數(shù)據(jù)驅(qū)動的電氣工程因材施教育人模式研究

張琴　周福娜　向陽

［摘 要］ 大數(shù)據(jù)正在成為推動教學(xué)創(chuàng)新的關(guān)鍵力量，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動的電氣工程因材施教育人模式。首先以終為始制定新工科下創(chuàng)新型電氣工程師的培養(yǎng)目標；課前采用Kolb學(xué)習(xí)風(fēng)格量表建立學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型，開展五階段混合式教學(xué)和分組分層教學(xué)，促進學(xué)生全員進步；采用基于關(guān)系的遷移學(xué)習(xí)智能算法，將大數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)勢領(lǐng)域中的邏輯知識和能力關(guān)系遷移到薄弱領(lǐng)域，教師給予個性化指導(dǎo)，最終實現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動的大規(guī)模因材施教。

［關(guān)鍵詞］ 數(shù)據(jù)驅(qū)動；華盛頓協(xié)議；因材施教；Kolb學(xué)習(xí)風(fēng)格；遷移學(xué)習(xí)

［基金項目］ 2021年度上海市教育科學(xué)研究一般項目“科教融合的未來港口物流智慧孿生仿真平臺及其應(yīng)用”（C2021072）；2022年度上海高校市級重點課程“‘現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)線下課程建設(shè)”（2022192）

［作者簡介］ 張 琴（1982—），女，山西陽泉人，博士，上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院講師，主要從事智能控制研究；周福娜（1978—），女，河南魯山人，博士，上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院教授，主要從事故障診斷研究；向 陽（1966—），男，四川綿陽人，碩士，上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院高級工程師，主要從事智能控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0145-04［收稿日期］ 2023-01-03

錨定2035年建成教育強國、人才強國的目標，立足于建設(shè)高等教育高質(zhì)量發(fā)展體系，《上海市教育發(fā)展“十四五”規(guī)劃》深入強化數(shù)字技術(shù)雙線支撐，“四新”學(xué)科建設(shè)進行全面智能化轉(zhuǎn)型。大數(shù)據(jù)技術(shù)已成為推動教育系統(tǒng)創(chuàng)新和變革的科學(xué)力量，是實施因材施教的精準教學(xué)建設(shè)的必然選擇。

一、國內(nèi)外的數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)模式

國際動態(tài)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)模式的智能化和教學(xué)評價的合理化。Alammary［1］研究了應(yīng)用于“編程導(dǎo)論”課程的五種不同混合學(xué)習(xí)模式，其靈活性可以幫助學(xué)生取得更好的成績。Gu［2］提出通過改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對教學(xué)質(zhì)量評價的預(yù)測精度和收斂速度進行實用的高校教學(xué)質(zhì)量評價方案。

數(shù)據(jù)驅(qū)動下的教學(xué)能提升學(xué)生元認知水平和學(xué)習(xí)成績，在學(xué)習(xí)效果與能力方面均具有促進作用［3］。郭利明等［4］研究人機協(xié)同，強調(diào)個性發(fā)展，秉承因材施教，由知識傳授向上延伸至能力塑造和素質(zhì)培養(yǎng)的上位層精準教學(xué)。但是精準育人若要實現(xiàn)智慧干預(yù)與決策，須在教學(xué)干預(yù)設(shè)計、教學(xué)改進策略上做到準確無誤［5］。如何通過技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)個性化因材施教，是在實踐中須要解決的問題［6］。

面向大數(shù)據(jù)驅(qū)動下現(xiàn)代化教育教學(xué)改革形式，基于電氣工程新工科因材施教的必要性分析，提出了大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的電氣工程新工科因材施教育人模式。

二、數(shù)據(jù)驅(qū)動電氣工程因材施教模式框架

為落實立德樹人根本任務(wù)和新工科建設(shè)目標，針對多“材”如何施“教”問題，立足《華盛頓協(xié)議》以終為始培養(yǎng)創(chuàng)新型電氣工程師的教學(xué)目標，利用過程性大數(shù)據(jù)分析教學(xué)學(xué)情和學(xué)習(xí)分格，驅(qū)動設(shè)計因材施教教學(xué)模式，采用人工智能技術(shù)補齊學(xué)生薄弱知識點，實現(xiàn)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)，最終凝練大數(shù)據(jù)驅(qū)動下電氣工程新工科因材施教育人模式。

（一）制定教學(xué)目標

新工科下創(chuàng)新型工程師培養(yǎng)需要通過學(xué)校工程教育獲得教育資格，我國作為國際本科工程學(xué)位互認協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員，基于成果導(dǎo)向教育OBE理念制定了工程教育認證畢業(yè)要求標準。基于工程認證來設(shè)計教學(xué)目標，針對專業(yè)工程問題，學(xué)生能設(shè)計控制系統(tǒng)、優(yōu)化復(fù)雜工程、仿真工程應(yīng)用，具備自主終身學(xué)習(xí)、問題思辨能力和團隊合作能力，最后能秉持嚴謹科學(xué)的態(tài)度、遵守職業(yè)道德、扛起科技興國的使命擔(dān)當。在知識引領(lǐng)、能力塑造、素質(zhì)培養(yǎng)的目標下，培養(yǎng)學(xué)生德智體美勞的全面發(fā)展。

（二）構(gòu)建學(xué)生模型

通過大數(shù)據(jù)進行“教—學(xué)”學(xué)情分析，能抓住教學(xué)中教師教的痛點和學(xué)生需求的痛點問題，有針對性地解決這些痛點能更好地促進教師發(fā)展和學(xué)生成長。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出來的個別差異不僅是智力、興趣和動機等的不同，更重要的表現(xiàn)在學(xué)習(xí)風(fēng)格的不同。分析教育大數(shù)據(jù)可建立學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格，從而使教學(xué)策略的運用適合不同的學(xué)生，更能發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，真正做到因材施教。

（三）創(chuàng)新教學(xué)模式

充分利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信息技術(shù)，深度發(fā)揮優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的作用開展混合式教學(xué)，調(diào)動學(xué)生深入?yún)⑴c學(xué)習(xí)全過程。基于新工科的工程認證需求，開展產(chǎn)學(xué)研實踐學(xué)習(xí)，企業(yè)導(dǎo)師導(dǎo)入產(chǎn)品和項目，由行業(yè)大數(shù)據(jù)的實際需求而驅(qū)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)。依據(jù)問卷調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格進行分組，基于實驗平臺，引入實際系統(tǒng)和學(xué)科競賽項目，設(shè)計分層的項目式教學(xué)，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研需求。

（四）精準教學(xué)反饋

針對學(xué)生平時學(xué)習(xí)參與度不高而期末突擊學(xué)習(xí)的問題，為了激勵學(xué)生深度參與學(xué)習(xí)全過程，過程性評價比例提高至60%。采用“五元過程性”評價體系，包括簽到隨堂練習(xí)、視頻學(xué)習(xí)、課后作業(yè)、PBL實驗項目、翻轉(zhuǎn)課堂，并采用四級評價規(guī)則促進學(xué)生的高階性學(xué)習(xí)。對于大數(shù)據(jù)反饋的學(xué)生學(xué)習(xí)狀況數(shù)據(jù)，運用遷移學(xué)習(xí)智能算法，將學(xué)生的優(yōu)勢智能學(xué)習(xí)方法遷移到薄弱環(huán)節(jié)，個性化優(yōu)化學(xué)習(xí)過程并給予指導(dǎo)。

三、數(shù)據(jù)驅(qū)動下的電氣工程因材施教育人路徑

數(shù)據(jù)驅(qū)動大規(guī)模因材施教育人路徑與模式的基本思路為：以2021年版《華盛頓協(xié)議》工程認證為導(dǎo)向設(shè)計教學(xué)目標，滿足新工科建設(shè)要求；深入了解學(xué)情和學(xué)生，利用教學(xué)平臺大數(shù)據(jù)分析學(xué)生痛點問題；通過Kolb學(xué)習(xí)風(fēng)格風(fēng)量表的四象限法，建立學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型；針對痛點問題開展混合式教學(xué)和產(chǎn)學(xué)研實踐，依據(jù)不同學(xué)習(xí)風(fēng)格引導(dǎo)分組分層教學(xué)；最后通過五元過程性評價進行個性化遷移學(xué)習(xí)，及時反饋因材施教的效果并進一步改進教學(xué)方法。

（一）基于《華盛頓協(xié)議》制定教學(xué)目標

2021年版《華盛頓協(xié)議》增加了新的工程認證要求，創(chuàng)新型工程師需將可持續(xù)發(fā)展價值觀和目標融入工作之中。為此，工程教育需要關(guān)注更廣泛的跨學(xué)科復(fù)雜工程問題，分析社會和可持續(xù)發(fā)展問題，并運用學(xué)科知識和技術(shù)手段解決問題；關(guān)注新工程能力需求以及應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)的新趨勢，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)和思考能力、解決復(fù)雜問題的能力、跨學(xué)科和國際合作能力及合乎道德規(guī)范的態(tài)度；推進工程教育方式方法改革，由以教師為中心的方法轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心和基于問題的學(xué)習(xí)方法。系統(tǒng)分析《華盛頓協(xié)議》的工程認證標準，本項目進行電氣工程專業(yè)工程教育改革及創(chuàng)新，為綜合培養(yǎng)21世紀新工科未來工程師，制定知識、能力和素質(zhì)（knowledge， skill and attitude， KSA）“三位一體”的教學(xué)目標。在“自動化儀表與過程控制”課程中，學(xué)生學(xué)過了“自動控制原理”“模擬電子技術(shù)”“控制系統(tǒng)仿真與CAD”等專業(yè)基礎(chǔ)課，面臨將學(xué)科知識融合、將理論知識聯(lián)系實際應(yīng)用的迫切需求，所以在教學(xué)中引入了實際的工程應(yīng)用和先進的技術(shù)應(yīng)用，用來激發(fā)學(xué)生的興趣并引發(fā)思考，同時培養(yǎng)正確的價值觀，從科技產(chǎn)品中感受“中國制造”的發(fā)展，培養(yǎng)善于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度。

（二）構(gòu)建Kolb學(xué)習(xí)風(fēng)格模型

電氣工程教學(xué)內(nèi)容交叉融合了多門學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課，學(xué)生對理論應(yīng)用實際的需求迫切。當前的學(xué)情是學(xué)生對專業(yè)理解還不夠深入，不知道畢業(yè)后在社會承擔(dān)的角色；課程內(nèi)容理論多、實踐少，學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動力不足；學(xué)生知識構(gòu)建程度不同，對課程理論推導(dǎo)、應(yīng)用實踐等需求也是多種多樣的，不變的教學(xué)內(nèi)容和方法滿足不了學(xué)生的多樣化要求。故要因材施教，必先識別多樣類型。

Ko1b認為，學(xué)習(xí)風(fēng)格是一個人偏好的感知與加工信息的方法。感知方法有具體經(jīng)驗和抽象推理，信息加工方式有積極主動實踐和反思觀察兩種，這兩個維度的組合構(gòu)成想象型、理論型、務(wù)實型和行動型四種不同學(xué)習(xí)風(fēng)格的模型。通過問卷星“Kolb學(xué)習(xí)風(fēng)格量表”測試學(xué)生學(xué)習(xí)策略并多類型四人組隊，分別以應(yīng)用為主、理論為主、小組討論為主等方式展開教學(xué)過程，達到目標不變形式多樣、知識不變層級多樣的精準教學(xué)。

“自動化儀表與過程控制”課程的學(xué)生中務(wù)實型占50%，可見大多數(shù)學(xué)生是喜歡將理論知識用于實際用途和執(zhí)行任務(wù)，31%的學(xué)生是想象型，理論型占9.5%，行動型占9.5%。根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格，需要調(diào)整教學(xué)方案，線上課視頻會議時，多請理論型學(xué)生講解模型公式的意義，線下課的時候以小組討論項目式學(xué)習(xí)以及翻轉(zhuǎn)課堂為主，讓學(xué)生查找實際應(yīng)用案例，并將所學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)解決問題，同時將理論知識消化吸收。經(jīng)過不同學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生合作，生生互學(xué)將理論知識消化吸收，促進學(xué)生綜合能力的提高。

（三）創(chuàng)新五階段混合式教學(xué)和分組分層模式

在知識、能力、素質(zhì)三個維度創(chuàng)新編排教學(xué)設(shè)計。在知識維度，由單一的教材教具，整合優(yōu)質(zhì)的課程資源，如高質(zhì)量期刊和信息化平臺，應(yīng)用于混合式課程；引進先進的實驗設(shè)備，引領(lǐng)學(xué)生將抽象的控制流程圖，具象為實際工廠系統(tǒng)，如發(fā)電廠加熱爐的蒸汽控制系統(tǒng)；引用實際應(yīng)用需求，拓展學(xué)生思考如何將傳統(tǒng)儀表升級為智能儀表，如負壓艙的負壓檢測，為了減輕醫(yī)護人員負擔(dān)，將彈簧管壓力計升級為能遠程監(jiān)控的數(shù)字化儀表。由單一到整合、由抽象到具象、由傳統(tǒng)到智能，持續(xù)保證了課程內(nèi)容的先進性和前瞻性。

在能力維度，將學(xué)科交叉的研究前沿、實踐經(jīng)驗、服務(wù)社會納入教學(xué)內(nèi)容。融入教師新能源發(fā)電的科研項目，響應(yīng)碳達峰、碳中和的“雙碳”目標。通過講解控制儀表的原理，滿足海上風(fēng)機安裝風(fēng)葉時的穩(wěn)定性需求；結(jié)合以科技服務(wù)社會為目的的學(xué)科競賽，引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)計控制系統(tǒng)；采用多種傳感器和“人工智能”，實現(xiàn)無人物流小車的精準作業(yè)服務(wù)，助力疫情；基于工程事故積累的實踐經(jīng)驗，優(yōu)化選擇控制和安全閥等構(gòu)成的“安全控制”方案，防范危險的發(fā)生。每個章節(jié)都有對應(yīng)的增設(shè)內(nèi)容，拓寬學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高工程素養(yǎng)，增強工程和生態(tài)環(huán)境的共同體意識。依托專業(yè)，服務(wù)社會。

在素質(zhì)維度，有機融入思政教育，結(jié)合課程內(nèi)容，挖掘?qū)I(yè)背景及應(yīng)用前景，了解中國制造的發(fā)展及差距，結(jié)合科學(xué)家精神，夯實學(xué)生的職業(yè)愿景，增強學(xué)生民族自豪感和科技報國的使命擔(dān)當，同時教師拆解儀器儀表，以身作則嚴謹治學(xué)，切實做到立德樹人。多方位培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)精神和素質(zhì)品質(zhì)，解決學(xué)生“學(xué)習(xí)宗旨不明確”的問題。

針對3個維度的教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新，采用多樣化和信息化的學(xué)習(xí)通教學(xué)資源開展五階段的混合式教學(xué)。線上視頻自學(xué)和騰訊會議分享兩階段完成基本知識自學(xué)和思維導(dǎo)圖分享后，線下開展實驗—翻轉(zhuǎn)—編程的三階段深度學(xué)習(xí)，動手實踐驗證所學(xué)及理解是否到位，完成從理論知識到實際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)思考。選拔感興趣的學(xué)生參加科創(chuàng)項目和學(xué)科競賽，通過學(xué)生全過程深度參與理論和實踐的結(jié)合，綜合培養(yǎng)其知識、能力和素質(zhì)。同時，和相關(guān)企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研教學(xué)，由企業(yè)導(dǎo)師通過大數(shù)據(jù)講解行業(yè)發(fā)展趨勢、產(chǎn)品應(yīng)用前景、領(lǐng)域需求和問題等，進一步培養(yǎng)新工科下學(xué)以致用的創(chuàng)新型人才。

基于學(xué)習(xí)風(fēng)格分組和OBE成果導(dǎo)向教學(xué)，設(shè)計了基礎(chǔ)級、挑戰(zhàn)級、拓展級的分層項目式教學(xué)來滿足學(xué)生多樣化的需求。面向全部學(xué)生要求完成課前預(yù)習(xí)內(nèi)容、分組討論自主設(shè)計方案、通過教師審核后在課堂動手實操、課后分析結(jié)果等基礎(chǔ)級任務(wù)，解決學(xué)生對教學(xué)活動參與不深入的問題，達到有效鞏固理論知識的目的；鼓勵學(xué)生結(jié)合其他課程，挑戰(zhàn)工程仿真編程，解決學(xué)生對多門課程融合不深入的問題，達到靈活應(yīng)用知識的目的；拓展學(xué)有余力的學(xué)生優(yōu)化控制方案，解決學(xué)生對知識應(yīng)用不深入的問題，達到運用創(chuàng)新思維解決復(fù)雜問題的目的。

（四）數(shù)據(jù)驅(qū)動過程性評價及個性化查漏補缺

借助學(xué)習(xí)通平臺數(shù)據(jù)強調(diào)過程性評價，將其比例提高至60%，激勵學(xué)生深度參與學(xué)習(xí)全過程。進行豐富的“五元過程性”評價體系，其中又側(cè)重于考核綜合能力的PBL項目和翻轉(zhuǎn)課堂，并采用“優(yōu)、良、中、加”四級評價規(guī)則促進學(xué)生的高階性學(xué)習(xí)。充分的同伴互評和自評，創(chuàng)造同伴互學(xué)的機會，促進組內(nèi)合作和互學(xué)。通過邀請科創(chuàng)競賽獲獎學(xué)生進課堂分享、頒發(fā)獎狀等激勵方式，肯定了學(xué)生的工作和成果，增強學(xué)習(xí)積極性。

綜上，以數(shù)據(jù)驅(qū)動大規(guī)模因材施教，探索以學(xué)生為中心的大數(shù)據(jù)運用方法，加強數(shù)據(jù)分析與資源應(yīng)用，利用人工智能等技術(shù)解決學(xué)習(xí)追蹤、學(xué)習(xí)者個性精準分析、學(xué)習(xí)的智能輔導(dǎo)等方面取得系統(tǒng)化突破是可行的。

結(jié)語

面向大數(shù)據(jù)驅(qū)動下現(xiàn)代化教育教學(xué)改革形式，基于電氣工程新工科因材施教的必要性分析，提出了大數(shù)據(jù)驅(qū)動下電氣工程新工科因材施教的育人模式。建立新工科背景下以《華盛頓協(xié)議》工程認證為依據(jù)的教學(xué)目標，針對電氣工程高年級學(xué)生的學(xué)情和痛點問題，采用線上兩階段、線下三階段的五階段混合式教學(xué)，并基于Kolb學(xué)習(xí)風(fēng)格量表構(gòu)建的學(xué)生模型進行分組分層教學(xué)，解決學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足的問題，促進學(xué)生深入?yún)⑴c學(xué)習(xí)全過程。而后分析大數(shù)據(jù)挖掘?qū)W生的優(yōu)勢學(xué)科，并用遷移學(xué)習(xí)個性化指導(dǎo)弱勢學(xué)科，促使學(xué)生全方位進步。

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Research on Data-driven Educating Model in Electrical Engineering

ZHANG Qin， ZHOU Fu-na， XIANG Yang

（Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： Big data is becoming a key force to promote teaching innovation， a data-driven educating model in electrical engineering is proposed. First， the teaching goals for training innovative electrical engineers under the New Engineering and Technical Disciplines is set; before the class， the Kolb Learning Style is used to establish students， learning style model; then the five-stage mixed teaching and grouped hierarchical teaching are carried out to promote the progress of all students; The relationship-based transfer learning method is used to migrate the logical knowledge and ability relationships in the advantageous areas to the weak areas. So teachers can give supervised personalized guidance， and finally the effect of large-scale data-driven educating model in electrical engineering is realized.

Key words： data-driven; washington accords; educating model; Kolb learning style; transfer learning