“人工智能+新工科”創新型實踐教學策略及開展方式探析

王 征 蔡長青 楊天乙 劉 輝

長春工程學院工程訓練中心，吉林 長春 130012

2017年教育部積極推進新工科建設以來，先后形成了以“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”為主要標志的新工科建設發展戰略與共識，并且全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。與此同時，面對著席卷全社會的人工智能浪潮，互聯網時代的高等教育迫切地需要充分利用人工智能技術。借助互聯網與人工智能領域的先進手段與研究成果，可以深化新工科實踐教學領域的改革。通過人工智能與新工科建設深度融合，創新人工智能背景下的實踐教學策略，優化實踐教學內容與方法，推進新工科創新型實踐教學模式的建設與發展［1-2］。

一、“人工智能+新工科”教育發展背景

（一）政策引導與發展方向

隨著人工智能的深入研究與應用普及，人們的生活和學習方式得到了徹底的改變。2017年7月8日，國務院出臺《新一代人工智能發展規劃》指出，推動人工智能在教學、管理、資源建設等全流程的應用，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。由此，在科技現代化高速發展的新時代，人工智能進學校上升為國家戰略［3］。“人工智能正快速進入教育領域，既是教育改革的新工具，也是課程教學的新內容。”教育部教育信息化專家組秘書長、華東師范大學教授任友群認為，人工智能對部分現有工種的取代和對新職位的創造會給高等教育人才培養模式、內容和方法帶來巨大的變化，并對深化教育體制改革產生深遠影響［4］。

（二）新時代對應用型高技能人才的巨大需求

人工智能熱潮帶來新一輪產業變革，同樣也帶來對應用型高技能人才的大量需求。這些應用型高技能實踐人才不僅需要掌握新工科的應用技能，還要能勝任人工智能帶來的新型職業要求，能應對新型技術需求帶來的新的挑戰。作為“世界工廠”的中國，長期存在著應用型和技術技能型人才緊缺和不匹配的困境。據教育部、人社部、工信部聯合發布的《制造業人才發展規劃指南》顯示，制造業十大重點領域2020年的人才缺口超過1900萬人，到2025年這個數字將接近3000萬人。巨大的人才缺口，必然倒逼新工科教育與人工智能先進的教育手段、研究成果相結合［5］。這里的“人工智能+新工科”并不是簡單的兩者相加，而是要充分發揮“人工智能”在新工科教育中的作用，將“人工智能”的創新成果深度融合于新工科人才培養實踐之中，形成以互聯網為基礎設施和實現工具的工程類教育新形態，提升新工科教育的培養質量和創新力［6］。

二、目前新工科實踐教學課程面臨的困境

新工科的提出為高校工程教育實踐探索提供了一個全新的視角。新工科建設既順應了科技革命與產業革命引發的新興工程類學科發展需要，也是對傳統工科的升級換代［7］。在實踐教學方面新工科建設存在的普遍性挑戰主要包括四個方面：實踐內容相對滯后、知識碎片化缺少整體性、教學資源不足、教學方法單一。

（一）實踐教學內容相對滯后

工程類實踐課程教學內容往往滯后于新時代智能化工程的應用現狀，配套新技術實訓項目相對欠缺，劃分過細的專業設置又缺少多學科交叉融合的綜合性實訓課程支撐。因此，難以滿足現代化工業對高端應用型技術人才的培養要求［8］。

（二）知識碎片化，缺少整體性

長期以來，工科實踐課程知識點高度專業化，帶來實踐教學缺少整體性知識架構，知識點的連續性與層次性劃分不夠突出，碎片化現象明顯，帶來實踐教學的案例要求與智能時代的具體應用存在脫節的現象。

（三）教學資源不足

工科實踐教學中缺少合適的實訓設備，表現在現有的教學設備相對落后。同時，智能化的實訓設備嚴重不足，少量高端智能化的設備多用于科研領域，難以深入普及到教學實踐之中。這些實踐教學資源的不足，會帶來實踐教學形式化現象的發生。

（四）教學方法單一

工程類的實踐教學方法單一，課程枯燥，并且難以理解，不易激發學生的興趣和創新性意識［9］。同時，實踐教學課程理論教學與實踐操作學時分配不均，很難開展理實一體化教學。因此，急需探索面向新時代的工科實踐類課程教學方法與開展方式的研究。

三、“人工智能+新工科”創新型實踐教學策略

（一）教學目標方面

人工智能時代對學生的培養目標、能力要求和掌握程度都提出了新的需求。在教學目標上，人工智能時代要以“思維教學”為主線，既強調基于認知能力的信息加工、分析綜合、邏輯推理等工程思維，還要增加和突出知識體系和工程能力的培養。具體落實到要強調基礎性知識、方法性知識和能力性知識的教學，要注重教學原理的同時統籌實踐能力與創新意識的培養。

（二）教學組織方面

人工智能環境下的新工科實踐教學以“智慧課堂”為主要特征，人機交互、線上線下混合式教學成為主要教學形態。在課堂教學上由理論教學和綜合實訓兩個部分組成，主講教師可以綜合運用人工智能技術輔助完成各環節的教學過程，在布置和批改作業、監督課程學習、知識點訓練與考核、學習情況達成度分析等環節可以由人工智能程序來完成。可以說，人工智能程序就是一名隱藏在教學各環節中的虛擬教師，它讓主講教師從機械重復的工作中解放出來，去做更有價值的教學工作。

（三）課程設計方面

“人工智能+新工科”是在新工科教育的背景下，實現教學在數字化、網絡化基礎上的智能化應用。課程設計采用“互聯網+”結合線下實訓教學的融合模式，在線上教學中運用微課、教學視頻演示、仿真動畫模擬等現代互動教學手段，增加對基本原理知識點的理解；在線下教學中采用基于過程的任務驅動和案例分析的教學方法，通過實訓任務的合理設計突出對應用型高素質技能的培養，其中的教學案例知識點均提煉于真實工業設計及應用流程，注重形成全流程教學反饋機制指導實踐教學活動。

四、“人工智能+新工科”實踐教學內容設置原則與方法

（一）教學內容設置原則

實踐課教學內容的設置重點是突出工作任務與知識點之間的聯系，使學生在實踐活動的基礎上掌握知識，這就要求增強課程內容與實訓能力要求的相關性。在具體教學內容設計過程中，要充分體現任務引領、實踐導向的課程思想，使實訓任務具體化。課程內容打破學科課程的設計思路，其編排的依據是技能操作所特有的工作任務邏輯關系，而不是單純的知識關系，提高學生的工程規范應用能力。學生具體的學習任務要以工作原理、結構設計、安裝、調試與檢測等能力為基本目標，要緊密圍繞任務完成的需求來選擇和組織教學資源。在學時分配上要充分考慮工作任務完成需要、學生的學習特點和職業能力形成的規律，綜合教學內容總量及在該課程中的地位進行合理分配。

（二）教學方法與手段

實踐課程的教學采用融合線上線下混合教學的方式，綜合運用多平臺開展交互式教學。運用遞進式層次化教學方法，按照“基礎知識—應用能力—創新實踐”三層次組成遞進式的實踐教學體系，通過層次化案例式教學，使學生直觀掌握專業技術的基礎知識、分析方法和基礎技能，培養學生探究科學的學習方法，發展自主學習能力，養成良好的思維習慣和職業規范。尤其是能運用相關的專業知識、專業方法和專業技能解決現代工程中的實際問題，并為深入學習本專業有關后繼課程和從事有關現代工程類技術實際工作打下堅實的基礎。

五、實踐教學案例

電氣檢修綜合實訓課程是電力系統及自動化專業必修的新工科專業建設實踐類課程。課程確立了“以人為本，以教學目標為導向，以能力培養為本位”的教學理念定位。現以該課程為具體案例分析人工智能背景下新工科實踐課程的教學模式與方法。電氣檢修綜合實訓課程采用線上線下混合式實踐教學模式，線上以知識講解學習為主，線下開展實踐技能操作活動，以問題解決、能力培養為主。這種教學模式體現了線上和線下教學方式的互補性，充分發揮了線上和線下教學模式的獨特優勢，更加有助于促進教育質量的全面提升。

（一）線上教學階段

電氣檢修綜合實訓課程的線上教學階段利用了跨平臺實訓教學方式，課程采用騰訊會議、學習通和課程QQ群相結合的方式開展分階段教學工作。三個平臺的主要分工各有側重，騰訊會議作為在線講解授課的主要教學平臺；學習通則用于布置日常作業并記錄學生的簽到考勤情況；課程QQ群進行實訓輔導和課后答疑。在明確各平臺具體分工基礎上，綜合應用以上三個軟件平臺開展教學工作。具體的實訓教學過程分為如下三個階段進行。

1.課程設置及備課階段

授課教師在上課前將本節課的教學重點、課堂作業以及簽到時間等信息布置在學習通中，學習通可以按教學環節的時間節點設定依次向學生發布相關信息。

2.課堂教學階段

教師在騰訊會議中可以專注于課堂教學內容的講解，并針對學習知識點對學生進行提問。在每個實訓項目講解過程中，首先，講解電氣設備基礎理論及其原理；其次，針對檢修操作中的技術要點和操作步驟進行詳細的講解；最后，結合播放教學視頻增加學生對現場實際操作的直觀認識。

3.課后輔導答疑階段

課后輔導階段教師可以將自己提前準備好的相關知識技能講解視頻上傳到網上，并將教學課件和實訓學習參考資料上傳到課程QQ群中，以方便學生復習查閱。同時，使用班級課程QQ群與學生進行教學互動，解答學生對于學習知識點和實訓報告的疑問。

（二）線下教學階段

電氣檢修綜合實訓課程在線下教學過程中應突出電氣實訓任務與知識間的聯系，將電路實踐與理論教學內容有機結合，讓學生在電工實踐活動的基礎上深化對電氣專業知識點的理解，增強課程內容與電工技能能力要求的相關性，同時提升學生的電工規范應用能力。

線下教學內容方面，針對電氣檢修類課程的專業特點，將線下教學內容分為遞進式的三類：原理運行維護類、拆裝檢修類和檢測診斷類。這三種類型在具體教學內容劃分上分別對應著電路基本構成、常用元件安裝檢修和復雜控制電路故障診斷三個教學層次。這三個教學層次又延伸出啟發式教學、任務場景驅動和知識拓展三個教學模塊。其中，啟發式教學模塊采用教師預設場景的方式引導學生思考；任務場景驅動模塊明確電氣設備電路學習的目標，并結合工程應用實際增加學生學習興趣；知識拓展延伸模塊擴展學生發散思維，培養創新性的職業素養。

六、結束語

面對人工智能時代“新工科”建設的發展趨勢，應拋棄以學科理論知識灌輸為中心的課程教學傳統觀念，要以現代工程應用技術培養需求為目標，深入開展人工智能與新工科建設的關系研究，對新工科人才培養的基本能力、專業能力、創新能力等要求進行剖析。實行跨平臺線上線下混合式教學模式，優化更新實踐教學內容，完善教學方法和手段，采取項目引領+任務驅動式的實踐教學組合方式，使學生在教學項目的實訓過程中，學到新知識，掌握新技能，提升新能力。