面向新工科的智慧环境下“智能+”专业课堂教学模式改革探索与实践

面向新工科的智慧环境下“智能+”专业课堂教学模式改革探索与实践

东北大学   徐林

一、项目实施的工作基础

当前新一轮科技革命和产业革命正在孕育兴起，重大科技创新正在引领社会生产新变革，互联网、人工智能等新技术的发展正在不断重塑教育形态，知识获取方式和传授方式、教和学关系正在发生深刻变革。本项目以“智能+”专业课堂教学模式改革为背景，遵循“四个重构”原则，将关注点投向新工科人才培养的最小单元——课程，探索建构具有现代信息技术与教育教学深度融合特征、关注学生工程能力提升的智慧环境下新型课堂模式，让智慧唤醒课堂，让智慧引领教师专业成长，让学生在智慧环境中学习成长。

二、改革思路及举措

1.基于构建主义理论的智慧课堂环境营造

遵循建构主义理论创建有利于学生对所学内容意义建构的智慧学习环境，运用信息技术成果强力支持智慧课堂环境建设，启用数字化教学管理系统，以自动化专业为主要样本，拓展至其它“智能+”相关专业，选取专业核心课程，开展“体验馆”“实验场”式教学；充分运用“雨课堂”“Blackboard”“高校邦”等线上教学资源平台与课堂教学内容无缝连接，引导学生在智慧环境下进行个性化学习、自主学习、协作式学习；分年级、分层次在专业基础类课程、专业方向类中应用基于人工智能、大数据分析、物联网技术、云平台、可视化技术、泛在网络等信息技术手段。项目实施以来新增建设（改建）智慧教室29间，智能白板教室60间，常态化录播教室100间，远程互动教室4间，VR教室2间，累计投入建设经费700万元（全口径），基本完成智慧感知性、全向交互性和资源丰富性的智慧课堂环境初建设。

2.基于融合创新的PBL交互式教学模式构建

将成果导向（OBE）教学理念和问题导向（PBL）教学模式深度结合，能够更好地提升学生的综合能力，对于呈现机理未知性、学科交叉性、技术融合性、环境复杂性等新经济时代人才培养至关重要，可显著提高学生的工程实践能力，培养学生的创新意识。因此，提出了PBL交互式教学模式，构建了由单课程PBL模式、课群（跨课程）PBL模式、专业PBL模式、跨专业PBL模式组成的渐进式、分层次、复合型教学“生态系统”（见图1），极大提高了学生的学习积极性、时间投入和授课效果，让学生能够直观地感受到所学理论带来的实际效果，并促使其深入探究，自主学习获得更多的知识。

图1 渐进式、分层次、复合型课程体系模型

3.融入全程问题导向的智慧教学模式实践

项目团队对智慧环境下“智能+”专业课堂教学方法进行了深入研究，厘清智慧环境下“智能+”专业课堂教学中“教”与“学”的全新角色定位，根据新工科人才核心能力培养需求，在自动化专业及其他“智能+”专业课程建设中，对课堂知识进行模块化分解，科学匹配教学形式、设置分配学时，适当增加工程实践内容比例，将问题导向（PBL）教学法与课程目标有机融合，贯穿于课程知识点结构分解和讲授布局设计中。建立以面向工程应用能力培养的专业方向类课程为切入点，以组织智慧环境下课堂教学为主要形式，融合问题导向（PBL）教学法的智慧环境下课堂教学新模式。所有教室都增加了雨课堂功能，每年有近200名教师在课程中使用了雨课堂、SPOC等教学模式，且已经建设问题导向、项目化、交互式PBL课程30余门。

4.着眼学生能力提升的智慧课程体系再造

课堂是人才培养的主渠道，课程是教育改革的主阵地。项目团队根据东北大学“四金一新”（“金专”“金课”“金师”“金果”和“新工科”）建设框架，立足学科优势，着力构建以学生专业核心能力培养为价值导向的“五育并举”人才培养体系（见图2），依托2021级新培养方案制定工作，对照新工科专业培养目标和毕业要求，对“智能+”专业课程体系进行全面再造，在课程培养目标与毕业要求关系矩阵中，增强智慧环境下“智能+”专业课程与新培养方案的关联度和支撑度。将“智能+”课程特征写入新工科专业“基因”，使新工科相关专业类培养方案、课程体系中互为呼应，为新工科发展方向——多学科专业交叉融合、有效联动打下坚实基础。

图2 “五育并举”人才培养体系

三、创新点及特色

1.于细微处见知著——新工科建设和改革的核心任务之一就是构建新的工科专业教学范式，新工科的“新”体现在学科交叉、专业融合、课程重构等多个层面，涉及教育理念、教学方法、培养手段、实践平台、质量标准等多方面内容，是一项复杂的系统工程。本项目立足“课程”这一实现人才培养目标的基础环节和关键单元，以课堂教学模式改革为主线，选取“智能+”专业课堂教学为研究样本，在课程中运用新理念，创建新模式，运用新方法，设计新内容，对标新质量，积沙成塔、集腋成裘，在最靠近学生的地方——课堂，为学生提供个性化、多样化、高质量的教育服务。

2.于潮头处发先声——新工科建设不是坐而论道，必须与时代发展、社会需求相结合，要顺应现代教育技术助推新工科人才培养实践的潮流。具体到教学层面，结合新工科引领性、通宽性、前瞻性、交叉性、开放性、实践性的特质和新工科人才核心能力需求，依托在线平台，整合互联网教学资源，借助MOOC、雨课堂等手段，引入“人工智能+教育”“互联网+教育”等智慧环境下的课堂教学模式，配合新的教学理念及教学方法，将基于问题的学习、基于项目的学习、体验式教学、探究式学习以及翻转课堂等教学方法灵活地应用于教学中，探讨信息技术基础上新工科的智慧教学设计及“智能+”专业课程内容设计，让智慧唤醒课堂，让智慧引领教师成长，让学生在智慧环境中受益，也为以人工智能、大数据、工业智能等前沿专业为代表的“新工科”相关专业发展明确了方向。

3.于行远处见繁花——新工科人才培养的内涵在于聚焦专业人才培养质量这个教育教学改革核心问题，为了实现人的发展和能力的提升。面向新工科建设要求的课堂教学模式改革与探索，究其本质是为了培养处于未来多元化、创新型、工程链和创新链中上游的卓越工程科技人才。本项目积极为学生创建符合建构主义认知理论的智慧环境场景，运用以问题为导向的先进教学方法和以学生为主导的智慧课堂课堂学习方式，建立能有效促进学生个性化学习、自主式学习、协作式学习以及深度学习的课堂交互模式，引导学生利用智慧资源，实现价值塑造、能力培养和知识传授三位一体的全面塑造。

四、应用及推广情况

团队成员立足项目研究实际，从课堂教学理念与方法研究、课堂模式应用研究、智慧学习环境创建研究、师资教学培训等方面系统化推进项目实施。目前除在自动化专业进行智慧环境下课堂教学模式应用，且已经推广至人工智能、工业智能、机器人工程等自动化类“智能+”专业，并逐步向其他“智能+”相关专业推广。结合学校“四金一新”建设，全面重构“五育并举”专业培养方案、课程体系、课程大纲，组织三批OBE&PBL融合项目立项，发表相关研究论文60余篇，出版专著及教材10余部，组织PBL教学法卓越教师工作坊11场次覆盖500余人次，开展智慧学习环境下新型课堂创设培训，项目团队成员在中国自动化教育学术年会、人力资源管理学科发展论坛等做专题报告，参与第四届中国高等教育智慧教学与课堂教学改革论坛推广项目成果。