基于信息化在線課堂的“新工科”混合教學模式研究與實踐

于魯汕　管恩京　王平　黃昊飛　傅忠君

摘? 要：通過分析信息化網絡學習環境下本科教育信息化空間、教學資源建設、教學模式問題，探討適應新經濟背景下高校新工科人才培養需求。并以信息化資源建設、模擬仿真、工程實踐基地建設及工程模擬訓練設計問題為導向，進行課堂教學與信息網絡、軟件應用及工程實踐案例設計在線深度融合方法。探討以培養方案優化、在線教學資源、工程實習基地公建及多學科、多元化混合式教學的新工科教學模式，對提高本科教學質量，促進大學生創新及工程應用能力，滿足新工科人才需要，是教學方案、方法及信息化內容變革的有效路徑。

關鍵詞：信息化;新工科;融合;教學模式;實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）26-0020-04

Abstract： By analyzing the problems of undergraduate education information space， teaching resource construction and teaching mode under the information network learning environment， this paper discusses how to meet the needs of new engineering talents training in colleges and universities under the background of new economy. Guided by the problems of information resources construction， simulation， engineering practice base construction and engineering simulation training design， the online deep integration method of classroom teaching and information network， software application and engineering practice case design is carried out. This paper discusses the new engineering teaching mode， which is based on the optimization of training scheme， online teaching resources， public construction of engineering practice base and multi-disciplinary and diversified mixed teaching， in order to improve the quality of undergraduate teaching and promote the innovation and engineering application ability of college students， to meet the needs of new engineering talents， which is an effective way to reform teaching plans， methods and information content.

Keywords： informatization; new engineering; integration; teaching mode; practice

自2017年2月以來，教育部結合中國制造2025規劃，組織教育專家深入研討，探索以互聯網和工業智能化為核心，利用大數據、人工智能、智能科學信息等，培養高校新工科人才，助力中國智能制造[1-2]。2018年4月，教育部正式發布《教育信息化2.0行動計劃》[3]，推動信息化與新工科融合創新教育實踐工作。美國斯坦福大學于2012、2015年發布《斯坦福大學本科教育報告》及《斯坦福大學2025計劃》，2014年，麻省理工學院發布了《麻省理工學院教育的未來》和《高等教育改革的催化劑》研究報告，提出了本科新工科教育的發展目標。基于“互聯網+”、信息化背景下教育學習，已成為高校學生高效學習，快速獲得知識與技術信息的重要方法，信息化資源共享、翻轉課堂、線上線下混合模式的教學，在信息化資源推動傳統工業技術升級，戰略新興產業加快發展的新經濟形勢下，本科教育如何通過信息化應用、培養方案優化與教學模式改革，促進“新工科”教育適應新經濟發展，成為21世紀以來國內外高等教育的共識。面對信息化、新技術、新業態為特征的新經濟，高等教育迫切需要進一步改革發展、提高質量。目前，本科教育大學生的工程實踐能力不足、學科交叉知識積累少、解決分析工程問題、知識運用能力不足。“新工科”需要將不同學科行業對工程技術人才的不同能力需求，融入教學、實踐及應用環節，培養具有較強行業、產業背景、理論與工程技術能力，適應或引領行業發展的“新工科”技術人才。

一、信息化對傳統教學模式的影響

目前，利用互聯網信息技術獲得傳統技術信息與知識，已成為學生應具有的信息檢索獲得能力，并已滲透到社會經濟發展和生活的各個領域。如何優化傳統工科專業培養教學方案及教學結構，利用信息化技術推進機械、化工、材料等工科專業基礎課、專業課、實驗與實踐課教學，將信息化、互聯網+技術與各專業教學、實踐、創新創業環節融合，是“新工科”建設與教育模式創新的重要探索研究內容。隨時隨地閱讀與學習已成為了解信息和教育教學的新特征， 《教育信息化“十三五”規劃》中明確指出，應用信息技術改造傳統教學方式，促進形成泛在、移動、個性化教育學習方式[4]。

（一）信息化環境

當前網絡信息普遍存在信息資源良莠不齊，娛樂及游戲占一定比例，除非學生為完成目標學習任務而檢索信息，學生上網以休閑娛樂占比例較高，缺乏有針對性引導學生進行專業學習的趣味技術信息及視頻優質資源，即使存在這樣的信息資源，學生在上網主動學習的過程中易產生疲憊感，因知識性信息不僅缺乏快樂感，易使人疲倦，而以盈利為目的注冊網站會以誘人的廣告、動畫及夸張語言誘惑學習者，現實情況決定了其信息資源良莠不齊的現象將長期存在。嚴瑾等[5]分別對大學生通過信息化網絡學習行為進行分析研究，其中在互聯網進行休閑、娛樂活動的比例在50%以上。以互聯網、手機信息為基礎的信息快速傳播狀態下，信息資源成倍增長，信息及交互方式呈指數形式放大，給學生通過互聯網學習以豐富的多元選擇機會。

在我校承擔教育部為了推進信息化教學立項的“高校混合式教學效果評價指標體系構建研究”課題參與研究進行教學信息化改革的111位教師中，以問卷形式進行教學信息化認識調查顯示，教師在“課程在線上網教學的必要性”上，78.1%的教師認為“非常必要”或“必要”;在“教學中采用混合教學的必要性”上，76%的教師認為“必要”。統計數據顯示，學校的1583位專任教師使用過網絡教學空間的有1270人，但是對網絡空間深度并持久應用的只有240人，參與課題研究進行教學信息化改革的教師中，對在線網絡深度并持久應用的有88人，占79.3%。研究表明，要引導更多高校教師利用信息化網絡在線教學資源信息，應多創新優質的專業教學資源上線，使在線教學信息資源不僅具有專業性、知識性，也要有邏輯性、系統性、趣味性，使在線信息化教育能吸引學習者。

山東理工大學2014-2018年在校本科及成人教育在線學習年均人次見圖1。

（二）信息化環境下的教學模式與認識

趙學信等[6]對信息化環境下學習模式進行研究，提出課外網絡學習作為課堂教學的拓展，指出應鼓勵為教師和學生提供有利于課堂教學的條件及方式。通過在線和信息化資源共享學習，靈活多樣進行信息化方式在線教學，首先是教會學生獲得在線信息知識的獲取、檢索及瀏覽方法，如同箴言“授之于魚不如授之于漁”相同，教授獲得知識的方法強過教授知識。在利用信息化的過程中，教師也有很多傳統知識及新技術信息需要通過信息化方法知識更新。為避免課堂“填鴨式”教學，可在講課時利用電腦或手機與學生互動，使學生由被動接受教師講授知識，改為師生共同互動提高學生自主學習能力，以互動協作的方式來解決課堂上教師單調授課，學生被動聽課問題，利用信息化手段帶動學生自主探索學習的有效方法。

二、基于信息化教學的工科專業“新工科”教學模式探索

（一）匯聚在線開放課程（MOOC）等新型教育學習平臺

我校從2003至今已有1362門課程在線開放實現信息化教學，在促進信息化在線教學內容、方法、模式和教學管理體制改革方面，投資建設多學科在線開放課程（MOOC）等在線教育學習資源，構建利用信息化資源自主學習的多學科及交叉學科學習平臺，形成了以課改、教改、優質資源共享的在線新教育學習教學模式[7]。其中261門課程達到了信息技術與教學的深度融合，網絡學習空間總訪問量達到6130多萬人次，日均訪問量達5萬人次/年，年度平均增量為970萬人次，在校生人平均年度在線學習約470人次。

學校已建成“教務管理、網絡教學、虛擬仿真實驗、實踐教學管理”四個教學信息化平臺，教學資源在線、優質資源課、開放課程（MOOC）等新型學習平臺拓展了教與學習的空間，增強了大學生學習興趣和在線學習吸引力。

為促進信息化與軟件應用、模擬仿真及網絡資源應用與工程現場實際緊密聯系，先后聘請北京重氣、齊魯石化等國內大型企業的總工程師或技術總監、行業協會或國內外科研院所的專家，作為校外教師，對本科及成人教育專業現狀及教學培養方案、培養目標、課程體系和內容進行優化，并在線開放，實現在線教育資源網絡化，學生在課后隨時進行上網學習在線專業課，充分利用信息化教學方法學習并拓展專業技術知識。學校聯合企業與歐貝爾及東方仿真公司共建機械、化工材料模擬仿真課件。并通過開放課程網絡化、信息資源化，挖掘、匯聚各類多學科教學資源，吸收企業和行業專家指導信息化與教學專業建設，形成校內教學與校外實踐基地共享的教學實踐網絡平臺。

（二）信息化教學資源建設新工科教育模式實踐

學校在機械、化工、電氣、交通等具有學科優勢專業推進信息化教學與新工科建設創新改革，探討符合新工科工程教育需要和新時代特征的新培養模式。通過調研機械、化工、交通、電氣、材料等專業本科大學生適應新經濟人才結構及知識的問題，探索構建新的培養方案和教學模式，充分利用承擔教育部“高校混合式教學效果評價指標體系構建研究”課題立項研究機會，進行信息化應用教學模式研究、混合式教學方法探索，構建基于信息化的混合式教學模式效果評價指標體系研究。研究工科類專業“新工科”要求內容與信息化教學模式的深度融合，進行教學方案與教學模式探索與實踐。通過優化調整教學資源、經費分配、信息化資源共享強化工科專業教學，適應互聯網+、信息化、新教學培養方案，為“新工科”高質量培養適應新興產業及社會發展亟需人才為目標，構建與國家經濟社會發展和新工科需要相適應、與學校辦學定位和專業特色相匹配的培養方案、教學模式。

加強工科專業的信息化教學資源建設，支撐新經濟背景下的“新工科”新信息化教育模式創新。具體工作包括：研究不同專業新工科建設內容，加強與產業界及國際教育同行的戰略研討，了解行業對工科專門工程技術人才的需求，最終形成具特色的培養方案改造升級路徑和教學新模式。研究工科專業類教學質量國家標準，使用本科專業類教學質量國家標準，按照本科教學評估、工科專業認證不同深度教學質量標準，依托信息化及在線優質教學資源，合理增加核心課程及工程實踐問題挑戰度。嘗試大學課堂為安靜（Silent）、回答（Answer）、對話（Dialogue）、批判（Critical）和爭辯（Debate）5個層次的互動式教學。通過組織青年教師培訓、講授課競賽，提高教師的授課水平;積極參與國家級、省級機械、電氣、化工、建模等設計競賽、“互聯網+化學反應工程”課模擬設計大賽，加強行業企業對人才培養工作的深度參與，讓學生在項目式學習參與中鍛煉實踐能力，提高應用所學知識分析問題、解決問題的能力，提高學生工程化實踐訓練的深度和廣度。基于信息化新工科教學組織流程見圖2。

三、強化信息化建設與工程實踐基地與平臺的融合

“新工科是相對于傳統工科專業而言的動態的概念，是以新經濟、新產業為背景，與時俱進的比較性稱謂”[9]。新工科專業建設既要提升傳統工科專業培養質量，又要設置和發展一批新興工科專業，結合學校信息化建設優勢基礎、定位和專業特色，主動設置國家需要的戰略性新興產業課程、社會建設和公共服務領域改善民生急需的專業，建設有利于學科交叉融合，培養復合型人才的專業。新工科建設要緊密貼近新興戰略產業發展對工科人才需求的變化，主動服務行業及戰略性產業發展，為傳統產業技術升級和適應新興產業發展提供必要的人才及儲備。

（一）校內信息化與校外工程實習基地信息化應用實踐教學平臺建設

在校內工科教學中引入大型模擬仿真系統及先進工程技術應用軟件，使機械、化工、材料等工科專業通過軟件解析“跨時空、多流程、連續式、大信息量”的工藝流程及生產環節，應用大數據及統計分析、機械工程設計軟件、CAD軟件、化工AspenPlus模擬軟件，并與仿真供應商合作研發實操軟件，建成化工、材料、機械專業虛擬仿真教學實驗平臺。結合學校首批教育部“卓越工程師教育試點教學單位”建設，優化專業培養目標和課程，從專業基礎知識和創新設計能力兩個層面服務于“新工科”教育。校內外教學與實習信息化應用平臺建設包括了工藝優化模擬、3D仿真、材料新能、機械設備原理（動畫）與結構展示、分析過程仿真等多個模塊。使大學生校內外教學與實習信息化應用平臺貫通，促進校外實習基地建設與教學信息化、“新工科”建設與教學模式接軌，使大學生的專業知識通過信息化、大數據獲取并靈活運用，結合實習現場工程數據與產品流程，提高專業理論與實踐相結合的認識，提升工程實踐與創新能力。按照實際模擬廠區布局，構建虛擬工廠，包括罐區、廠房、生產平臺、機械設備及產品質量評價單元等。通過動態效果的3D模型，構建實際生產設備運行三維動態圖、工藝流程圖、主要設置圖、結構剖面圖及工作原理圖，呈現產品在設備中的實際流動與生產狀態。使學生對工廠及主要設備技術參數進行控制調節，借助局域網信息在教師指導下進行操作訓練，使學生成為實用型、適用性“新工科”高級技術人才。

（二）結合工程案例進行工程設計與畢業設計（論文）選題

畢業設計教學中聘用具有教學能力的企業及設計單位工程師為教師，承擔為學生開設工程設計與優化實踐課程教學，如聘請匯智工程設計公司總工程師齊遠峰、東岳化工集團國家膜材料重點實驗室研究員張永明等。結合信息化支撐新工科教學改革的實施，在加強專任教師工程實踐教學能力培養的同時，聘任具有豐富實踐經驗和較強的教學能力的工程技術人員為本科生開設研究、創新課和實踐課程。在畢業設計環節由各學院提前6個月在校外企業、工程設計單位征集畢業設計題目，大學生畢業設計選題中75%來自企業或設計單位工程實際，25%的學生有企業兼職指導教師，兼職導師優選理論功底扎實的校內和校外工程實踐經驗豐富的企業導師，共同指導學生完成畢業設計課題任務。

為提高校外工程實習實踐效果，學校與企業聯合共建工程實踐教育基地，目前已有16個校外工程實踐基地及工程實踐教育中心，并支持各學院與不同企業共建省級工程技術研究中心，加強學院各專業教師與企業技術升級創新的深度融合。金城石化、齊旺達有限公司是化工學院專業在人才培養及科研方面的合作單位。每年接收化工工程專業學生的生產實習，企業工程師參加大學本科生培養方案修訂，并為本科生兼職授課、指導本科生畢業設計（論文）及合作指導碩士研究生。畢業設計按照企業實際設計需要開展工作，項目組設有項目經理、總工、結構工程師、自動化、電氣工程師及安全環保工程師角色，注重基礎理論應用方面結合工程及信息化綜合能力培養。鼓勵學生提交包括實體模型、視頻、圖紙、三維模型等多種成果形式的設計成果。邀請中石化齊魯石化公司、機械、化工研究院、設計院等機械、電氣、化工工程領域高級技術人員，參加工科畢業生的答辯，由行業工程師對大學生的畢業設計理論、工程實踐能力進行質詢評價，使學生受到良好的答辯鍛煉。

四、結束語

學校通過對本科教育信息化、教學模式創新變革，教育質量適應“新工科”新經濟時代條件下教學模式創新要求探索，是國家戰略新興產業發展、傳統產業工程技術升級的必要。通過對大學生信息化教學與新工科融合改革課程成績分析顯示，學校對比未進行信息化教學改革前學生成績不及格率平均下降4.6%，優、良率平均上升18%。學生自主在線學習、互動口頭表達、推理思維、參加省及國家級競賽獲獎等綜合能力得到了有效提升。我校“信息技術與課程教學深度融合模式研究與實踐”榮獲山東省第八屆高等教育教學成果特等獎。2018年1月被評為教育部教育信息化試點工作優秀單位，并成為教育部面向全國示范推廣的案例。

參考文獻：

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[9]吳愛華，侯永峰，等.加快發展和建設“新工科”主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.