工科基礎課程數字化教學資源建設的實踐與應用

沈火明，龔 暉，李翔宇，劉娟

（西南交通大學 力學與航空航天學院，四川 成都 610031）

引言

“互聯網+教育”已成為世界各國掌控下一輪高等教育改革發展主導權、話語權的重要陣地和焦點領域，教育領域將因數字化發生顛覆性的變革和結構性的改變，數字技術已經在教育領域廣泛應用。2018年6月21日，教育部在成都召開了新時代全國高等學校本科教育工作會議，會議指出，要推動優質資源開放共享，加大慕課平臺的開放力度，建立慕課學分認定制度，推動教師用好慕課和各種數字化資源，著力破解區域之間、校際之間優質教學資源不平衡的突出問題，尤其是要大力推動慕課在中西部高校中的推廣使用。會議還指出，要重塑教育教學形態，高校要將現代信息技術深度融入教育教學，打造智慧學習環境，探索實施智能化的精準教育，提升教學效果，培養學生在智能時代的競爭力。因此，高校一定要緊緊抓住信息化技術變革帶來的歷史性機遇，加快提高人才培養的整體水平，推動實現高等教育質量的“變軌超車”。培養優秀的新工科人才，亟須打造新工科“互聯網+”“智能+”交叉融合的人才培養新模式，而在人才培養中比較重要的一環是課程、實驗、實踐環節的數字化教育教學新形態，其涉及如何利用好網絡、仿真系統、未來智能系統等非正式學習的手段，涉及新形態教材、數字課程建設、以學生為中心的教育理念的持續深化，也涉及以結果評價為主向過程與結果評價相結合的轉變。［1］其中，數字化教學資源建設至關重要。

一、數字化教學資源平臺的建設

（一）研發智能型慕課平臺（SOTS）

根據當前慕課平臺的技術情況和學習要求，開發研制了智能型慕課平臺（Smart Online Tutor System,SOTS）。SOTS是目前國內唯一的智能型慕課平臺，它實現了課程教學中的講授、互動、作業、學生學習行為監管和質量保障等各個環節的網絡化和智能化。SOTS平臺通過人工智能和符號運算等技術，解決了數學表達式自動識別的難題，實現了計算題和證明題等主觀題型自動批改的功能。2020年以前，在SOTS平臺上，西南交通大學材料力學已經完成了12個學期29個教學班2763名學生的慕課教學，“高等數學”課程已經完成了2個學期2個教學班245名學生的慕課教學，兩門課程均取得了十分良好的教學效果。“物理化學”課程則從2020年春季學期開始，采用資源滾動開發的策略在SOTS平臺上進行了第一輪慕課教學。在2020年春季抗擊新冠肺炎疫情期間，學校“材料力學”課程的15名教師29個教學班的2196名學生和電子科技大學基地班的30名學生，在SOTS平臺上開展了“材料力學”慕課教學。除此之外，“高等數學”課程的2個班257名學生和“物理化學”課程的3個班158名學生在SOTS平臺上開展了慕課教學。目前，平臺上線課程有“材料力學”“理論力學”“工程力學”“高等數學”“大學物理”等課程，很好地實現了在慕課中在線討論和互動，客觀題、主觀題在作業及網上測試中均可實現。同時，平臺研制了自設公式編輯器，可實施多種教學和練習功能。

（二）研制虛擬仿真實驗教學平臺

虛擬仿真實驗教學平臺建設是教育信息化的重要組成部分，其綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫及網絡通信等技術，通過構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中，開展高效、安全且經濟的工程實踐活動或實驗，進而達到真實的實驗或實踐不具備或難以實現的教學效果，尤其是對于一些涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作。目前，已建設完成基礎力學和大學物理兩個虛擬仿真實驗教學平臺，很好地實現了上述功能，得到了一致好評。

（三）建設工科基礎課程在線題庫和組卷系統

結合高等教育出版社教育教學改革項目，聯合國內20多個學校，筆者主編和出版了《工程力學在線題庫和組卷系統》，參與建設了《理論力學在線題庫和組卷系統》，其他課程的在線題庫和組卷系統建設正在積極推進中。工科基礎課程在線題庫和組卷系統資源的建設，不僅有力促進了課程建設，提高了人才培養質量，還通過校校協同構建了此類教學資源建設的協同機制和共享機制。

二、數字化教學資源建設

（一）建設精品在線開放課程

新工科工程教育信息化建設的一個重要內容是數字化教學資源建設，而慕課資源是其重要部分。慕課建設的基本原則有四條：一是建用結合，推進教與學變革發揮優勢，建設具有課程特色的慕課資源并應用，如用于線上教學或混合式教學。二是體系化建設，調整慕課課程以碎片化知識傳授為主的教學方式，構建體系化的慕課資源，支持學生的建構式學習與創新能力培養。三是線上線下融合，優化課程設計，以學生預期學習成果為目標，整體開展教學設計，優化線上線下學習內容、方法與策略，建設教學資源，支持課堂學習與在線學習的深度融合。四是完善“以學生為中心”的質量保障體系，以學生與學習為中心，完善質量保障體系，降低教學改革風險，不斷提升教學質量。

根據上述基本原則，建設了系列在線開放課程，僅工科基礎課程及力學專業課程就超過了22門，主要上線中國大學MOOC平臺，其中8門上線課程已評為國家精品在線開放課程（國家級線上一流課程），包括“工程力學”“材料力學”“理論力學”“結構力學”“機械設計”“大學生科技創新”等系列課程。目前，又開發了一系列新工科慕課課程，主要有“大學生創新與創業實踐”“高等機械設計”“機械設計基礎慕課”“有限元計算分析”“彈性力學”“振動力學”等，并已逐步上線。同時，積極深入研究慕課的應用模式和機制，包括全程慕課、翻轉課堂、SPOC等。在2020年新冠肺炎疫情期間，SPOC被廣泛應用于在線學習，MOOC和SPOC選課人數超過10萬人次。混合式教學是當前課程教學的一種重要模式，結合已建設的慕課資源，系列工科基礎課程進行了混合式教學，努力探索教學模式，不斷提升課程教學質量。其中，4門課程入選首批國家級線上線下混合式一流課程。

（二）出版數字課程和新形態教材

聯合多個學校在數字課程云平臺ICC上建設數字課程，目前已有“工程力學數字”“電磁場數字”等課程，“理論力學”數字課程正在建設中。數字課程資源豐富，具有自己的版權。數字課程出版后，通常由使用學校購置權限（學生的學習權和教師的管理權），購置后開通課程授權，教師具有課程管理權，包括資源開放、資源調用、在線討論、學生學習行為分析和學習結果應用等。由于數字課程具有優質資源、實時檢測、后臺管理權限等優勢，深受教師和學生的歡迎，已逐漸在高校開展試點，且效果較好。2020年春季學期，西南交通大學就有6個教學班采用ICC平臺進行課程教學。在慕課和數字課程資源的基礎上，對數字資源和教材進行了有效整合，編寫出版了新形態教材和新形態輔導書9部，包括《材料力學》《工程力學》《理論力學》《材料力學基本實驗與指導》《機械設計基礎》《大學物理實驗數字化教程》《概率論與數字統計》《工程力學學習指導》《材料力學實驗仿真與理論》等。教師應用數字化教材可以開展多模式教學改革，研究學生的學習行為，及時調整教學進度，開闊學生的視野，開展課程思政引領；學生通過應用數字化教材，可以檢查學習成果，鞏固學習，夯實專業基礎。

（三）開發虛擬仿真實驗

虛擬仿真工程實踐教學平臺的建設是教育信息化的重要組成部分。虛擬仿真工程實踐教學平臺是綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫及網絡通信等技術，通過構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的工程實踐活動或實驗，進而達到真實實驗和實踐不具備或難以實現的教學效果，尤其是一些涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真教學的實踐實驗具有明顯優勢，并對傳統的實驗教學的思想、體系、模式、內容、方法及手段等產生了顛覆性影響。可以說，虛擬仿真實踐實驗教學是高等工程教育信息化建設和實踐實驗教學中心建設的重要內容，體現了數字化技術與工程教育教學融合發展，以及學科專業深度融合帶來的實踐實驗教學改革和創新。目前，僅基礎力學就開發了20多個虛擬仿真實驗項目，如金屬材料沖擊、微納米金屬絲拉伸、低速風洞實驗、簡支模型橋靜動力實驗、彈性體跌落內應力模擬、空間桁架橋模型靜力綜合實驗等。

（四）建設課程思政案例

每門課程都具有傳授知識、培養能力和思想政治教育的雙重功能，承載著培養學生正確的世界觀、人生觀和價值觀的作用［2］。在課程建設中，工科基礎課程不斷挖掘課程思政元素，包括家國情懷、人格養成及科學觀和方法論等。目前，各工科基礎課程已形成系列課程思政教學案例和一批課程思政教學資源，并逐漸推廣應用，如工程力學課程，構建了“1234”課程思政模式，建設了課程思政案例庫，并探索了如何增強教材的育人導向和育人功能。［3］

三、數字化資源的共享機制

創設可靠完整的、智能化的數字教育資源平臺，實現教學資源共享。當前，無論是自主學習還是翻轉課堂，都需要一個完整可靠的教學資源學習平臺，使各種資源得以共享，以保障學生能夠即時獲取需要的學習資料。在線課程的出現將課上學習內容搬到了課下，要想整合這些視頻資源以便學生能夠隨時隨地學習，需要構建一個智能化的教學資源平臺，讓學生能夠通過各個終端進行下載學習，將手機、平板及其他移動設備變成獲取學習資源的入口，讓學生真正實現足不出戶就可以隨時隨地地下載教師布置的學習任務，完成預習、復習等環節，甚至享用全國各地的優質教育資源，傳遞、分享各種消息。研發的SOTS，將傳統慕課平臺和智能作業系統進行了有效銜接，線上課程模擬課堂教學，課后可實施主觀題、客觀題等練習，使學生鞏固所學知識，平臺實施的教學效果得到了廣大師生的肯定，已有多個學校作為建設聯盟，共享平臺、共享資源，其經驗和做法在國內多個大學論壇舉辦了報告活動。

數字課程是MOOC商業模式的實現，協同建設高校具有獨立使用后臺管理權，教師通過數字課程系統平臺、電子課本、海量優質資源等功能的應用，輕松、高效地打造了完美課件，學生則通過交互式的電子書，快樂預習所學內容。課堂中，師生通過數字課程實時互動，通過隨堂測試和實時統計，教師準確掌握了學生的學習情況，學生也在第一時間找到了自己的知識弱點。課后，通過數字課程系統中的作業布置與練習，教師輕松進行教學管理，學生及時鞏固學習成果。通過班級空間的資源共享和在線問答，更是實現了跨時空的數字化教與學。上述平臺和資源建設均為高校協同建設，既突出了各高校的優勢和特色，又使參與的高校實現了資源共享。參與高校既可以將數字課程作為學生的預習復習資源和鞏固課程，也可以應用數字課程進行混合式教學。而非協同高校則需通過購置數字課程，獲取單屬平臺的后臺管理權，從而在數字課程平臺上得以實現同樣的應用功能。目前，工科基礎課程數字課程已發揮了積極作用，輻射全國，取得了很好的社會效應，反響很好。

四、示范與輻射作用

作為學校教育教學改革的排頭兵，學校工科基礎課程始終推動課程數字化教學資源建設，教師團隊全心投入，教改經費有所保障。數字化教學資源的建設為工科基礎課程一流課程建設奠定了扎實的基礎，并取得了優異的成績，相關成果獲得2021年四川省教學成果特等獎1項、一等獎1項；5門課程入選首批國家級線上一流課程，2門課程入選首批國家級線下一流課程，4門課程入選首批國家級線上線下混合一流課程；1門課程入選首批國家級課程思政示范課程，2門課程入選四川省課程思政示范課程；獲評國家優秀教材建設二等獎1部，推薦評審1部；1個教研室入選首批國家級虛擬教研室試點項目；出版數字化教材和數字課程9部；建設智能型慕課平臺1個、仿真實驗平臺2個；開發仿真實驗項目50多個。同時，積極組織和參加多個重要教學研討會，如承辦2021年全國工科基礎課程思政教學研討會、2021年教育部力學基礎課程教學指導委員會工作會議、2019年全國基礎力學教學研討會、第五屆全國力學課程報告論壇等，舉辦大會報告和主題報告活動超過30場，積極發揮教學改革的輻射作用，使更多的高校和教師受益。