dǎo)致智能化環(huán)境驅(qū)動的多模態(tài)融合式工程教學(xué)未能常態(tài)化和最優(yōu)化實施。

一是工程科學(xué)范式下的知識性講授教學(xué)路徑依賴?，F(xiàn)代工程具有復(fù)雜性、集成性、系統(tǒng)性和不確定性。智慧工程教學(xué)在目的觀和內(nèi)容觀上不以工程知識傳授和技能培訓(xùn)為核心,旨在依托智能技術(shù)改變傳統(tǒng)工程教學(xué)的時序和流程,借助技術(shù)媒介、線上資源,依托翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)等形式,將原本淺層的工程理論性教學(xué)交由在線平臺自主完成,保障師生在課堂教學(xué)情境中共同圍繞深層高階的工程問題開展深度講解和系統(tǒng)研討,并借助數(shù)字化工具及智慧教學(xué)空間等智能匹配工程資源庫和全息化、虛擬化工程場景,強化工程的立體式認知和沉浸式體驗,推進教學(xué)面向復(fù)雜工程項目、情境和實踐實訓(xùn),從而打造適應(yīng)工程范式變革的教學(xué)新形態(tài),實現(xiàn)“轉(zhuǎn)識成智”與“化智成行”。然而,囿于科學(xué)范式下工程教育“理科化”和專業(yè)化教育模式,工程概念、原理、定理和公式等講授教學(xué)具有強勁慣性,講知識、做習(xí)題、一言堂、探究少是工程教學(xué)常態(tài),研討教學(xué)、項目教學(xué)、案例教學(xué)、合作教學(xué)、體驗教學(xué)等呈散點式、小范圍分布樣態(tài)。相關(guān)研究證實,傳統(tǒng)工程教學(xué)在新工科改造中并未有效利用現(xiàn)代技術(shù)進行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化拓展,教學(xué)模式仍以固化的單向“講授”居多[19]。這種知識傳授路徑依賴導(dǎo)致技術(shù)賦能工程教學(xué)變革的實效甚微,成為工程探究、創(chuàng)新和實踐的障礙,阻滯了工程思維培育和創(chuàng)新素質(zhì)塑造,亦不利于復(fù)雜項目設(shè)計和系統(tǒng)工程問題解決。

二是線上線下融合式工程教學(xué)僵化低效。數(shù)智技術(shù)的指數(shù)級迭代創(chuàng)新會對工程教育教學(xué)產(chǎn)生革命性沖擊,賦能教學(xué)場域從物理現(xiàn)實擴展至泛在虛擬空間,催生線上線下有機協(xié)同、一體運行的雙線融合教學(xué)形態(tài)。在教育數(shù)字化戰(zhàn)略引領(lǐng)下,在線教學(xué)和混合式教學(xué)等以超常規(guī)的規(guī)模和速度發(fā)展,工程教育教學(xué)正從傳統(tǒng)單一固定的課內(nèi)與線下時空向現(xiàn)代化的課外和線上情境轉(zhuǎn)型。從形式上看,工程專業(yè)雙線融合教學(xué)多是“線上技術(shù)+線下教學(xué)”的簡單疊加,或以技術(shù)為載體的線上教學(xué)同步替代線下教學(xué),抑或線上和線下教學(xué)異步開展,講授方式大體一樣,課堂本質(zhì)未變,只是將線下理論傳授遷移到線上,鮮少產(chǎn)生空間更替之外的混合變化、組合效應(yīng)和集成意義。清華大學(xué)的全校性實踐證實,線上線下融合式教學(xué)作為傳統(tǒng)課堂與在線教育結(jié)合的新模式,雖從物理空間的傳統(tǒng)形態(tài)轉(zhuǎn)向物理與網(wǎng)絡(luò)空間混合的新形態(tài),實現(xiàn)“同步異地”教學(xué),并借助技術(shù)工具和數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)課前、課中和課后,增強了教學(xué)實時互動,但仍在人工智能、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術(shù)與數(shù)字資源驅(qū)動的教與學(xué)互動體驗、資源整合、多元方式及質(zhì)量保障等方面存有不足[20]。如此,工程教育線上教學(xué)淪為線下教學(xué)的“翻版”或“替代品”,雙線融合教學(xué)的形式蓋過實質(zhì),難以彰顯技術(shù)融合學(xué)科內(nèi)外、課內(nèi)外、校內(nèi)外、虛擬與現(xiàn)實等的信息資源優(yōu)勢與協(xié)同互補效能。

三是對標(biāo)自適應(yīng)的個性化精準(zhǔn)教學(xué)邊緣化。不同于工業(yè)時代的集中性和同質(zhì)化工程教學(xué),未來教學(xué)會在智能技術(shù)作用下向個性化轉(zhuǎn)型,產(chǎn)生以學(xué)生為中心、智能匹配個體差異、滿足個性化學(xué)習(xí)需求與偏好的學(xué)習(xí)方式,形成精準(zhǔn)、個性和靈活的工程教學(xué)服務(wù)體系。譬如ChatGPT等對話機器人能夠以“學(xué)伴”角色推送海量知識,提供自然語言對話、即時問答、文案制作、編程設(shè)計等合作學(xué)習(xí)服務(wù);知識圖譜技術(shù)可以支持構(gòu)建工程學(xué)科知識網(wǎng)絡(luò)、訓(xùn)練系統(tǒng)工程設(shè)計思維和探索工程結(jié)構(gòu)與原理;大數(shù)據(jù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工程學(xué)習(xí)投入、行為、過程和結(jié)果的動態(tài)記錄、可視化畫像和智能預(yù)警,為個性化教學(xué)方案定制、方式調(diào)整和路徑規(guī)劃提供決策參考。但現(xiàn)實中,工程專業(yè)個性化教育名不副實,存在“重頂層設(shè)計、輕教學(xué)實踐”現(xiàn)象。例如北京大學(xué)在新工科人才培養(yǎng)理念、專業(yè)方向選擇、課程體系構(gòu)建和環(huán)境營造等“形而上”的制度機制上強化個性化教育[21],但囿于專業(yè)教育體系、班級授課制和教師權(quán)威中心,加之信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、精準(zhǔn)推薦、場景智能匹配、通用和專用大模型等技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用不到位,新工科主要采用“常規(guī)”又“相似”的教學(xué)方式,即遵循同一專業(yè)方案,集中授課,學(xué)習(xí)內(nèi)容與進度相同,而鮮少針對學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、主體差異、個性狀況及多元需求施以精準(zhǔn)教學(xué)和差異化教育[8]。其結(jié)果是工程教學(xué)滯于“教到學(xué)”的線性態(tài)和“一對多”的程式態(tài),難以大面積設(shè)計和實施個性化、精準(zhǔn)化、自適應(yīng)的工程教學(xué)。

四是工程理論與實驗實踐教學(xué)分離。實驗和實踐是幫助學(xué)生檢驗工程科技原理和提升工程動手操作與創(chuàng)新能力的關(guān)鍵途徑。傳統(tǒng)工科實驗教學(xué)和工程實踐通常被封閉在固定實驗室和實訓(xùn)基地,學(xué)生只能定期進入企業(yè)、工廠和生產(chǎn)車間。當(dāng)前工程實驗實踐教學(xué)的課時量偏少,以某“雙一流”建設(shè)高校4個工程專業(yè)為例,自動化、機械工程及自動化、材料科學(xué)與工程、航空航天工程的實踐學(xué)分占比依次為14.7%、16.4%、17.5%、14.7%[22]。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真技術(shù)等能夠突破時空、環(huán)境和地域邊界,通過智慧平臺和軟件工具創(chuàng)新實驗實踐形式,打破工程理論與實踐教學(xué)的孤立與割裂樣態(tài)。譬如信息數(shù)字和虛擬仿真技術(shù)可通過專用軟件系統(tǒng)和數(shù)字工具完成對實驗室環(huán)境、設(shè)備和對象的數(shù)字化模擬,豐富和拓展實驗教學(xué)內(nèi)容和形式,學(xué)生不進入實驗室也能隨時根據(jù)教學(xué)需求多次重復(fù)實驗,深化工程科學(xué)的理論內(nèi)化和技術(shù)應(yīng)用。又如互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)可以通過網(wǎng)絡(luò)、算法和數(shù)據(jù)實現(xiàn)校企場景和資源共享、互聯(lián)和協(xié)同,打破校內(nèi)外多方合作育人梗阻,工程實習(xí)實訓(xùn)可在遠程條件和數(shù)字平臺中泛在化開展。囿于實驗實踐課程教學(xué)開設(shè)不足,缺乏從虛實結(jié)合和一體互補的角度加以體系化設(shè)計,智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺支持的工程遠程實驗、虛擬仿真實驗、數(shù)字化實訓(xùn)實踐未能常態(tài)化和規(guī)模化實施,整體流于碎片化或成為少數(shù)專業(yè)的“專屬”,局限于簡單易行的工程實驗、模型、系統(tǒng)、工具或產(chǎn)品等模擬仿真和生產(chǎn)設(shè)計。其結(jié)果是工程理論和實踐教學(xué)因技術(shù)鴻溝而難以實現(xiàn)智能貫通和信息聯(lián)動,遑論強化工程認知、沉浸體驗和實踐能力。

(三) 評價方式單一:大數(shù)據(jù)驅(qū)動的多元化工程教學(xué)評價失位

評價是保障工程教學(xué)質(zhì)量的“指揮棒”與“矯正器”。技術(shù)嵌入理論認為,數(shù)據(jù)嵌入是技術(shù)變革組織的核心元素,包括用戶數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等[14]。數(shù)智技術(shù)具有推進工程教學(xué)評價智慧轉(zhuǎn)型的優(yōu)先屬性,其憑借多模態(tài)數(shù)據(jù)和智能算法優(yōu)勢,借助伴隨式收集、動態(tài)化追蹤、自動化分析和精準(zhǔn)化反饋等方式,有助于推進大數(shù)據(jù)驅(qū)動和證據(jù)導(dǎo)向的過程評價、結(jié)果評價、增值評價和綜合評價的多元彈性實施。實踐中,受數(shù)據(jù)、技術(shù)和工具限制,工程教學(xué)評價局限于圍繞教學(xué)設(shè)計對知識習(xí)得和學(xué)習(xí)成效做出分數(shù)量化和等級優(yōu)劣的結(jié)果性評定,拘泥于學(xué)科邏輯進行知識考試、紙筆測驗,忽略過程性學(xué)習(xí)參與以及工程思維、素質(zhì)與能力等的高階發(fā)展,大數(shù)據(jù)驅(qū)動的多元化工程教學(xué)評價處于失位狀態(tài)。

一方面,固定考試和作業(yè)題測的階段性評價常態(tài)化,忽視了工程學(xué)習(xí)的過程性參與和成果產(chǎn)出。過程性評價是對學(xué)生學(xué)習(xí)的過程性投入、行為、成果和質(zhì)量作出的價值評估和水平認證?；ヂ?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新技術(shù)支持工程教學(xué)過程性評價,通過網(wǎng)絡(luò)平臺和智能工具對學(xué)生課前、課中和課后的學(xué)習(xí)狀態(tài)、行為投入、結(jié)果成效的全方位數(shù)據(jù)進行記錄與智能可視化分析,能為教師客觀、全面和科學(xué)評價學(xué)生的發(fā)展與教學(xué)效果提供透明完整的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)前工程教學(xué)階段性評價雖已常態(tài)化,但形式和手段仍較為傳統(tǒng),缺乏信息技術(shù)驅(qū)動和過程數(shù)據(jù)支持,學(xué)業(yè)評價和考核大都通過課上習(xí)題測驗、課后大小作業(yè)、期中期末考試、做項目、寫論文等組合方式進行。相關(guān)研究指出,工程教學(xué)是以教材為導(dǎo)向的——教學(xué)靠教材、教師講教材、學(xué)生學(xué)教材、考試考教材,教師除傳統(tǒng)考試和作業(yè)外,無法有效使用其他評價工具[23]。其結(jié)果導(dǎo)致工程教學(xué)評價多是知識化、固定考試導(dǎo)向的,尚未充分利用數(shù)智系統(tǒng)設(shè)備實時動態(tài)采集和分析工程理論與實踐教學(xué)中的學(xué)習(xí)參與、投入、合作、互動和實操等綜合性數(shù)據(jù),并納入學(xué)業(yè)評價范疇,由此造成學(xué)生學(xué)習(xí)行為與狀態(tài)、師生及人機交互、工程創(chuàng)新與實踐訓(xùn)練、成果設(shè)計與產(chǎn)出形式等過程性評價缺失,阻滯了評價之于學(xué)生學(xué)習(xí)方式改進、教學(xué)質(zhì)量提升和工程成果產(chǎn)出的功能實效。

另一方面,學(xué)分績點導(dǎo)向的結(jié)果性評價占主導(dǎo),缺少對標(biāo)復(fù)雜工程能力的增值性評價。結(jié)果性評價是教師對學(xué)生工程課程學(xué)習(xí)成效作出的綜合結(jié)果評定。增值性評價指向?qū)W業(yè)進步評價,測量一段時間內(nèi)學(xué)生學(xué)業(yè)成就變化增量,強調(diào)學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)在接受特定階段教育教學(xué)后的進步程度[5]。智能技術(shù)能夠及時高效地識別、監(jiān)測和記錄學(xué)生在不同階段、不同類型課程和不同實踐場景中的工程學(xué)習(xí)行為、狀態(tài)、結(jié)果和成效等多模態(tài)數(shù)據(jù)及其變化,憑借大數(shù)據(jù)快速匯聚、智能歸類、高速運算、綜合分析與自動反饋等功能支持增值性評價便捷實施?，F(xiàn)階段工程教學(xué)結(jié)果性評價占主導(dǎo),高校教師主要通過量化等級和考試分數(shù)統(tǒng)一集中考核學(xué)生的知識存量和增量,將其作為工程學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量的主要評價依據(jù),而對于非認知性、非結(jié)構(gòu)化的工程興趣、思維、素質(zhì)、倫理、價值觀、動手實操,以及復(fù)雜系統(tǒng)工程問題、方案、項目與技術(shù)的創(chuàng)新性解決、設(shè)計、實踐應(yīng)用能力的增值性評價應(yīng)用不足。有關(guān)研究證實,工程教學(xué)評價以課程學(xué)分與成績“供給”為主導(dǎo),而非以畢業(yè)出口的人才“需求”為導(dǎo)向,默認完成學(xué)分和考試合格就能夠勝任工程崗位[8]?？荚嚪謹?shù)和學(xué)分績點導(dǎo)向的結(jié)果性評價方式、單一與片面的評價標(biāo)準(zhǔn)在弱化學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展的評價反饋和改進功能的同時,加劇了工程教學(xué)“理科化”和“學(xué)用脫節(jié)”的趨勢,無法促進學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力、工程實踐應(yīng)用能力、工程系統(tǒng)設(shè)計思維與創(chuàng)新素質(zhì)等的發(fā)展和增值。

(四) 師生被動適應(yīng):數(shù)字化工程教學(xué)勝任力薄弱

師生作為工程教學(xué)的行動主體,其認同度和勝任力是智慧工程教學(xué)從理念設(shè)計落實為具體實踐的“最后一公里”。根據(jù)技術(shù)嵌入理論,技術(shù)的角色嵌入和分配會使原有角色及其功能職責(zé)被重新定義與劃分[14]。智能時代的技術(shù)以社會實體形式存在,人與技術(shù)關(guān)系將從獨立分離的割裂狀態(tài)走向協(xié)同合作的共生體。師生必須廓清工程教育情境中的人機關(guān)系及其身份劃分與角色定位,主動接納、適應(yīng)和勝任人機融合共生的工程教學(xué)新形式?？v使時下技術(shù)作為重構(gòu)工程教育教學(xué)范式的變革性力量已自上而下形成共識,信息化教學(xué)、線上線下融合教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂初具規(guī)模,但師生普遍對技術(shù)驅(qū)動的工程教學(xué)新模式存在意識遲疑、駁斥心理和被動適應(yīng)等情況,師生的數(shù)字化素養(yǎng)欠缺、勝任力不強。

一是技術(shù)革新工程教學(xué)的數(shù)字理念與意識窄化。技術(shù)作為創(chuàng)造性變革力,在工程教育教學(xué)中的地位正由邊緣躍向中心。以ChatGPT等新一代大模型、生成式人工智能和數(shù)字孿生、虛擬仿真等技術(shù)的應(yīng)用為標(biāo)志,技術(shù)的功能價值逐漸從最初單純的教學(xué)輔助工具升級為構(gòu)建教學(xué)新型環(huán)境和革新教學(xué)形態(tài)、方式和范式的核心驅(qū)動力。智慧工程教學(xué)作為多種新興技術(shù)系統(tǒng)深度嵌入和耦合的新形態(tài),絕非取代線下教學(xué)使工程教學(xué)完全在線化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化,而是利用數(shù)據(jù)共享、萬物互聯(lián)、場景沉浸、人機協(xié)作、虛實結(jié)合、內(nèi)外協(xié)同等智能優(yōu)勢,創(chuàng)新教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式,提升工程教學(xué)效率和質(zhì)量。但囿于工程教育的封閉性和保守性,人們對技術(shù)與工程教學(xué)的關(guān)系爭論不休,在“禁止抑或變革”觀念認識上莫衷一是。技術(shù)替代論認為技術(shù)手段、智能工具和數(shù)字空間會顛覆學(xué)校教育、取代課堂教學(xué),極易弱化師生的情感、行為與思想,放大教和學(xué)的不自覺性、惰性和不適應(yīng)性,虛化工程實際體驗和實踐應(yīng)用。技術(shù)控制論認為在確定性模型、算法和程序規(guī)制下,人的主體性、創(chuàng)造性和建構(gòu)性會被淡化和遮蔽,師生異化為技術(shù)附庸,難以促成系統(tǒng)化、精深化、高質(zhì)量的工程教學(xué)。殊不知,技術(shù)智能正在以指數(shù)級速度迭代升級,人與技術(shù)、教育與技術(shù)愈加融為一體,技術(shù)對促進人的智慧發(fā)展和服務(wù)學(xué)習(xí)需求的固有價值不可替代。悲觀主義的技術(shù)認知和滯后偏狹的數(shù)字意識反映出人們無法辯證厘清智能技術(shù)變革工程教學(xué)的歷史必然性和正向功用,這會加劇數(shù)字技術(shù)和工程教育教學(xué)的對立沖突與二元分化,造成工程教學(xué)變革處于技術(shù)“打補丁”狀態(tài)。

二是技術(shù)嵌入工程教學(xué)引致師生角色定位沖突。數(shù)智技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺在加速知識泛在化分布的同時,拓寬了知識生產(chǎn)和創(chuàng)新的主體、場域和情境,知識傳播方式的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化與智能化變得不可逆,這種變革賦能工程教育教學(xué)從理論主導(dǎo)的科學(xué)范式向?qū)嵺`主導(dǎo)的工程范式轉(zhuǎn)型。在技術(shù)的深度介入下,大量工程理論知識教學(xué)活動會由智能工具分擔(dān)或代替,教師不再簡單定格為工科知識的傳遞者、教學(xué)者,而是轉(zhuǎn)變成工程問題研討、合作探究、項目實踐、虛擬體驗等高階工程教學(xué)活動的設(shè)計者、引導(dǎo)者。學(xué)生不再是被動的知識接受者和專業(yè)權(quán)威依附者,而是發(fā)展為自覺主動的工程教學(xué)參與者、建構(gòu)者和創(chuàng)新者。教和學(xué)的過程、方式和機制也因人機協(xié)同智能結(jié)構(gòu)而變革,師生角色和關(guān)系由傳統(tǒng)權(quán)威領(lǐng)導(dǎo)型的“師傳學(xué)承”革新為與學(xué)習(xí)型社會和“互聯(lián)網(wǎng)土著民”需求相適應(yīng)的平等合作型學(xué)習(xí)共同體。因此,具身于技術(shù)場景,面對工程教學(xué)根深蒂固的“教師講-學(xué)生聽”被動式角色定位和行為慣性,師生普遍難以適應(yīng)工程共同體新型角色定位。這種角色沖突導(dǎo)致師生未能有效利用數(shù)字資源和技術(shù)工具進行深度互動、合作探究和創(chuàng)新實踐,難以根據(jù)工程知識創(chuàng)新、工程能力發(fā)展、工程倫理素質(zhì)與價值塑造的“三位一體”質(zhì)量觀重構(gòu)師生關(guān)系,因而成為智慧工程教學(xué)變革的阻力。

三是人與技術(shù)作為共生體的人機協(xié)同合作能力偏弱。智慧工程教學(xué)主張技術(shù)的有限負荷論而非萬能包攬論,亦絕非用機器取代教師或技術(shù)顛覆傳統(tǒng)教學(xué),而是更加突出人與機器技術(shù)“和合共生”“一體協(xié)同”的雙向互補關(guān)系。人機協(xié)同合作新型關(guān)系對師生在智能化環(huán)境中開展工程教學(xué)的技術(shù)素養(yǎng)、能力和專業(yè)水平提出了更高要求。依據(jù)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合模型,耦合信息技術(shù)素養(yǎng)、工程專業(yè)理論、工程實踐技能和教學(xué)法能力是師生實施智慧工程教學(xué)的必備素質(zhì)。教師需要以人機互動合作形式改變“照本宣科”形態(tài),生成個性化、融合式、研究性、體驗式等更具創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的高質(zhì)量教學(xué)活動,確保工程教學(xué)從規(guī)模講授向個性施教轉(zhuǎn)變,學(xué)生學(xué)習(xí)從被動接受向自主深度建構(gòu)轉(zhuǎn)型。全國普通高校教師教學(xué)發(fā)展指數(shù)(2020版)顯示,在1 226所高校中,373所理工類高校教師教學(xué)發(fā)展指標(biāo)的校均分在六大學(xué)科類高校中僅列第4位,平均分處于最末位[24]。具體至教學(xué)勝任力上,相關(guān)研究證實,工科教師課堂教學(xué)能力普遍較弱,整節(jié)課講授教學(xué)課件現(xiàn)象時有發(fā)生,教學(xué)水平并不高[25]。同樣在學(xué)生層面,其人機交互的信息檢索、資源應(yīng)用、泛在學(xué)習(xí)、沉浸體驗、交流協(xié)作、內(nèi)容創(chuàng)造、倫理安全等數(shù)字技能、思維和素養(yǎng)亦存在不足[26]。這映射出工科師生運用數(shù)智技術(shù)開展創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性工程教學(xué)活動的素質(zhì)和能力偏弱,多停留在課件放映、電子板書、數(shù)字資源共享、在線互動等淺層上,基于數(shù)字空間、智能平臺和智慧工具的工程混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、沉浸式教學(xué)、個性化教學(xué)、虛實融合實踐教學(xué)等設(shè)計、實施和評價缺乏人機協(xié)同合作基礎(chǔ),因而難以適應(yīng)智慧工程教學(xué)改革實踐和卓越工程人才培養(yǎng)的需求。

四、 技術(shù)內(nèi)嵌:智慧工程教學(xué)的推進策略

智慧工程教學(xué)是未來工程教育的核心構(gòu)成,是數(shù)智技術(shù)內(nèi)嵌至工程教學(xué)耦合互構(gòu)而成的高級形態(tài)。工程教育需要強化智能技術(shù)與環(huán)境基建,構(gòu)建智慧教學(xué)范式,優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量評價方式,增強數(shù)字勝任力,這是加快工程教學(xué)轉(zhuǎn)型變革、培育創(chuàng)新型卓越工程師和實現(xiàn)工程教育現(xiàn)代化的關(guān)鍵。

(一) 強化技術(shù)基建,打造智能驅(qū)動的智慧工程教學(xué)環(huán)境

技術(shù)是支撐智慧工程教學(xué)的基本元件,聚合多技術(shù)的智能化環(huán)境是智慧工程教學(xué)的實施底座。工程教育應(yīng)借勢大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等“新基建”行動,以技術(shù)升級換代和融合應(yīng)用為導(dǎo)向,優(yōu)化智能驅(qū)動的智慧教學(xué)環(huán)境。

1. 接入數(shù)智技術(shù),完善工程教育教學(xué)設(shè)施場景。技術(shù)的系統(tǒng)集成和智聯(lián)互通是智慧工程教學(xué)的基礎(chǔ)支撐。高校應(yīng)立足現(xiàn)有信息化技術(shù)條件和基礎(chǔ)設(shè)施,引入和應(yīng)用5G、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新一代技術(shù),健全網(wǎng)絡(luò)通信、移動設(shè)備、在線平臺和智慧工具等工程教育軟硬件建設(shè)。在此基礎(chǔ)上,高校還需智能改造和創(chuàng)新升級教室、實驗室、工業(yè)訓(xùn)練中心等物理實體空間環(huán)境,建設(shè)工程教學(xué)數(shù)字空間和虛擬仿真工程場景,借助技術(shù)手段增強教學(xué)環(huán)境與行為智能感知、工程資源與場景智能接入、人機交流與協(xié)作智能互動,賦能教學(xué)時空和場域的虛實融通、線上線下融合、校內(nèi)外智能互聯(lián),保障多元工程教學(xué)活動的實時共享、泛在可視、智能交互與高效高質(zhì)。

2. 開發(fā)、配齊和整合數(shù)字化工程教學(xué)資源。與傳統(tǒng)紙本材料相比,數(shù)字資源具有更加便捷生動、海量可視、可共享、更新快和綠色化等特點。高校要大力開發(fā)和配齊工程教育在線課程資源,如優(yōu)質(zhì)精品工程教育MOOC資源、教師自主設(shè)計和錄制的SPOC課程資源和各大網(wǎng)絡(luò)平臺的工程專業(yè)教學(xué)資源等。同時,高校要加強面向工程實際和實踐的案例庫、項目庫、技術(shù)庫、實驗庫、場景庫和企業(yè)資源庫,以及中英文教材、教輔參考資料、專業(yè)書目和文獻數(shù)據(jù)庫等的數(shù)字化與整合性建設(shè)[5],從而彌合工程教學(xué)的“數(shù)字鴻溝”、破解“信息繭房”。

3. 建設(shè)智能化工程課程教學(xué)平臺系統(tǒng)。教學(xué)平臺系統(tǒng)是智慧工程教學(xué)的工具支撐,是以技術(shù)為媒介聯(lián)結(jié)教師、學(xué)生與教學(xué)活動,實現(xiàn)工程教學(xué)線上化、線上線下異地同步或者混合式教學(xué)提質(zhì)增效的重要依托。面向未來,高?？赏ㄟ^與第三方企業(yè)合作開發(fā)、優(yōu)化抑或自建智能課程教學(xué)平臺系統(tǒng),集課前、課上和課后應(yīng)用于一體,拓展和實現(xiàn)教學(xué)需求與偏好識別、教學(xué)大數(shù)據(jù)采集分析、課程資源自動推薦、工程場景智能匹配、個性化教與學(xué)精準(zhǔn)設(shè)計與路徑規(guī)劃、智能對話討論與群體合作學(xué)習(xí)、教學(xué)實時全景監(jiān)測與質(zhì)量評估等多元高級智能,以“技術(shù)之智”賦能工程教學(xué)質(zhì)量提升。

(二) 革新教學(xué)范式,重構(gòu)人機協(xié)同的智慧工程教學(xué)形態(tài)

技術(shù)是工程教學(xué)變革的內(nèi)嵌變量和新興能極。工程教育需要依托技術(shù)創(chuàng)新教學(xué),重構(gòu)人機協(xié)同的智慧教學(xué)范式。

1. 創(chuàng)新工程教學(xué)設(shè)計,從知識邏輯轉(zhuǎn)向問題、實踐和應(yīng)用導(dǎo)向。智能技術(shù)正在加速知識的指數(shù)級增長和碎片化分布。智慧教育不僅改變了工程教學(xué)模式、形態(tài)、媒介和方式,更瓦解了教師作為專業(yè)知識權(quán)威的固化身份,倒逼知識本位的工程教學(xué)內(nèi)容體系和組織形式變革,生成基于工程問題、實踐和應(yīng)用導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計。因而,推進智慧工程教學(xué)必須依托技術(shù)手段超越傳統(tǒng)學(xué)科和知識邏輯,基于工程的復(fù)雜性、集成性和實踐性等內(nèi)在特點,從培養(yǎng)系統(tǒng)工程能力視角出發(fā),突出教學(xué)內(nèi)容編排的問題性、跨學(xué)科性、實踐性和應(yīng)用性。在此基礎(chǔ)上,教師要結(jié)合數(shù)字化教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)在線平臺和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等,豐富和拓展工程教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)方式,增強學(xué)生對工程原理、問題、項目、生產(chǎn)和技術(shù)等的可視化、生動化和立體化感知及沉浸式體驗,確保工程教學(xué)由封閉走向開放、由靜態(tài)走向動態(tài)、由書本走向現(xiàn)實、由經(jīng)驗預(yù)設(shè)走向生成創(chuàng)造、由單一學(xué)科走向工程系統(tǒng)、由知行分離走向統(tǒng)整合一。

2. 深化人機協(xié)同合作,創(chuàng)建彈性靈活的多元化創(chuàng)新型工程教學(xué)模式。在傳統(tǒng)工程教學(xué)體系中,信息技術(shù)作為輔助性手段存在,人與技術(shù)是分離的。智能技術(shù)的深度介入使教學(xué)平臺、設(shè)備、媒介和工具日益具備智能屬性,賦能工科教師專業(yè)能力提升,人機協(xié)同合作趨于常態(tài)。工程教學(xué)必須深化人機交互,充分發(fā)揮技術(shù)的智能優(yōu)勢與師生的內(nèi)源智慧,根據(jù)工程課程類型、目標(biāo)定位及教學(xué)內(nèi)容需求與學(xué)生學(xué)習(xí)方案,靈活選擇虛擬或現(xiàn)實、校內(nèi)或校外、室內(nèi)或室外、課上或課下等時空,按需推進翻轉(zhuǎn)課堂、線上教學(xué)、線下教學(xué)、融合式教學(xué)等模式的彈性設(shè)計和實施,進而在技術(shù)支持下廣泛生成和精準(zhǔn)配備多元新型工程教學(xué)模式。

3. 革新工程教與學(xué)方式,從大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化講授轉(zhuǎn)向個性化自主深度學(xué)習(xí)。在人機協(xié)同機制下,人工智能憑借強大的算法和程序,利用感知、推薦、匹配等智能支持進行精準(zhǔn)化教學(xué)和個性化學(xué)習(xí),機器技術(shù)、教師、學(xué)生構(gòu)成教學(xué)共同體。一方面,教育機器人或智能教師助手等能夠系統(tǒng)分擔(dān)并高效完成大量簡單重復(fù)、單向靜態(tài)和低層次的知識集中講授工作,使教師從標(biāo)準(zhǔn)化的知識講授中解放出來,從事更具挑戰(zhàn)性、創(chuàng)造性和多元化的工程教學(xué)活動。同時,在人工智能的合力協(xié)作下,教師能夠及時獲得每一位學(xué)生課前、課中、課后的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)與質(zhì)量診斷報告,利用智慧教學(xué)設(shè)計與實施方案推薦等輔助性決策功能為學(xué)生學(xué)習(xí)提供精準(zhǔn)有效的個性化指導(dǎo)和差異化教學(xué)。另一方面,學(xué)生通過智能平臺和工具可按需與教師進行深層互動和高頻交流,并在學(xué)習(xí)內(nèi)容智能推薦、學(xué)習(xí)路徑精準(zhǔn)匹配、學(xué)習(xí)質(zhì)量動態(tài)測評反饋等多重智能服務(wù)下自主開展學(xué)習(xí)活動,實現(xiàn)無邊界和自適應(yīng)學(xué)習(xí)。

4. 智能對接工程理論教學(xué),強化虛擬仿真實驗教學(xué)與實踐實訓(xùn)教學(xué)。傳統(tǒng)工程教育的理論和實踐教學(xué)相互割裂、各成體系,智能信息技術(shù)能夠賦能并支撐工程理論和實踐教學(xué)雙軌融通運行。一方面,虛擬仿真技術(shù)具有模擬和超越現(xiàn)實屬性,能夠通過智能技術(shù)還原、模擬和探索已知與未知工程領(lǐng)域,與實體實驗室環(huán)境和現(xiàn)實工程條件的實驗教學(xué)形成有機互補。工程教育需要結(jié)合工程理論教學(xué)環(huán)節(jié)大力推進虛擬仿真實驗教學(xué),對標(biāo)確定性或不確定性的理論、方法和技術(shù)等開展反復(fù)驗證和重復(fù)性試驗,從而突破物理實驗環(huán)境和條件限制進行更加復(fù)雜的工程技術(shù)創(chuàng)新實驗活動,有效促進學(xué)生對工程科學(xué)和專業(yè)理論知識的直觀深入理解與應(yīng)用,同步提高其實驗操作技能、技術(shù)動手實踐能力和工程問題解決能力。另一方面,人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、遠程鏈接等技術(shù)能夠驅(qū)動高校工程教育教學(xué)與企業(yè)、工廠、車間、工程現(xiàn)場和技術(shù)生產(chǎn)一線等互聯(lián)互通。高校必須依托智能技術(shù)升級實踐實訓(xùn)教學(xué)場景、環(huán)節(jié)和校企合作育人方式,推進實踐教學(xué)及其資源、方式的信息化和智能化發(fā)展,在配合和補給工程理論教學(xué)的同時,保障學(xué)生不受時空、地域和場所等因素限制而靈活開展遠程在線、異地同步、虛實融合的工程實踐實訓(xùn)活動,提升其工程綜合素養(yǎng)和實踐能力。

(三) 依托可視數(shù)據(jù),實現(xiàn)工程教學(xué)質(zhì)量的科學(xué)立體評價

評價數(shù)據(jù)化是智慧工程教學(xué)的典型應(yīng)用場景。智能技術(shù)憑借超強算法算力、萬物互聯(lián)互通、信息智能感知與存儲、區(qū)塊鏈分布式記錄、大數(shù)據(jù)可視化分析等復(fù)雜程序和性能,賦能工程教學(xué)評價手段從人工化走向智能化,評價依據(jù)從主觀經(jīng)驗走向客觀數(shù)據(jù)[2],評價方式從終結(jié)性評價走向過程性評價、增值性評價與結(jié)果性評價相統(tǒng)一,評價標(biāo)準(zhǔn)從單一知識與考試維度走向以工程能力認證為核心的多元標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的動態(tài)、多維、科學(xué)和精準(zhǔn)的工程教學(xué)質(zhì)量評價。

1. 運用可視數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng),實現(xiàn)工程教學(xué)質(zhì)量數(shù)據(jù)信息的動態(tài)式、伴隨式和全方位挖掘、記錄、歸類與整合。人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下的工程教學(xué)評價系統(tǒng)能夠?qū)崟r動態(tài)采集多場景和全流程的學(xué)習(xí)行為和結(jié)果數(shù)據(jù),建立透明完整的學(xué)習(xí)全過程數(shù)據(jù)庫。高校要抓取工程學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩類數(shù)據(jù):前者包括可視化和顯示度高的考勤簽到、學(xué)習(xí)時長與學(xué)業(yè)完成度、課前-課上-課后學(xué)習(xí)量與核心內(nèi)容掌握情況、習(xí)題測試與作答頻率、各項作業(yè)完成情況與質(zhì)量、各類型考試成績等;后者包括大規(guī)模的課程全時段和學(xué)習(xí)全過程活動觀察與監(jiān)測分析,如課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備程度,課中學(xué)習(xí)投入、互動參與、問答對話、探究討論和知識建構(gòu),課后學(xué)習(xí)反思、交流與改進,以及具體至工程情境、問題和實踐的工程意識、思維、能力與素質(zhì)等綜合反映學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度與成效的多維數(shù)據(jù)。

2. 轉(zhuǎn)變工程教學(xué)評價方式,開展大數(shù)據(jù)驅(qū)動和多元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)立體評價。正如高校現(xiàn)有培養(yǎng)方案過分強調(diào)學(xué)生對相關(guān)理論知識的掌握和相應(yīng)技能的提升[27],傳統(tǒng)工程教學(xué)評價是教師對學(xué)生課程學(xué)習(xí)質(zhì)量的單向度評價,具有考試分數(shù)導(dǎo)向、知識本位標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果主導(dǎo)等特征。智慧工程教學(xué)評價秉持人機協(xié)同理念,能夠通過數(shù)字平臺和智能系統(tǒng)整合線上與線下、虛擬與現(xiàn)實、課上和課下、校內(nèi)和校外等不同空間的工程教學(xué)活動,集成工程理論教學(xué)、實踐教學(xué)、自主學(xué)習(xí)、在線學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、習(xí)題測驗、作業(yè)成果、教學(xué)互動、行為感知等多元數(shù)據(jù),提升評價效率與質(zhì)量。一方面,高校要構(gòu)建與智慧工程教學(xué)模式相適應(yīng)的多元評價方式,利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)改進結(jié)果性評價的同時,彈性推進過程性評價、增值性評價和綜合性評價一體運行。另一方面,高校要開發(fā)多維學(xué)習(xí)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn),從工程理論知識、考試分數(shù)、學(xué)分績點向?qū)W習(xí)過程體驗擴展,注重學(xué)生在各類工程學(xué)習(xí)活動中的參與行為、投入表現(xiàn)、創(chuàng)新設(shè)計和成果產(chǎn)出等軌跡,以及工程實際問題發(fā)現(xiàn)與解決能力、復(fù)雜系統(tǒng)工程思維與實踐應(yīng)用技能、工程技術(shù)與項目開發(fā)能力等高階能力發(fā)展,確保工程教學(xué)評價客觀科學(xué)、立體全面與精確可信。

3. 推進評價結(jié)果實時反饋和精準(zhǔn)應(yīng)用,基于學(xué)生學(xué)習(xí)畫像深化工程教學(xué)質(zhì)量與效益。傳統(tǒng)工程教學(xué)評價屬于水平性認證,其促進“質(zhì)量保障”與“效益增值”的發(fā)展性功能發(fā)揮不足。智慧教學(xué)環(huán)境下的評價不再受數(shù)據(jù)孤島和信息壁壘限制。教師既可利用人工智能等技術(shù)集成的教學(xué)評價平臺系統(tǒng),對學(xué)生在課前、課中與課后等不同階段的工程學(xué)習(xí)狀態(tài)、行為表現(xiàn)和成果質(zhì)量等開展全流程、全環(huán)節(jié)和全要素的數(shù)據(jù)記錄和追蹤,從而全方位透視和動態(tài)精準(zhǔn)評估其課程學(xué)習(xí)成效與學(xué)業(yè)質(zhì)量,完成工程學(xué)習(xí)精準(zhǔn)“畫像”;也可借助信息一體化平臺統(tǒng)合機評、師評、他評和自評,對各類分布式工程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行橫向關(guān)聯(lián)比較、縱向深度分析和結(jié)果實時反饋,以可視化途徑智能生成學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)果和質(zhì)量評估報告。這有利于教師實時把握學(xué)生的學(xué)習(xí)進度與成效,預(yù)測學(xué)習(xí)問題,動態(tài)開展精準(zhǔn)式教學(xué)干預(yù)和個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo),助力學(xué)生靈活調(diào)整學(xué)習(xí)方式,實現(xiàn)工程學(xué)習(xí)效能最大化。

(四) 提升數(shù)字勝任力,促使智慧工程教學(xué)優(yōu)質(zhì)高效實施

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字工具和智能產(chǎn)品的迭代創(chuàng)新和介入使工程教學(xué)在新理念、新模式和新方法交疊下發(fā)生深層裂變和轉(zhuǎn)型,從而建構(gòu)與未來卓越工程人才培養(yǎng)需求相適應(yīng)的工程教學(xué)新形態(tài)和新范式。這種變革絕非表面上外化為技術(shù)在工程教學(xué)的縱深嵌入、智能升級與空間資源形式更新,而是實質(zhì)上映射出從技術(shù)客體到人之主體的教學(xué)媒介和生態(tài)再生產(chǎn),指向人機協(xié)同的工程教學(xué)觀念轉(zhuǎn)型與教學(xué)能力再造。工程教育必須提升師生的數(shù)字適應(yīng)力和教學(xué)勝任力,促進智慧工程教學(xué)的專業(yè)化實施與質(zhì)量的卓越發(fā)展。

1. 重塑技術(shù)變革工程教學(xué)的理念認同。面向未來,技術(shù)勢必會作為工程教育教學(xué)的變革性力量和內(nèi)生性要素存在。長效推進智慧工程教學(xué)需要理念先行,據(jù)此高校要塑造師生的數(shù)字意識和思維。一方面,師生要深刻認識到技術(shù)在智慧工程教學(xué)改革和創(chuàng)新中的不可替代性。人工智能技術(shù)將傳統(tǒng)教學(xué)形態(tài)、結(jié)構(gòu)和關(guān)系由表征教師中心的等級式“教師教-學(xué)生學(xué)”二元分立轉(zhuǎn)向基于人機協(xié)同與師生合作的“教學(xué)-技術(shù)-學(xué)習(xí)”三元交互,形塑一種與技術(shù)媒介共存、共生與融合的新型教學(xué)模態(tài)。另一方面,師生要理性審視智能技術(shù)變革工程教學(xué)的作用關(guān)系,走出技術(shù)完全替代人的教學(xué)活動抑或人的教學(xué)行為完全依附技術(shù)的兩極化誤區(qū)。高校師生既要認識到技術(shù)嵌入工程教學(xué)的輔助性工具價值,如淺層的課堂教學(xué)在線平臺、數(shù)字資源、動畫演示等使用,也要認識到技術(shù)改變和優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)時空、教學(xué)模式、學(xué)習(xí)方式、內(nèi)容體系和師生關(guān)系的固有優(yōu)勢,以及提升教學(xué)與學(xué)習(xí)的效率與深度、實現(xiàn)教學(xué)精準(zhǔn)化和學(xué)習(xí)個性化的深層價值,確保師生認同、適應(yīng)并自覺實踐智慧工程教學(xué)。

2. 強化數(shù)字技術(shù)素養(yǎng)、專業(yè)培訓(xùn)和工程教學(xué)學(xué)術(shù)研究。智能技術(shù)與工程教學(xué)的深度融合和普及應(yīng)用要求師生的教學(xué)專業(yè)素養(yǎng)和勝任力進行適應(yīng)性調(diào)整與升級,不斷提升數(shù)智技能和智慧教學(xué)能力,避免技術(shù)過度依賴抑或不適應(yīng)。首先,高校要供給專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)與服務(wù),打造一支智能技術(shù)嫻熟、水平高、經(jīng)驗豐富與能力過硬的一流專業(yè)技術(shù)團隊,為工科師生的數(shù)智素養(yǎng)培育、技能發(fā)展和智慧工程教學(xué)實踐提供全流程、全環(huán)節(jié)、精準(zhǔn)化和有實效的技術(shù)咨詢、問題指導(dǎo)和及時援助。其次,高校要加強師生智能技術(shù)教學(xué)培訓(xùn)和學(xué)習(xí),既要重點面向不同教齡、專業(yè)和層次的工科教師,根據(jù)不同工程專業(yè)課程模塊和類型施以專題培訓(xùn),也要普及學(xué)生的信息數(shù)字素質(zhì)教育與實踐技能訓(xùn)練,進而夯實師生的信息化、數(shù)字化和智能化技術(shù)知識與素養(yǎng)基礎(chǔ),提升其運用數(shù)智技術(shù)組織開展教與學(xué)活動的綜合技能。比如師生要學(xué)習(xí)和掌握智能環(huán)境設(shè)施、移動通信設(shè)備、信息處理工具、網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)、虛擬工程場景、AI助手等的使用與管理技巧和方法,數(shù)字化學(xué)習(xí)資源開發(fā)制作、整合應(yīng)用虛擬仿真實驗實訓(xùn)的實施技術(shù)與策略等,以及基于人機交互的智慧工程教學(xué)設(shè)計、實施和評價等教與學(xué)業(yè)務(wù)能力。最后,高校要支持工科教師積極實踐智慧教學(xué)并開展教學(xué)學(xué)術(shù)研究,結(jié)合具體專業(yè)和不同課程開展創(chuàng)新性設(shè)計、實踐和專門化探究,挖掘和揭示智慧工程教和學(xué)的核心特征、關(guān)鍵過程、運行機制與普遍規(guī)律,在實踐與研究中總結(jié)經(jīng)驗、反思改進,確保智慧工程教學(xué)的高質(zhì)量推進。

3. 增強智慧工程教學(xué)的政策保障與制度驅(qū)動。作為一項整體性和系統(tǒng)性改革工程,推動智慧工程教學(xué)從理念設(shè)計外化為實踐行動,離不開政策制度的保障和規(guī)制約束。一方面,高校要出臺智慧工程教學(xué)改革和建設(shè)的專門政策和制度,賦予工科教師推進工程教學(xué)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的合法性支持,為教師積極參與和持續(xù)投入注入動能。另一方面,高校要構(gòu)建與信息化、數(shù)字化和智能化相匹配的工程教學(xué)考核評估機制,將智慧工程教學(xué)實踐情況、成效與質(zhì)量納入教師綜合考核指標(biāo)與績效激勵清單,并根據(jù)教學(xué)的工作量、創(chuàng)新度、貢獻度與增值度施以分類分級獎勵,配套與教改專項、基金資助、績效獎勵、職稱評審、教學(xué)成果申報等直接掛鉤的傾斜性支持措施,引導(dǎo)和驅(qū)動教師提升智慧教學(xué)的主動適應(yīng)力、行動力和勝任力,保障未來工程教學(xué)的提質(zhì)增效。