數(shù)智化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下的智慧教學(xué)探索與實(shí)踐

引言

隨著科技的飛速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，社會(huì)對(duì)人才的需求發(fā)生了深刻變化。高校作為人才培養(yǎng)的重要基地，更需要培養(yǎng)出適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)發(fā)展需求的新質(zhì)人才，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展提供有力的人才支撐。新質(zhì)人才的培養(yǎng)需要以新質(zhì)教育為基礎(chǔ)，這就要求教育體系自身的革新。新質(zhì)教育強(qiáng)調(diào)成長(zhǎng)心態(tài)、持續(xù)學(xué)習(xí)以及與人工智能（AI）等高端技術(shù)的“人技共智”協(xié)同工作能力，鼓勵(lì)跨學(xué)科思維和人機(jī)共生的理念[2]。

基于此背景，傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式已難以契合國家對(duì)新質(zhì)人才的培養(yǎng)要求。高等教育作為教育改革的關(guān)鍵領(lǐng)域，亟待更新知識(shí)體系以順應(yīng)新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)，教學(xué)模式也須革新，從而有效激發(fā)并提升學(xué)生的跨學(xué)科思維、批判性思維、創(chuàng)新實(shí)踐能力、持續(xù)發(fā)展能力。教學(xué)模式的變革將直接關(guān)乎教育質(zhì)量的提升與教育目標(biāo)的達(dá)成。

1.課程與教學(xué)改革面臨的困境

在數(shù)智技術(shù)浪潮下，教學(xué)模式正經(jīng)歷深刻變革[3。然而，變革之路荊棘叢生，困境與挑戰(zhàn)接踵而至。

1.1在教育教學(xué)過程中如何貫徹?cái)?shù)智教育理念

數(shù)智教育是指以大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)為主要載體，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字思維、數(shù)字素養(yǎng)、智算技能及解決數(shù)智時(shí)代問題等數(shù)字能力為目標(biāo)的交叉型人才教育模式4。通過數(shù)智教育構(gòu)建“以人為本、面向服務(wù)、信息互通、數(shù)據(jù)共享”的數(shù)字校園，學(xué)習(xí)討論數(shù)智化教育教學(xué)的新思想、新理念、新方法，重點(diǎn)在“數(shù)智教育何為”“數(shù)智教育之為”“數(shù)智教育將為”三個(gè)方面。例如，推進(jìn)教育理念、體系、制度、內(nèi)容、方法、治理的數(shù)智化；運(yùn)用數(shù)智技術(shù)推動(dòng)教育服務(wù)供給方式、教學(xué)管理機(jī)制、人才培養(yǎng)模式的變革[5]。

1.2如何運(yùn)用數(shù)智技術(shù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式

數(shù)智化轉(zhuǎn)型背景下，響應(yīng)國家戰(zhàn)略規(guī)劃與需要，以服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為主責(zé)，學(xué)校將數(shù)智人才培養(yǎng)覆蓋到所有學(xué)科專業(yè)及各個(gè)學(xué)歷層次，在推動(dòng)數(shù)據(jù)科學(xué)知識(shí)的交叉學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，著力培養(yǎng)面向未來的復(fù)合型應(yīng)用型數(shù)智人才。重點(diǎn)以修訂培養(yǎng)方案、重構(gòu)教學(xué)環(huán)境、開展進(jìn)階培訓(xùn)等環(huán)節(jié)作為突破口，深度思考在信息時(shí)代如何構(gòu)建以學(xué)生為中心的連接、共享、自主、開放、適切的人才培養(yǎng)體系。例如，運(yùn)用數(shù)智技術(shù)推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革、人才培養(yǎng)方案優(yōu)化；運(yùn)用數(shù)智技術(shù)整合各類教學(xué)資源，提高資源利用效率，確保教學(xué)資源的優(yōu)質(zhì)化和多樣化。

1.3如何結(jié)合數(shù)智技術(shù)改進(jìn)教師教學(xué)手段方法

在傳統(tǒng)教育模式中，教師是教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)者。然而，在數(shù)智時(shí)代，教師與學(xué)生構(gòu)成了教育共同體，雙方須共同參與教學(xué)過程，圍繞學(xué)生的成長(zhǎng)及特定問題展開探索實(shí)踐。這使得教師徹底擺脫了單方面輸出知識(shí)的傳統(tǒng)模式，轉(zhuǎn)而與學(xué)生共同學(xué)習(xí)、相互支持，讓“教學(xué)相長(zhǎng)”的理念在數(shù)智時(shí)代得到充分體現(xiàn)。例如，教師利用數(shù)智技術(shù)為學(xué)生提供豐富的教學(xué)資源和有效的學(xué)習(xí)引導(dǎo)、將科研成果反哺教學(xué)、改革教學(xué)模式等。

2.課程與教學(xué)改革的新質(zhì)發(fā)展

本文以“微型計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)”課程為例，重點(diǎn)從構(gòu)建知識(shí)圖譜、智慧教學(xué)模式兩個(gè)方面探索課程與教學(xué)改革的新質(zhì)發(fā)展。通過重構(gòu)課程體系，構(gòu)建跨學(xué)科資源庫，結(jié)合“知識(shí)圖譜 ^°+ 合堂教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力，提高工程實(shí)踐水平和創(chuàng)新思維能力，為培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的高素質(zhì)工程技術(shù)人才提供有力支撐。

2.1運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，構(gòu)建知識(shí)圖譜2.1.1梳理知識(shí)內(nèi)容，重構(gòu)課程體系知識(shí)圖譜作為一種用于表示和存儲(chǔ)知識(shí)的圖形化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠呈現(xiàn)出知識(shí)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。授課教師從多種來源采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行清洗、去重、格式化等操作，通過結(jié)構(gòu)化的形式進(jìn)行組織和展示課程包含的知識(shí)點(diǎn)、教學(xué)資源、教學(xué)活動(dòng)、測(cè)評(píng)方式之間的關(guān)系，利用自然語言處理技術(shù)識(shí)別命名節(jié)點(diǎn)并抽取節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)不同來源的知識(shí)進(jìn)行融合，解決沖突和冗余問題，將知識(shí)存儲(chǔ)在高效的數(shù)據(jù)庫中，是一種新型的數(shù)字技術(shù)和教學(xué)資源。“微型計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)”課程知識(shí)圖譜如圖1所示。

2.12整合優(yōu)質(zhì)資源，構(gòu)建跨學(xué)科資源庫整合理論與實(shí)踐教學(xué)資源：搭建從基

礎(chǔ)到進(jìn)階逐步深人的理論教學(xué)架構(gòu)，同時(shí)

打造與理論教學(xué)相契合的實(shí)踐教學(xué)體系。

理論教學(xué)內(nèi)容：在“微型計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，以課程目標(biāo)為引領(lǐng)，構(gòu)建應(yīng)用能力分階理論教學(xué)資源體系，如圖2所示。其中，知識(shí)目標(biāo)模塊側(cè)重于指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和串行口等；能力目標(biāo)模塊側(cè)重于存儲(chǔ)器及IO口擴(kuò)展、AD/DA等；素養(yǎng)目標(biāo)模塊側(cè)重于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制；育人目標(biāo)模塊側(cè)重于綜合性分析設(shè)計(jì)、解決工程實(shí)踐問題、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力等具有挑戰(zhàn)度和創(chuàng)新性的內(nèi)容。

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容：課程體系特色鮮明，深度融合理論教學(xué)，以實(shí)驗(yàn)、問題、項(xiàng)目為導(dǎo)向，引領(lǐng)學(xué)生步人實(shí)踐殿堂。依托先進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與虛擬軟件工具，學(xué)生親身體驗(yàn)數(shù)字微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，動(dòng)手能力與設(shè)計(jì)思維得以錘煉。此體系全方位鍛煉學(xué)生科研思維、創(chuàng)新意識(shí)、復(fù)雜問題解決能力，同時(shí)提升個(gè)人動(dòng)手實(shí)踐與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為培養(yǎng)新質(zhì)人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2運(yùn)用教學(xué)工具，探索智慧教學(xué)模式運(yùn)用“知識(shí)圖譜 + 合堂”探究式教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生深層學(xué)習(xí)，錘煉解決復(fù)雜工程難題之技

2.2.1學(xué)生基于知識(shí)圖譜線上自主學(xué)習(xí)

教師依托在線課程平臺(tái)、超星知識(shí)圖譜系統(tǒng)，高效發(fā)布課程資料，科學(xué)布置作業(yè)任務(wù)；學(xué)生觀看精選短視頻，初步把握課程核心要點(diǎn)，并依據(jù)教師精心設(shè)計(jì)的任務(wù)，參與線上互動(dòng)交流與自主測(cè)試評(píng)估；針對(duì)關(guān)鍵難點(diǎn)，學(xué)生借助知識(shí)圖譜系統(tǒng)深度探究以深化理解與牢固掌握；學(xué)生結(jié)合個(gè)人學(xué)習(xí)進(jìn)度的實(shí)際情況與興趣偏好的個(gè)性特點(diǎn)，有序開展定制化學(xué)習(xí)與拓展探索。

2.2.2合堂理論研討教學(xué)

開展合堂理論講授，搭建多班共同學(xué)習(xí)的橋梁。打造梯次分明、緊密相連的案例體系，引導(dǎo)學(xué)生歷經(jīng)審題、析題、解題的三步研討，如圖3所示。同時(shí)，融合教師、企業(yè)專家、同學(xué)互助、智能平臺(tái)等多元力量，為探究式學(xué)習(xí)打造堅(jiān)實(shí)后盾。

用經(jīng)典范例教學(xué)法在課堂開展情境案例推演與單元項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)教學(xué)；進(jìn)而由淺至深，通過建構(gòu)主義教學(xué)法開啟高級(jí)計(jì)算機(jī)項(xiàng)目實(shí)踐。通過技術(shù)與素養(yǎng)相得益彰的學(xué)生分組、教師項(xiàng)目闡釋、小組規(guī)劃分工、階段性研討、成果展示、多維度評(píng)價(jià)、貢獻(xiàn)激勵(lì)等七步精雕細(xì)琢的小班實(shí)操教學(xué)模式，如圖4所示，培育學(xué)生信息技術(shù)實(shí)踐技能、創(chuàng)新邏輯思維，有力消除團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目中的依附心態(tài)，鼓舞團(tuán)隊(duì)協(xié)作士氣。

3.智慧教學(xué)改革成效

3.1試驗(yàn)方法與過程

為驗(yàn)證數(shù)智化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下的智慧教學(xué)改革的效果，筆者選取電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的2022級(jí)和2021級(jí)180名學(xué)生作為研究對(duì)象，由于兩個(gè)年級(jí)的學(xué)生執(zhí)行同一版培養(yǎng)方案，因此在學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和技能儲(chǔ)備方面基本相同，具有可比性，因此分別在大三年級(jí)時(shí)對(duì)兩個(gè)年級(jí)進(jìn)行相同項(xiàng)目的測(cè)試。將2021級(jí)學(xué)生劃分為對(duì)照組（90人），實(shí)行傳統(tǒng)教學(xué)模式以及常規(guī)“微型計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)”教學(xué)內(nèi)

2.2.3小班分組實(shí)踐教學(xué)

以打造結(jié)構(gòu)化知識(shí)體系為旨?xì)w，遵循由近及遠(yuǎn)，運(yùn)

容；將2022級(jí)學(xué)生劃分為試驗(yàn)組（90人），采取數(shù)智化轉(zhuǎn)型優(yōu)化后的“微型計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)”課程，對(duì)比兩組學(xué)生在學(xué)習(xí)能力目標(biāo)達(dá)成、學(xué)習(xí)成績(jī)、參與學(xué)科競(jìng)賽等不同方面的表現(xiàn)，以及教師教學(xué)能力方面的變化。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.2.1學(xué)生能力提升

教學(xué)改革實(shí)踐若從縱向維度審視，學(xué)生能力目標(biāo)與素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度逐年提高。近五年，本專業(yè)2022級(jí)（達(dá)成度 70% ）相比2021級(jí)（達(dá)成度 60% ），顯著攀升10個(gè)百分點(diǎn)；學(xué)科競(jìng)賽共計(jì)榮獲49項(xiàng)國家級(jí)、135項(xiàng)省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，其中2022級(jí)學(xué)生比2021級(jí)多獲得34個(gè)學(xué)科競(jìng)賽獎(jiǎng)。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2.2教師能力提升

依托本課程教學(xué)改革，教學(xué)團(tuán)隊(duì)先后主持完成了山西省高等教育改革項(xiàng)目3項(xiàng)、教育部校企協(xié)同育人項(xiàng)目1項(xiàng)，發(fā)表教改論文4篇。將2021級(jí)和2022級(jí)教師在第二、三學(xué)年的教學(xué)模式種類、教學(xué)資源開發(fā)能力、教學(xué)反思與改進(jìn)次數(shù)三種維度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，參加教學(xué)改革的教師在三維度方面均有了顯著的提升。例如，教師在教學(xué)模式方面由傳統(tǒng)的講授法、案例教學(xué)法轉(zhuǎn)變?yōu)榍榫敖虒W(xué)法、體驗(yàn)教學(xué)法、主題辯論法等6種教學(xué)模式，參與的教學(xué)資源開發(fā)項(xiàng)目由5種轉(zhuǎn)變?yōu)?5種，教學(xué)反思與改進(jìn)次數(shù)由3次轉(zhuǎn)變?yōu)?次，體現(xiàn)了參與教學(xué)改革的教師在教學(xué)能力方面有了顯著的提高，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

從以上對(duì)比可以看出，數(shù)智化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下的智慧教學(xué)在“微型計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)”課程中取得了顯著的改革成果，無論是學(xué)生的學(xué)習(xí)效果還是教師的教學(xué)能力都有了大幅提升。

結(jié)語

在教育改革新征程中，教學(xué)模式以數(shù)字技術(shù)為路徑，創(chuàng)新教學(xué)模式的探索得以穩(wěn)步推進(jìn)，為教育變革開辟了全新的方向；人工智能（AI）技術(shù)的引人為教學(xué)手段的革新注入了強(qiáng)勁動(dòng)力，借助AI的高效、智能特性，教學(xué)過程得以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、個(gè)性化與高效化的轉(zhuǎn)變；混合式教學(xué)模式逐漸成為教育實(shí)踐中的常態(tài)趨勢(shì)，通過融合傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)代信息技術(shù)的創(chuàng)新，引領(lǐng)教育在新時(shí)代的浪潮中穩(wěn)健前行。在數(shù)智化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下，基礎(chǔ)課程作為培育新質(zhì)人才的土壤，如何精準(zhǔn)把握改革契機(jī)，敏銳適應(yīng)新政新規(guī)，積極應(yīng)對(duì)新形勢(shì)新挑戰(zhàn)，全力提升教學(xué)質(zhì)量，是每一位科教工作者肩負(fù)的使命，是必須直面的課題。高校要圍繞新質(zhì)人才培育核心，從多維度、多層次、多方面開展教學(xué)教改系列舉措，為國家戰(zhàn)略發(fā)展全力育英才、蓄勢(shì)能、鑄未來。

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作者簡(jiǎn)介：張曉聞，博士研究生，講師，zhangxiaowen@tit.edu.cn，研究方向：嵌入式應(yīng)用、機(jī)器視覺。