信息化資源與數據雙螺旋驅動的傳感類課程教學理念、方法與實踐

曹琳琳，何赟澤，王洪金，張曉飛，文一章，王硯文

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

當前，教育部大力推廣信息化資源和信息化教學手段。隨著大數據的發展，業界開始也重視基于大數據的教學改革和學習行為挖掘。可以說，資源與數據已成為推動教學改革的兩個主要引擎。研究資源和數據的內聚耦合關系、多維協同機制和螺旋動態特征，將信息化資源和數據融入DNA 雙螺旋結構，形成基于雙驅動模型的教學新方法，有助于高校教學研究水平的提升。傳感與檢測技術（以下簡稱為傳感）是湖南大學電氣與信息工程學院面向測控、電氣、控制和電子等本科專業的學類核心課，在課程體系中地位非常重要[1-2]。但是，當前教學主要存在以下問題。第一，課堂上教師采用的信息化手段和工具比較少，導致授課的信息化教學程度比較低；第二，教學理論知識和課后實驗節拍不一致，很難形成合力；第三，相比科技快速進步，課本知識比較滯后，難以訓練學生的科學思維和創新意識；第四，教師組織的教學活動缺乏數據作為支撐，學生的學習行為難以準確挖掘。針對這四個問題，教師主要從信息化資源和教學數據作為突破口進行教學改革，使用信息化資源產生教學數據，再通過數據分析完善資源建設，最終形成雙螺旋驅動的混合式教學方法。如圖1 所示，第一，通過教材信息化、線上線下混合式授課提升信息化教學水平；第二，通過實驗視頻上網、手機APP 與示教軟件讓理論和實踐結合的更加緊密；第三，通過教改項目、科研實驗和論文引入前沿知識，訓練科學思維；第四，通過兩年SPOC 和四年雨課堂數據指導教學活動，挖掘學習行為；另外，通過基于案例的思政設計實現了隱性的思政教育。改革后的傳感課增加了18 個學時的線上學習環節，通過兩個學期的實踐，教學效果和立德樹人成效得到極大提升。

圖1 問題、解決方法及效果

一 國內外研究現狀及不足

（一）信息化資源和手段驅動高校快速進行教學改革

清華大學的研究表明，高校教師信息化教學能力已成為提升新時代高等教育人才培養質量的關鍵因素。國內高校教師整體上已經具備了信息化教學的基本能力，但是具有較高應用水平的教師比例偏低，教師借助信息技術創新教學模式能力和信息化教學研究能力尚待提升[3]。全國高等學校教學研究中心的學者分析了高校教師信息化教學能力的內涵、現狀及傳統構建方式存在的問題，指出在線開放課程從理念傳播、熱情激發、技術發展和應用實踐等方面發揮作用，為教師提升信息化教學能力開辟了新的路徑[4]。隨著互聯網信息科技的迅速發展，MOOC 以其豐富的網絡教學資源得到了廣泛應用。MOOC 不斷發展的同時，不足也逐漸顯現。將MOOC 資源和傳統課堂相結合的SPOC 教學模式應運而生。這一教學模式既能充分利用MOOC 資源，又保留了傳統課堂教學的優勢，可以更好地提升教學質量[5]。雨課堂將復雜的信息技術手段融入到PowerPoint 和微信，在課外預習與課堂教學間建立溝通橋梁，讓課堂互動永不下線。使用雨課堂，教師可以將帶有MOOC 視頻、習題和語音的課前預習課件推送到學生手機，方便師生溝通及時反饋；課堂上實時答題、彈幕互動，為傳統課堂教學師生互動提供了完美解決方案。雨課堂科學地覆蓋了課前—課上—課后的每一個教學環節，為師生提供完整立體的數據支持，個性化報表、自動任務提醒，讓教與學更明了[6]。超星學習通是面向智能手機、平板電腦等移動終端的移動學習專業平臺。教師和同學不僅可以在超星學習通上進行線上學習，還可以自助完成圖書館藏書借閱查詢、電子資源搜索下載、圖書館資訊瀏覽和查看本校通訊錄，同時擁有電子圖書，報紙文章及中外文獻元數據，為同學們提供方便快捷的移動學習服務[7]。但是，雨課堂和學習通都是通用型教學工具，缺少課程專用的信息化教學工具。筆者注意到這一不足，正在開發完善專用于傳感器課程的遠程示教軟件。

（二）大數據時代基于數據驅動的教學組織將更加智慧和科學

智慧校園的建設和信息化教學手段在教育行業的深入應用，教學活動的開展也愈來愈注重其智慧性和科學性。大數據科學與教育科學的結合，使得教學朝著更加智慧的方向發展。數據的應用可以讓教師更好地了解學生學習行為特征和學習效果，做出的學習評價更加科學，能夠關注學生個性的發展，對學生進行個性化的輔導，提高學生課程學習效果。教師亦可以應用數據分析的結果對教學進行反思，優化教學效果[8]。凱里學院的學者指出，數據驅動教學范式是大數據背景下的主要教學范式。在梳理大數據技術和數據驅動教學范式概念的基礎上，提出了大數據技術下的數據驅動教學范式架構[9]。信陽師范學院生命科學學院從數據驅動教學的視角，依據師范生的“學”與“教”的兩種訴求，對師范生數據素養的構成要素進行解釋，構建系統化、隱性化和實踐—反思—實踐的培育體系，以提升我國師范生數據素養水平[10]。大同大學外國語學院的學者提出，高校應以數據為依托，遵循決策科學化、管理精細化、學習個性化和教學信息化的價值取向，發展教師數據素養，利用數據管理平臺提高教學管理精細化水平，塑造基于大數據的個性化學習模式，通過校企聯合開發數據管理平臺提高教學信息化水平[11]。天津商務職業學院的學者分析大數據教學平臺在高職公共英語課程中的應用情況，梳理學生在此基礎上的個性化學習過程中各方面的表現及存在的主要問題，從而進一步完善基于大數據教學平臺的學生個性化學習的效果評價機制[12]。武漢大學馬克思主義學院的學者指出要認真研究和解決數據教學與思想政治理論課融合過程中存在的問題和困難，以更好地發揮數據教學的積極作用[13]。可見，在基于數據驅動的教學組織和改革中，教學數據甚至是歷年的教學數據及分析方法是最重要的。

（三）信息化資源和教學數據是雙螺旋驅動模式的新引擎

雙螺旋驅動結構已經在創業教育、專業教育等方面發揮了重要作用，已成為值得推廣的教學模式。遼寧師范大學的學者通過對文獻和政策的雙重梳理，展示了在學術與政策“雙螺旋結構”助推下確立和形成創業教育理念的過程[14]。廣西大學的學者將創新創業教育與高校傳統專業教育之間的內聚耦合方式，形成如DNA 的雙螺旋結構，促進創新創業型人才成長的教育合力，進而有效激發和提高學生的創新精神、創業意識和創新創業能力[15]。吉林農業科技學院的學者在創業教育和專業教育改革實踐中融入螺旋驅動的理念，以創業教育和專業教育課程融合與改革為兩條主鏈，通過人才培養方案的調整、教學方式方法的改革、健全創業教育指導服務體系、創新工作機制和完善制度、更新教育理念與營造創業文化氛圍，以及多維聯動和協同促進融合六個方面構建高校創業型人才培養的雙螺旋模式，形成如DNA 的雙螺旋結構，促進創業型人才成長的教育合力[16]。南京工業職業技術大學的學者研究了職業院校產教融合人才培養模式的影響因素與動力機理，基于能力本位理論、職業能力發展階段理論，以政府鏈、職業院校鏈和企業鏈為外螺旋，以知識鏈、技能鏈和素質鏈為內螺旋，構建校企合作的實踐創新平臺，建立雙螺旋人才培養模式，推動職業院校產教融合人才培養模式創新[17]。近幾年，教育部大力推廣信息化資源建設和信息化教學手段，并開始重視基于大數據的教學改革和學習行為挖掘。在這個大背景下，資源與數據已成為推動信息化教學的兩個主要引擎，把資源和數據嵌入雙螺旋結構，強調資源和數據的內聚耦合關系、多維協同機制和螺旋動態特征，形成資源和數據雙螺旋驅動的教學新方法，有助于高校教學研究水平的提升。

根據國內外現狀的調研與分析可知，當前教學存在的不足包括：第一，信息化教學程度不高，公開的高質量資源利用率低，實驗課的信息化手段比較匱乏；第二，教學活動的組織和教學總結沒有足夠的數據作為支撐，特別缺少歷年數據的分析與使用；第三，混合式教學做法比較多，但是相關教學理念不夠完善，很難進行大面積推廣和使用。

二 傳感類課程的雙螺旋驅動模型和教學方法

經過四年建設，筆者已經建立了傳感與檢測技術全部知識點的雨課堂課件和微視頻，并開發了遠程示教軟件，運行了兩年異步SPOC，積累了四年的雨課堂數據。在資源和數據相輔相成的基礎上，設計了面向傳感類課程的雙螺旋驅動的混合式教學方法。由圖2 可知，課前，根據四年雨課堂測試結果改進教學設計，通過信息化教材和異步SPOC來增加預習效果；課中，通過雨課堂進行教學互動，動態分配講解時間和組織分組討論，通過手機APP 和示教軟件提升實踐能力；課后，通過教改項目、科研實驗和論文引入前沿知識，通過教學數據分析學習效果，挖掘學習行為。最終，形成了螺旋驅動、相輔相成及迭代上升的教學模式。

圖2 傳感課的雙螺旋驅動教學方法

為了解決信息化程度低這個問題，形成了異步SPOC+雨課堂的混合式理論教學模式。首先，對紙質教材進行信息化改革，每一章都增加了二維碼，同學們可以用手機掃描二維碼獲得在線學習資源。其次，在中國大學MOOC 上運行兩年異步SPOC，從國家精品在線課程引進80 多個知識點課件和視頻。為了突出本校特色，自制了30多個知識點課件和總時長1 100 min 的知識點微視頻，形成了線上線下混合式教學模式，如圖3 所示。第三，采用雨課堂組織線下教學和互動，形成了四年的教學數據，為基于數據的教學組織打下堅實的基礎。

圖3 線上線下混合式資源和教學方法

為了解決理論教學和實驗割裂這個問題，首先，把30余個傳統實驗的教師講解全部拍攝成微視頻，總時長約1 000 min，同學們可以通過網絡進行實驗預習；其次，在課堂上，讓同學們采用手機APP（phyphox）進行光電、加速度、磁場和聲音等傳感器的小實驗；第三，自主開發了傳感器示教平臺和軟件，教師可以在課堂上演示十余種國產工業級傳感器的測量實驗，如圖4 所示。針對有些實驗設備比較大、不易搬遷等問題，開發了遠程直播和聊天互動等功能，把工業場景下的實驗同步搬遷到課堂上。該軟件于2021 年成功獲批軟件著作權。

圖4 示教軟件和實驗

為了解決課本知識滯后于科技前沿這個問題。首先，通過華為教育部智能基座產教融合項目，把騰Atlas200 DK 引入課堂和討論環節。通過百度教育部產學合作協同育人項目，把飛槳PaddlePaddle 引入課堂和討論環節。為智能傳感器產業走向自主可控，提供了與時俱進的教學資源。第二，通過科研實驗和科研論文引入先進傳感器知識，培養同學們的科學思維和創新意識。

為了解決教學活動缺乏數據支撐這個問題。課前，根據四年雨課堂歷史測試結果查找重難點，改進教學設計。圖5為四年的雨課堂測試結果，可以發現哪些知識點比較難，需要重點講解，哪年的教學設計需要持續改進；課中，基于本學期雨課堂累積分數進行動態分組，克服就近分組帶來的聚集效應和隨機分組帶來的不均衡效應，根據智慧分組結果可以發現每一組的成績分布都比較均勻；課后，根據雨課堂結果進行知識點答疑，教學效果評估；每周，根據SPOC測試結果查找關注對象；學期結束，自動統計學習成績，并對學習行為進行挖掘。比如，有些到課率比較高的同學為什么成績比較差？彈幕多與成績高為什么呈現正相關？視頻觀看人數與知識的難易程度具有什么樣的關聯性？

圖5 四年雨課堂數據挖掘

三 傳感與檢測技術的教學案例設計

以下以一個案例“渦流式傳感器”來說明雙螺旋驅動教學模型的具體使用。由圖6 可知，首先，在課程導入環節，通過波音飛機的兩起航空事故引出傳感器的重要性，同時提出一個問題——如何檢測飛機金屬機體上的裂紋？其次，在知識傳授、能力培養和思維訓練三個層次解釋本課時的教學目標——渦流傳感原理，渦流測量位移原理和渦流無損檢測原理；再次，分析SPOC 線上學習數據，發現60%的同學觀看了視頻，70%的同學測試合格。說明有些同學對知識點掌握得不牢靠。然后，通過雨課堂、動畫、公式推導和對比等方式對渦流式傳感器的知識點進行抽絲剝繭、深入淺出地講解。接著，通過自主開發的示教平臺和軟件在課堂上演示渦流式傳感器測量位移實驗。做完實驗后，通過雨課堂進行課堂測試。測試結果顯示，部分同學們還沒有掌握“渦流式傳感器探測金屬中的裂紋”這個知識點。因此，老師將繼續講解這個知識點。在科研拓展環節，通過雨課堂累積成績對同學們重新分組，并按照新的分組展開討論“如何檢測飛機機體上的裂紋”，之后選出一位同學回答這個問題。接著，給出一篇科研論文，請感興趣的同學繼續深入學習這個知識點。通過國產C919 大飛機的發展引出國產渦流檢測儀器的重要性，并介紹自己的科研項目，歡迎同學們積極參與。最后，對課程進行小結，布置課后作業和下節課的線上學習內容。以該教學案例為范本，傳感課程形成了十余種傳感器的教學課件資源和教學方法。

圖6 教學案例的設計框架

四 結束語

本文提出資源與數據雙螺旋驅動的混合式教學方法，初步解決了當前教學中存在的幾個問題。首先，通過教材附加二維碼資源、線上線下混合式異步SPOC 授課和微信雨課堂等提升教學的信息化水平；其次，通過拍攝實驗視頻、手機APP 做實驗和開發示教軟件做課堂實驗等讓知識點理論和實踐能力結合的更加緊密；第三，通過研究生指導的科研實驗和高水平英文學術論文等引入科技前沿知識，訓練同學們的科學思維和創新意識；第四，通過兩年異步SPOC 和四年雨課堂累計的學習數據指導教師的教學活動，挖掘學生的學習行為；最后，基于思政案例實現了隱性的思政教育和“四個自信”的培養。通過兩個學期的教學實踐，學生實踐能力得到大幅提升，獲得SIT、省虛擬儀器大賽和全國機器人大賽一等獎，中國傳感器創新創業大賽二等獎。部分學生科研能力得到提高，在國際知名期刊發表高水平論文5篇，10 人獲得國內外頂尖學術機構的錄取通知書。教師教學水平得到提升，主持省教改重點項目2 項和教育部產學合作項目5 項，發表教改論文5 篇；獲得湖南省信息化教學競賽一等獎、校教學比賽一等獎，獲評我心目中最敬愛的老師、青年教師教書育人模范等教學榮譽。教學事跡被湖南大學新聞網和內刊進行專題報道，為青年教師堅持走教學科研共進之路樹立了榜樣。協助專業兩次通過工程教育專業認證，入選國家一流本科專業建設點。